基於TRF6900晶片的紅外線矩陣坐標式自動報靶裝置

0 引 言
實彈射擊訓練的報靶方式由人工改為自動方式，自電子技術應用以來，一直都是軍警相關部門的研究課題。自動報靶裝置的優點和預期效益是不言而喻的。目前的各種自動報靶產品還不能令人滿意，如何實時、精準地獲得子彈穿過靶面時的位置信息是其關鍵技術，其中以坐標點位置(X，Y)信息最為理想。現在半導體雷射技術做到光束直徑φ3 mm以下的器件已是非常普遍，一對這樣的雷射收發器十分便宜，用200多對構成50 cm×50 cm的雷射束矩陣靶面並不昂貴。成熟的集成電路、計算機和通信等技術的應用，更能為各種實彈射擊訓練模式提供即時快捷、直觀以及智能化控制的自動報靶系統。

l 系統工作原理
1．1 系統框圖
紅外線矩陣坐標式自動報靶裝置由報靶系統和顯示系統組成，系統方框圖如圖1所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/188879.htm

在報靶系統中，矩陣式坐標靶實現了彈著點的坐標定位。坐標傳感器輸出對應於彈著點位置的電壓信號，微控制器完成對坐標信號的採樣、保持、A／D轉換，並計算出實際彈著點的X-Y坐標值，最後由TRF6900晶片無線發射到一定距離以外的接收端。
在顯示系統中，對接收到的無線載波信號經過解調處理存儲，在微控制器的控制下，在點陣式液晶顯示屏呈現胸環靶圖案並標出彈著點的位置。顯示部分亦可由可攜式個人計算機完成，處理功能更多，使系統更加完善。
1．2 TRF6900晶片介紹
本裝置無線收發採用射頻無線，收發晶片TRF6900，該晶片是TI公司最新推出的單片無線收發一體晶片，它在一個器件上包括了高頻發射、高頻接收、PLL合成、FSK調製解調、FM調製解調、直接數字頻率合成(DDS)、接收信號強度指示(RSSI)等多種功能。
TRF6900使用ISM頻段，無需申請，而且採用低發射功率和高接收靈敏度，設備之間幹擾小，可廣泛應用於無線數據採集系統、無線監控系統、智慧卡、設備遙控場合，應用前景十分廣闊。
TRF6900主要性能如下：
(1)工作頻率為868～870 MHz(西歐)／902～928 MHz(北美)；
(2)有效數據傳輸距離為1 000 m；
(3)典型輸出功率為4．5 dBm；
(4)典型輸出信號頻差為230 Hz；
(5)工作電壓為2．2～3．6 V；
(6)待機電流為5μA，工作電流為50 mA；
(7)內置2個可編程模式。
TRF6900內部結構如圖2所示。

