基于MSP430單片機的天線方向圖自動測試系統

張明榮，殷興輝

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 211100）

天線方向圖是天線的重要指標，天線測試的目的是檢驗天線的輻射特性。早期的天線測試主要依靠手工，誤差大、效率低。隨著計算機應用技術的發展，出現了用于天線測試的自動控制系統[1]，有效的提高了測試精度和工作效率。然而以往開發的系統主要應用于商業領域，成本高、研發周期長。為了針對實驗研究、教學實踐和小型天線工程測試對天線測試系統的實際需求，提出并設計了一種基于MSP430的天線方向圖自動測試系統，該系統能夠完成對天線的準確測試。

1 方向圖自動測試系統理論和方案設計

根據天線互易原理，采用旋轉天線法[2-3]。固定的輻射天線作為發射天線發射電磁波，轉動被測天線進行接收，測出被測范圍內不同角度處的信號電平，便可得到被測天線的方向圖。在實際測量中不需要對空間每一點都仔細研究，僅需測得兩個互相垂直的包含最大輻射方向的E面和H面的方向圖。本系統對于架設在地面上的天線，取平行與地面的水平方向圖為研究對象，在液晶上以直角坐標系進行繪制。

測試系統主要包括以下幾個部分：無線信號發射模塊、信號采集控制模塊、數據處理、顯示及存儲模塊。原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖Fig.1 Diagram of system principle

2 方向圖自動測試系統設計

本系統的設計要求主要如下：1）利用MSP430控制天線轉臺按測試要求轉動；2）對天線信號進行采集和存儲；3）根據采集到的數據繪制方向圖。基于以上要求，整個電路以系統穩定、功能全面、控制方便、成本節約為原則進行設計。系統硬件結構[3]如圖2所示。

2.1 測試系統的自動控制模塊實現

天線方向圖自動測試系統中的自動控制主要指MSP430對天線轉臺的控制。在測量過程中，將行列式非編碼鍵盤，掛接至MSP430具有中斷功能的P1口上，以中斷查詢的工作方式，將相關控制指令參數（包括啟動、停止、自動及單步運行）發送給MSP430，MSP430將其轉換成電脈沖經驅動電路帶動轉臺平穩轉動。天線轉臺工作電壓是交流24 V，額定負載為18 kG，水平轉速為每秒6°。經實驗，在額定負載內，轉速精確。由于繪制方向圖只需要角度的變化量，可通過MSP430中定時器TA模塊，采用中斷定時的方法產生固定的角度，使天線按測試要求轉動。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

2.2 信號采集與存儲模塊實現

信號采集單元主要由測量接收機和A/D轉換器組成。測量接收機將接收信號進行電流/電壓轉換并放大以滿足A/D轉換的需要；A/D轉換器將信號轉換為數字量使能進行相應軟件處理。MSP430F149內部集成ADC12模塊，數據采集精度高并且所有功能都可以通過用戶軟件獨立配置。初始化A/D模塊采用內部參考電壓；配置P6.0口為外部通道，與經過接收機轉換放大的滿足A/D轉換需要的信號相連；采用單通道單次轉換模式以節省軟件量及測試時間。當產生TA中斷信號時開啟轉換，在轉動過程中關閉以節省系統能耗。

MSP430作為即時的數據采集單元，設計其與USB設備的接口以實現數據的及時、安全存儲。與其他串行總線相比，USB顯然具有速度上的優勢；相比基于ISA、PCI縱向擴展板卡來說，USB無疑具有靈活方便的特點。系統由MSP430與CH375接口芯片組成控制電路[4]。CH375為USB總線的通用接口芯片，其內置處理海量存儲設備的專用通信協議固件，外部MCU可直接以扇區為基本單位進行讀寫，將USB設備簡化為一種外部數據存儲器，從而降低了協議處理難度，簡化編程。電路中將CH375的TXD引腳接地使其以并口方式與MSP430相連。測試過程中系統默認工作于主機方式，MSP430接收到需要傳輸數據的指令后初始化CH375，接收到中斷信號確定連接有效，將扇區（512B）內的數據寫入USB設備。該設計適用大數據量實時讀寫的單片機系統。

2.3 信號顯示處理模塊實現

測試信號采集和數字化后，通過繪圖程序在液晶上實時動態顯示。在系統中采用的是帶中文字庫圖形點陣液晶XY12864G[5]，采用并行間接控制方式掛接至MSP430上。該模塊以ST7920為內核，既能顯示字符，又能顯示圖形，還能夠將字符和圖形混合顯示。由于XY12864G自帶中文字庫，漢字顯示編程較簡單，本文只介紹動態圖形顯示的相關方法[6]，方向圖繪制原理與此類似。

圖形顯示的關鍵在于確定圖形坐標系中要顯示的點對應在液晶屏幕上相應的位置和在GDRAM中的地址。GDRAM與液晶屏幕的對應關系如圖3所示。

圖3 GDRAM與液晶屏幕對應關系示意圖Fig.3 CorrespondingrelationdiagramofGDRAMandliquidcrystalscreen

