0 引言

    頻譜測量在射電頻譜測量的研究中十分重要。傳統(tǒng)的頻譜測量儀器非常笨重，功耗也比較大，如今許多科學工作者的射電頻譜測量工作逐漸轉(zhuǎn)向環(huán)境惡劣的工作場所，工作者需要每隔一段時間去檢查一次系統(tǒng)工作情況，這樣就需要系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能，便于數(shù)據(jù)分析^[1]。而資源的匱乏就對頻譜測量系統(tǒng)提出了低功耗的要求。本設(shè)計從實際出發(fā)以超外差測量頻譜和鎖相環(huán)技術(shù)來得到頻譜及U盤存儲數(shù)據(jù)等方式解決這些問題。

1 頻譜測量原理

    本系統(tǒng)采用了超外差頻譜測量和中高頻調(diào)諧的方法實現(xiàn)了頻譜的測量^[2]，此方法很大程度上減少了干擾并且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并通過鎖相環(huán)技術(shù)的運用實現(xiàn)了液晶屏上顯示采集的波形，然后將數(shù)據(jù)存入U盤^[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    整個系統(tǒng)主要由STM32F103控制芯片、鎖相環(huán)電路模塊、按鍵、液晶顯示、存儲模塊、A/D采集、環(huán)路濾波器組成，硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 主控芯片硬件電路

    考慮到需要的I/O數(shù)、運行速度、A/D采集精度和性價比等因素，本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6芯片，自帶512 KB大容量Flash，3個12位A/D轉(zhuǎn)換器使系統(tǒng)采樣精度高，轉(zhuǎn)換速率快。其性能穩(wěn)定、功耗低，溫度適用范圍大，外圍模塊豐富。

2.2 液晶顯示電路

    本系統(tǒng)選擇了卓力恩科技的ZLG240128F-BTSSWE-YBC的液晶屏，其分辨率為240×128，液晶的溫度一般是-30 ℃~70 ℃之間，對周圍環(huán)境的局限性相對較小，從而脫離了上位機，而且增加了人機的友好交互效果。

2.3 數(shù)據(jù)存儲電路

    為了使系統(tǒng)在低功耗情況下快速、精準地存儲數(shù)據(jù)信息，本系統(tǒng)選擇CH378文件管理控制芯片，選擇8位并口方式與單片機連接，可實現(xiàn)U盤或SD卡的快速讀寫，支持12 Mb/s全速和480 Mb/s高速USB通信，其最大可支持容量為32 GB^[4]，其應用框圖如圖2所示。

2.4 鎖相環(huán)電路

    鎖相環(huán)路主要通過ADI公司的ADF4351芯片的分頻器靈活控制輸出頻率，為了得到更合適的環(huán)路穩(wěn)定性和頻率鎖定時間，本系統(tǒng)采用三階無源濾波器(其環(huán)路帶寬為75 kHz~150 kHz，相位裕度取47°~55°)以及HXO-32的10 MHz晶振^[5]，濾波電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    軟件程序是在MDK5開發(fā)環(huán)境中用C語言編寫的，根據(jù)人機交互程度的不同將系統(tǒng)工作模式分為全自動、半自動、全手動三種模式。程序中增加了對采集數(shù)據(jù)的軟件處理，采用平均算法使數(shù)據(jù)獲得較高的精準度和穩(wěn)定度，并使用8位并行傳輸方式進行數(shù)據(jù)存儲。

3.1 程序流程圖

    本系統(tǒng)包含三種模式，這里主要介紹全手動模式。全手動模式程序流程圖如圖4所示。程序主要包含初始化程序、主程序和U盤檢測程序等。初始化程序是對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，保證了各部分功能正常進行。

3.2 矩陣鍵盤的軟件實現(xiàn)

    為了實現(xiàn)按鍵的中斷級別最高，系統(tǒng)采用了掃描的方法進行檢測，并給予延時消除抖動以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性^[6]。各按鍵功能說明表如表1所示。

3.3 點頻輸出計算方法

    ADF4351的點頻輸出的計算方法可根據(jù)式：

以及系統(tǒng)的參考晶振頻率RF_IN=10 MHz求得INT和FRAC的值。根據(jù)其值可將輸出模式設(shè)置為小數(shù)模式或者整數(shù)模式，由此將上述所求值放入對應寄存器中即可^[7]。

    軟件的掃頻劃分為7個段來編程，調(diào)用AetPLL函數(shù)即可完成點頻配置，通過程序循環(huán)進而完成多頻掃描，并通過軟件配置低噪聲模式及防反沖脈沖寬度配置可以改善相位噪聲和雜散性能，通過減少周跳擴展了PFD的線性范圍，從而加快了鎖定時間^[8]。掃頻程序配置流程圖如圖5所示。

3.4 扇區(qū)方式存儲數(shù)據(jù)

    全手動模式下的扇區(qū)存儲通過單片機控制CH378寫入扇區(qū)數(shù)，以返回的中斷標志來判斷是否已經(jīng)存儲成功^[9]。連續(xù)存儲大量數(shù)據(jù)時，可以在關(guān)閉文件時更新數(shù)據(jù)長度或者間隔一段時間更新，這樣不僅可以增加數(shù)據(jù)存儲的時間利用率，又可以延長U盤的壽命。全手動模式下扇區(qū)存儲流程如圖6所示。

4 實驗結(jié)果

    圖7為頻譜測量的硬件實物圖，系統(tǒng)通過參數(shù)值的調(diào)制最終可實現(xiàn)在35 MHz~4.4 GHz整個頻段的每個頻點都可以輸出較好的頻譜，圖8為鎖相環(huán)輸出點頻1 500 MHz的頻譜，其環(huán)路帶寬為124 kHz，相位裕度為49.3°。

    系統(tǒng)的操作界面是人機交互的關(guān)鍵，用戶可根據(jù)自己的需求選擇系統(tǒng)的工作模式，模式選擇界面如圖9所示，全手動參數(shù)配置界面如圖10所示，圖11為480 MHz帶寬下1 200 Mz頻率信號在液晶中呈現(xiàn)的頻譜。

    當系統(tǒng)采集完數(shù)據(jù)以后，將數(shù)據(jù)存入到U盤中TXT格式的文本中，取出后對數(shù)據(jù)進行分析，圖12為部分文檔數(shù)據(jù)的結(jié)果。

5 結(jié)論

    本文主要介紹了以STM32F103ZET6為主控芯片的頻譜測量系統(tǒng)，系統(tǒng)可實現(xiàn)頻譜的測量，并通過按鍵操作實現(xiàn)液晶顯示以及數(shù)據(jù)存儲。本系統(tǒng)功耗低、易操作、便于攜帶且具有存儲功能，在野外通信測量活動、勘探活動中有著很好的應用前景。

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作者信息:

孫  威，殷興輝，王新君

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京211100）