TRF6900內部電路可分為發射模塊和接收模塊。接收模塊包括低噪音放大器、混頻器、中放、FM／FSK解調器、接收信號強度指示和低通濾波放大器等幾部分。發射模塊包括串行控制接口、直接數字頻率生成器、壓控振蕩器、鎖相環等幾部分。
1．3 TRF6900工作原理
1．3．1 接收機工作原理
從天線接收到信號由LNA IN引入TRF6900，首先經過低噪音放大器。低噪音放大器可提供13 dB的增益。低噪音放大器有正常模式和低增益模式兩種模式。當TRF6900接收的信號較強時，應該選擇低增益模式，這樣可以最大程度地減少信號非線性失真。放大後的信號被送入混頻器，混頻器將信號變頻到中頻，再通過第一和第二級中頻放大。第一級中頻放大可獲得7 dB的增益，用以補償濾波器帶來的損耗；第二級中頻放大包括多個放大器，總共可獲得80 dB的增益。經過兩級放大後的信號，如果採用的是FM／FSK調製方式就被送入FM／FSK解調器，解調出數據信號從DATA OUT引出。如果是頻移鍵控(ASK)或開關鍵控(OOK)則送入接收信號強度指示器(RSSI)解調，解調後的基帶數據由RSSIOUT輸出。
1．3．2 發射機工作原理
數字基帶信號從TX DATA引入TRF6900片內，經過直接數字頻率合成器(DDS)調製到中頻，再通過鎖相環(PLL)倍頻到射頻，最後通過功率放大器放大信號後，由PA OUT導出射頻信號，通過天線發射出去。
1．3．3 串行控制接口工作原理
串行控制接口包括CLOCK，DATA，STOBE三部分，控制著TRF6900內部所有的寄存器，包括DDS參數設定寄存器和其他的控制寄存器。在CLOCK的每一個上升沿，DATA管腳的邏輯值送入24-bit的移位寄存器，當STOBE電平被抬高時，設定的參數被送入選定的鎖存器。
TRF6900有4個可編程的24 b控制字(A，B，C，D)；
控制字A和B分別控制DDS模式0和模式1狀態下輸出信號頻率。
控制字C負責鎖相環和DDS模式O的設定。
空制數據控制字D負責調製和DDS模式1的設定。
1．3．4 直接數字頻率合成器(DDS)的工作原理
直接數字頻率合成器是基於數字域，直接產生相應頻率的正弦波。它具有頻率範圍寬，頻率解析度高，可用軟體方便地控制輸出頻率、頻率切換速度快且切換頻率時相位保持連續等優點，從而在線性調頻、擴頻和跳頻系統、都卜勒響應模擬等領域得到了廣泛應用。但DDS由於受參考頻率的限制，輸出頻率通常較低，一般為100～400 MHz，而這一頻段的頻率資源相當緊張。如果直接採用DDS產生射頻信號，將會對DDS的實際應用造成很大限制。所以在實際應用中往往是採用DDS／PLL混合方式，該方法將DDS輸出的中頻信號作為PLL倍頻器的參考頻率，利用PLL將信號變換到所需的頻率。這種方式既保留了DDS的頻率解析度高和頻率切換速度快的特性，又彌補了DDS輸出頻率較低的不足，從而得到廣泛的應用。TRF6900也是採用DDS／PLL這種方式。
TRF6900的直接數字頻率合成器包括一個24 b的相位累加器．相位碼一幅度碼轉換表，ll b的數字一模擬轉換(DAc)和低通濾波器(LPF)。相位累加器在時鐘的觸發下，對頻率控制字進行累加，相位累加器輸出的相位序列作為地址來尋址正弦檢索表，得到正弦波的離散幅度數字即抽樣數位訊號。DAC再將抽樣的數位訊號恢復為模擬信號，最後通過一個低通濾波濾得到基波分量。
24 b的累加器可通過TRF6900內部的兩個22 b的控制寄存器控制。DDS結構如圖3所示。

如圖4所示，控制字A和控制字B的高兩位為0，因此最大的比特權重為1／8。

式中：DDS_x為控制字A或B的值。參考頻率fref就是DDS的取樣頻率，它從根本上決定著DDS的輸出頻率和頻偏。TRF6900採用的參考頻率為15～26 MHz。由上式可得，DDs的最大輸出頻率為90～156 MHz，最小頻偏為21～37 Hz。
TRF6900的控制字A確定模式0對應的頻率，控制字B確定模式1所對應的頻率，DDS可以在模式0和模式1之間快速切換，從而可以實現輸出頻率由一個頻率跳變到另一個頻率，而這一切都由軟體實現。所以只需給控制字A和控制字B賦相應的值，並在兩個模式之間進行切換就可以實現跳頻。TRF6900最高可達1 360跳／s，每一跳最多可攜帶22 b數據，因此，TRF6900的最大數據傳輸速率為30 Kb／s。TRF6900採用跳頻的調製方式，極大地增加了通信的抗幹擾能力。這一特點為在惡劣環境下進行數據傳輸，保證傳輸質量提供了很大的保障。
TRF6900可以選擇傳統的FSK調製，方便了與現有設備進行通信。TRF6900由控制字C在DDS和FSK之間選擇。當TRF6900選擇FSK調製時，空號與傳號的輸出頻率完全由控制字D確定，可以用軟體方便地進行設置。如圖5所示。

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