王心鹏，门雅彬，顾季源，李永军
（国家海洋技术中心，天津300112）
摘要：为解决在外场条件下不便于测试数传电台通信性能的问题，提出了便携式数传电台测试系统的设计思路。该系统由锂聚合物电池、电源管理模块、主控芯片、电台通信接口模块等部分组成，通过对系统主控芯片编程可为数传电台提供测试数据以满足要求。试验结果表明：该系统能够在外部无源的复杂环境中完成对多种性能数传电台的测试，具有便携性、实用性、工作稳定的特点。
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关键词 ：数传电台测试；便携式系统；电池充电管理；串口通信
中图分类号：TN924?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）15?0005?03
收稿日期：2015?01?30
基金项目：国家海洋防灾减灾项目支持（2009?008）
0 引言
数传电台（Radio Modem），又可称为“无线数传电台”、“无线数传模块”，是指借助DSP技术和软件无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。数传电台在无线通信系统中使用广泛，因此对其工作性能的测试十分重要，通常利用有线测试的方法获得电台的发射功率、灵敏度、二次和三次谐波功率等指标[1?2]，从测试结果对其性能加以评价；然后会根据电台发射功率、接收灵敏度、收发天线的方向图、极化匹配因子、电磁波自由空间损耗等因素，估算出电台有效的通信距离[3?4]，以此来评价电台在无线通信环境下的通信性能。
由于实际应用环境（如地形、建筑、遮挡物、供电不便等）复杂多变，仅根据理论计算评价电台的通信性能是不够且不具有说服力的，必须通过在现场选择合理的位置加以测试，从而确定电台实际可靠的通信距离。为了满足不同性能电台的测试要求，需设计能与多种电台相配合使用的便携式测试系统，以满足在各种复杂测试环境下的需要。
测试系统以大容量锂聚合物电池作为系统电源，在电源管理电路的控制下完成电池的充放电管理，并可为多种数传电台提供稳定可调的工作电压输出，系统具有剩余电量指示功能，并可及时对电池充电。系统上的主控芯片通过编程可为电台提供多种测试数据，具有标准的RS 232 接口，可与多种电台进行数据通信以满足测试要求。
1 系统总体构成
便携式测试系统由锂聚合物电池、电源管理模块、开关、主控芯片、电台通信接口模块等部分组成。选用锂聚合物电池是因其具有能量高、小型化、安全性好等特点[5]，其容量为10 000 mA·h，最大输出电流为2.1 A，可满足测试系统及较大功率电台的需要；电源管理模块完成锂电池充电、测试系统和电台供电等功能；系统通过主控芯片、开关、电台通信接口模块等部分完成对待测电台无线通信有效性和可靠性的测试，其组成框图如图1所示。
便携式测试系统与待测电台连接后，开启开关，系统运行并为电台提供适当的工作电压和电流，通过对系统上的主控芯片编程产生与待测电台相符合的测试数据，通过电台通信接口模块传给电台并由其发射出去，数据发送时会伴随指示灯的闪烁，发送完毕后系统电源自动关闭。
2 硬件设计
2.1 电源管理模块设计
2.1.1 锂聚合物电池充电管理电路设计
测试系统使用TI公司的BQ24702芯片对锂聚合物电池进行充电管理，该芯片是一款高集成度电池充电控制器，可通过动态功率管理功能最小化充电时间，具有0.4%的充电电压精度和4%的充电电流精度，适合对锂电池进行充电控制[6]，其电路连接如图2 所示。其中VREF引脚为芯片的5 V 参考电压输出，通过上拉电阻将ENABLE引脚置为高电平使芯片保持在工作状态，通过电阻分压的方式控制SRSET和BATSET引脚电压，从而设置电池的充电电流和电压，该设计中将二者分别设为2.5 A和5 V。R9 为25 mΩ精密电阻，通过SRP和SRN引脚对其两端电压进行检测从而控制电池充电电流达到设定值，通过BATP引脚检测电池的充电电压，达到设定值后电池充电电压保持不变而充电电流逐渐减小，当其减小到芯片内部设定的电流门限后停止充电[7]。电池的剩余电量通过4个发光二极管进行显示。