1）為了充分利用整個屏幕的資源，將第一點列作為縱坐標。考慮到在波形下方需要顯示實時電壓值，且ROM內含16×16點中文字型，將第47行設為橫坐標。

2）確定在屏幕上顯示圖形的寬度和高度。

縱坐標Y根據AD轉換精度和坐標系Y軸分辨率轉換而成，代表信號電壓。系統AD轉換精度為12位，ADC12MEM1為轉換寄存器，則不難推導出坐標轉換公式為：

橫坐標X代表固定角度數，轉臺轉過幾個角度，X就等于多少。當計數值為128時，說明一屏已滿，要進行換屏操作，如此循環直至出現結束標志。

3）波形數據的橫坐標和縱坐標雖然已經確定，但不直接對應液晶屏幕上的繪點地址。由圖3可知，在液晶屏幕上只能顯示128×64個點，對應于GDRAM中的64行×16WORLD/行。當GDRAM的橫坐標小于8并且縱坐標小于32時，其內容將顯示在屏幕的上半部分；當GDRAM的橫坐標為8-15并且縱坐標小于32時，其內容將顯示在屏幕的下半部分。結合圖形顯示區的顯示特性推導出屏幕坐標系下點 （X，Y）在GDRAM中對應的橫縱坐標（H，V）公式分別為：

4）計算此點對應以（H，V）為 GDRAM 坐標的的 WORD的第幾位，設a=X%16，如果 a=16，則 WORD的最高位為1，否則從WORD最高位起第a位為1，將此位置1，則可點亮屏幕上對應的點（X，Y）。

在實際繪圖的過程中，由于每一個GDRAM地址對應16個位址，如果將此繪點單元數據直接寫入地址中，會影響該字節在液晶屏幕上的原有波形數據，造成波形的斷續顯示。為了避免這種情況，事先將該單元的值讀出，與此次要寫入的值相或后作為最終值寫入，就不會破壞原波形顯示數據，保持了波形的完整性、連續性。

XY12864G在已知GDRAM位址情況下，寫繪圖RAM步驟如下：

1）先寫入垂直 V坐標命令（0～47）

2）再寫入水平 H坐標命令（0～15）

3）將數據寫入

4）將數據寫入

3 測試流程及實驗結果

測試以小型喇叭天線為對象，在室內測試場地面和四周鋪設吸波材料以減少環境對測量結果造成的影響；分析天線的最大口徑D和波長λ，根據公式（4）確定最小測試距離。

開機后，啟動AD轉換，如圖5（a）所示顯示信號電壓，通過單步控制轉臺轉動以便調整主向的接收強度和零輻射方向的系統零點。當信號電壓大于1 V時，按鍵開始各模塊的初始化，進行測試。

根據測試功能需求分析，得到如圖4所示的軟件設計結構圖。

圖4 系統軟件設計結構圖Fig.4 diagram of the software test system

天線轉臺轉速為每秒6°，可設置定時器TA如下，以固定轉臺步距角，

TACTL=TASSEL0+TACLR；

CCTL0=CCIE；

CCR0=32768/12；

TACTL|=MC0；

選擇ACLK為TA的計數脈沖，增計數模式，開啟TA中斷，設置比較器初始值為32768/12（天線轉臺每一步為0.5°，轉一圈運行720步，采集信號強度720次），開啟TA，在中斷服務程序中判斷結束標志，關閉TA及停止轉臺轉動，開啟A/D進行數據的采集、存儲以及如圖5（b）實時顯示信號以判斷系統運行狀態。最后當天線測試結束后，顯示測試結果顯示界面圖5（c），MSP430則根據接收到的鍵值調用相關程序進行相應的操作，實驗結果如圖5（d）所示。整個測試過程流暢，軟件性能穩定，時間短，采集數據準確，方向圖繪制形象直觀。

4 結 論

圖5 實驗結果顯示圖Fig.5 Diagram of the experimental results

文中詳細論述了一種基于MSP430單片機的天線方向圖自動測試系統的構建。系統具有手動控制測試功能，通過外部輸入信號控制轉臺的運動和天線信號的采集、顯示、存儲以及方向圖的繪制；配置定時器產生更小的步距角，增加測試采樣點，使采集的數據更加精確的優點。從實驗效果來看，該設計原理是可行的，較好的實現了天線方向圖的自動測試控制，測量精度和可靠性比較高，能夠滿足實驗室研究和小型天線的測試需要。

[1]田波，甄蜀春，張永順.現代微波測量的發展動態[J].宇航計測技術，2003，23（5）:61-64.TIAN Bo，ZHEN Shu-chun，ZHANG Yong-shun.Trends on modern microwave measurement[J].Jounnal od Astronantic Metrology and Measurement，2003，23（5）:61-64.

[2]邊永生.小型天線參數的自動化測量[D].濟南:山東大學，2006.

[3]孫曉莉.線天線方向圖自動測量系統設計[D].大連:大連理工大學，2009.

[4]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.

[5]何曉坤，李秀娟.基于CH375USB接口和MSP430單片機的數據采集系統設計[J].儀器與儀表用戶，2007（2）:75-78.HE Xiao-kun，LI Xiu-juan.The design of data collecting based on CH375 USB interface and MSP430 MCU[J].Electronic Instrumentation Customer， 2007（2）:75-78.

[6]胡洪波，梁書劍，張愛民，等.基于ST7920的12864液晶的使用方法研究[J].山西電子技術，2011（6）:82-84.HU Hong-bo，LIANG Shu-jian，ZHANG Ai-min，et al.Study on the using method of 12864 LCD based on ST7920 Controller[J].Shanxi Electronic Technology，2011（6）:82-84.

[7]令朝霞.基于單片機的LCD實時曲線顯示的設計[J].計算機與數字工程， 2010，40（5）:127-129.LING Zhao-xia.Design of the LCD real-time curve display based on the SCM[J].Computer&Digtal Engineering，2010，40（5）:127-129.