基於ARM的微波頻率自動測量系統設計

　　1.引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201709/364598.htm

　　通常微波所指的是分米波、釐米波和毫米波。關於其頻率範圍，一種說法是：

　　300MHz ~ 300GHz(1MHz =106Hz,1GHz =109 )相應的自由空間中的波長約為1m~1mm.

　　微波技術的興起和蓬勃發展，使得國內大多數高校都開設微波技術課程。但還存在以下問題：測量時，由手工逐點移動探頭並記錄各點讀數，然後手工計算實驗結果並繪圖。測量項目單一、精度低、測量周期長，操作也較為繁瑣。本文主要研究一種實用的基於Labview的速調管微波頻率自動測量系統。

　　2.系統整體結構

　　系統的整體結構如圖2-1所示。由下位機跟上位機構成。微處理器通過驅動電路來控制步進電機，帶動諧振式頻率計的套筒轉動，處理器採樣檢波電流，傳送到上位機LabVIEW界面顯示，並利用PC機強大的數據處理功能，分析出電流最小值，計算出所測頻率。

　　3.系統硬體設計

　　3.1 微處理器系統電路的設計

　　本系統選用的微處理器是S3C44B0.2.5VARM7TDMI內核，3.0~3.6V的I/O操作電壓範圍。可通過PLL鎖相環倍頻高至66MHz;71個通用I/O口;內嵌有8通道10位ADC,本系統選取了通道1作為晶體檢波器電流輸入通道。

　　3.2 復位電路

　　系統沒有採用RC電路作為復位電路，而使用了電壓監控晶片SP708SE,提高了系統的可靠性。復位電路的RST 端連接到S3C44B0的復位引腳nRESET,因為S3C44B0的復位信號是低電平有效，所以當系統掉電或復位按鍵SW_RST被按下時，電源監控晶片RST 引腳立即輸出復位信號，使S3C44B0晶片復位。

　　3.3 諧振式頻率計自動測量電路的設計

　　3.3.1 定標法測頻率原理

　　為了實現頻率的自動化測量，本系統採用步進電機帶動頻率計的轉動，當腔體轉到了諧振位置時候，到達檢波器的微波功率明顯下降，檢波電流出現明顯的下降，而這個位置對應的頻率就是所測頻率。步進電機帶動下的是非只讀式頻率計，所以先要用定標的方法，擬合出頻率與刻度的對應關係式。定標法：同時配合兩種頻率計，一種是只讀式的，可直接讀出頻率;另一種是非只讀式的，只有刻度，不能直接讀出頻率。首先手動轉動非只讀式頻率計到一個諧振的位置，記錄這時的刻度，然後再轉動只讀式頻率計，到另外一個諧振位置，記錄對應的頻率。重複這種操作，測出儘量多的頻率和刻度對應點，根據測得數據再用最小二乘法擬合出兩者的對應關係式。最後改換用步進電機帶動非只讀式頻率計轉動，當轉動到檢波電流出現明顯的「吸收谷」時，讀得這時的刻度，根據擬合出來的刻度與頻率關係式，就可得所測頻率。

　　3.3.2 步進電機及自動控制電路

　　步進電機是一種將電脈衝轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度，達到調速的目的。

　　本系統採用二相步進電機，具有如下一些特點：只需將電機與驅動器接線的A+和A-(或者B+和B-)對調即可實現電機的轉動方向;步進角為1.8°的兩相四線混合式步進電機，並把細分驅動器的細分數設置為8,電機的運轉解析度為每個脈衝0.225°。為了有效驅動電機，本文採用了基於TA8435H晶片的驅動電路。實際應用電路如下圖3-2所示，晶片的輸入信號有使能控制、正反轉控制和時鐘輸入。

　　通過光耦器件TLP521可將驅動晶片跟輸入級進行電隔離，起到邏輯電平隔離和保護作用。

　　M1,M2分別接高電平，所以為1/8細分方式。

　　由於REF IN引腳接高電平，因此VNF為0.8V.

　　輸出級斬波電流為VNF/RNF=0.8/0.8=1A,因此R212、R213要選用功率大一些的電阻。選用不同的二相步進電機時，應根據其電流大小選擇合適的R212和R213.R21和C5組成復位電路，D1~D4快恢復二極體可用來洩放繞組電流。  

　　電路中用到微處理器S3C44B0引腳PC0,PC1,PC2給驅動電路分別輸出使能，正反轉，時鐘信號，通過控制輸出脈衝的間隔可以控制電機轉動的速率，而輸出脈衝個數可控制步進電機走動的步數，達到控制頻率計腔體位置目的。電路輸出埠A, A, B, B接二相步進電機對應輸入端子。

　　3.3.3 檢波電流I/V轉換及放大電路

　　檢波晶體的作用是將微波微弱信號轉換成直流信號。故可觀察檢波電流是否出現「吸收波谷」來判斷腔體是否到達諧振位置。本系統將檢波電流經過處理之後傳送到上位機的LabVIEW界面顯示，觀察是否到諧振位置。  

　　由於微波信號在傳輸過程中受到外部幹擾的噪聲，線路的噪聲，元器件的噪聲等等，因此需要濾波電路來濾除這些幹擾信號。由於處理器對信號的採集速率比較低，所以本系統採用了時間常數比較大的由R418和C409構成的低通濾波器。其截止頻率為f p =30Hz有利於濾除電路中的尖峰噪聲。電路採用兩級運放，第一級為I/V轉換，第二級為電壓反相放大。調節可變衰減器，電機走完全程，觀察到檢波電流最大值為50.9μ A,因此電路中RF4=1K,R416=1K,RF5=45K,由Vout1=-RF4*I知，經過第一級I/V轉換之後最大電壓為50.9mV,再經過放大，最終輸出電壓最大為2.291V,滿足S3C44B0的A/D轉換輸入要求。

　　4.軟體設計

　　4.1 下位機軟體

　　系統開機復位後，進入while(1)死循環，時刻檢測上位機是否發來測量頻率的命令，當接受到測量頻率命令後，調用測頻率模塊子程序。頻率測量子程序中，電機走完全程需要1854步，每一步帶動諧振腔走0.005mm,每一步耗時44.44ms,電機每走動一步，把100次檢波電流的A/D轉換數據求平均值後再通過串口發送到上位機顯示。

　　4.2 上位機軟體設計

　　在虛擬儀器開發平臺LabVIEW中，可以利用基於VISA的儀器驅動模板中的I/O接口函數來方便快速地開發驅動程序。本系統中通過PC機和主控晶片S3C44BO的RS232串行通信實現數據採集的驅動程序正是使用這種方法。

　　如圖3-5頻率測量的labview程序圖。首先用最大值與最小值函數求出採集到的電流數據的最小值，並求出其對應的索引值，即步進電機在哪一步採集到的電流值，從而把這個索引值反饋回頻率數組，求出其對應的元素，則為所測頻率。

　　5.信號源輸出頻率測量實驗結果及分析

　　為了在上位機的LabVIEW界面得到所測量的微波信號頻率，需在界面中顯示出檢波電流--頻率曲線，從而可明顯讀出檢波電流的「吸收波谷點」.需通過定標法先手工測量頻率--距離(當前測量點與起始點的距離，可由套筒刻度算出)的一組儘可能多的數據點，然後利用步進電機每走一步的距離，就可以把距離轉化為步數，再用matlab擬合出頻率--步數的關係函數。從而可知道步進電機走到哪一步對應哪一個頻率。電機走完全程需要1854步，那麼把步數對應的1854個頻率值組成一個數組作為曲線的橫坐標，並把採集到的1854個電流值作為縱坐標。

　　限於本信號源頻率及諧振式頻率計測量範圍的影響，本系統只能在8.48GHz和9.9GHz範圍內測量。因此從套筒的起始位置9.9mm(對應於頻率8 . 4 8 G H z )，截止位置0 . 6 3 m m (對應於頻率9.9GHz)，其全長為9.9mm-0.63mm=9.27mm.由於電機帶動套筒每步的距離非常小，因此不能直接測量步進電機一步的距離，利用步進電機沒有累計誤差的特點，採用步進電機走動180步，測出套筒刻度前後位置差，得出步進電機帶動套筒每一步移動平均距離為0.005mm.手工測出頻率與刻度的42組數據點，利用MATLAB擬合出圖5-1所示曲線。用MATLAB擬合出頻率f 與刻度L 線性關係函數為f = ?0.1456* L + 9.9917(0.63mm ≤ L ≤ 9.9mm)。由於電機每步帶動套筒移動0.005mm,起始位置在0.63mm,即步進電機走一步後，套筒的位置在0.63mm+0.005mm=0.635mm,而步進電機走完全程需要1854步，套筒的截止位置在0.63+0.005*1854=9.9mm.則刻度L 與步數n 的關係函數為L = 0.005n + 0.63(0 ≤ n ≤1854)。

　　可推導出頻率f 與步數n的函數關係式為f = ?0.000728n + 9.9(0 ≤ n ≤1854)。把步數對應的1854個頻率值組成一個數組作為曲線的橫坐標，並把採集到的1854個電流值作為縱坐標，利用PC機在LabVIEW描繪的波形圖如圖5-2所示。

　　再由LabVIEW自動計算檢波電流最小值對應的頻率值，如圖5-4所示。可知這時信號源輸出頻率為9.337GHz.

　　與手工測量做對比。換上可直接測出頻率的諧振式頻率計，測得這時的頻率為9.357GHz,所以自動測量與手動測量的相對誤差為：

　　本系統設定步進電機走完全程需要82.4秒，不能設得走太快的原因是防止步進電機「丟步」(漏掉了脈衝沒有運動到指定的位置)。另外太快很可能檢測不到檢波電流的「波谷點」.而手工測量一次信號源的輸出頻率，通常要兩分多鐘，可見本系統自動測量的實用性。