2.1.2 测试系统电源电路设计
测试系统使用锂聚合物电池提供的5 V 电压作为系统输入电压，由于各种电台正常工作时的供电电压各不相同，应设计具备输出电压可调且范围较宽的调节电路，这里使用NS公司的LM2621芯片，该芯片的输入电压范围为1.2~14 V，输出电压范围为1.24~14 V，最大可输出1 A的负载电流[8]，效率高达90%，充分满足本设计要求，其电路连接如图3所示。其中EN 引脚为芯片的使能端，由测试系统上的单片机和系统开关共同控制；通过调节与芯片FB引脚相连的可调电阻，可对输出电压进行调节，这里选用阻值为50 kΩ的多圈精密电位器，调节电位器R20 使管脚7的输出电压为6 V。为了满足测试系统上单片机和其他数字芯片的供电要求，选用NS公司的LM2937?3.3芯片，将LM2621芯片的输出电压作为其输入，从而获得稳定、低噪声的3.3 V电压输出。
2.2 系统开关设计
为了在测试系统进行数据发送时通信指示并节省设计空间，使用带有发光二极管的非自锁开关作为系统开关，通过对其自带的LED 进行控制实现发送数据时的闪烁效果，非自锁的方式允许测试系统在工作完毕后可自动关断电源。
测试系统的启动流程如下：系统电源芯片LM2621的使能端EN由两个光电耦合器的输出引脚共同控制，当开关按下后，一个光耦瞬间导通，LM2621因EN为高电平开始工作，系统上的单片机和数字芯片获得工作电压，单片机程序运行，通过其I/O口控制另一个光耦导通，EN因此继续保持高电平，当程序运行结束后关断该光耦从而关闭LM2621芯片，系统电源关闭。
2.3 主控芯片选型及设计
由于测试系统主要完成对外围芯片的控制和测试数据的生成，对于计算要求并不复杂，因此对主控芯片的运算处理能力要求不高；同时，由于测试系统的电池容量为10 000 mA·h，而系统在工作时所需时间也较短，因此对主控芯片的功耗要求也不高，但在软件开发过程中要求开发难度低，以缩短研发周期，经对比选型，最终选用Silicon Laboratories 公司的高性能微控制器C8051F310作为主控芯片。它具有与8051兼容的CIP?51微控制器内核，是完整的混合信号片上系统SoC芯片。其主要性能为：采用高速流水线结构（25 MIPS），70%的指令执行时间为1~2个时钟周期，具有16 KB可在系统编程FLASH和1 280 B SRAM，最多可达14个中断源等特点，以上性能完全满足本测试系统的设计需求。
2.4 电台通信接口模块设计
为了给待测电台供电并与其进行数据传输，测试系统应具备电台通信接口。使用单片机的I/O口、光电耦合器和MOSFET组成电台供电的控制逻辑。通常各种电台都具有RS 232 接口，测试系统上的单片机使用的是TTL 电平，选用MAXIMUM 公司生产的MAX3221 芯片完成二者间的电平转换，其电路原理框图如图4所示。
3 软件设计
为了保证测试系统的可靠运行且可维护性强，采用模块化编程完成程序设计，根据待测电台数据的需求对系统单片机程序进行编写，以生成测试数据源。采用Keil公司的Keil μVision4作为编程环境开发，程序设计语言采用C语言为主，汇编语言为辅的设计方案，汇编语言仅完成MCU寄存器的初始化，其程序流程图如图5所示，其中测试数据格式由待测电台的要求来确定。
4 系统测试结果及分析
对待测电台使用有线测试的方法获得其发射功率和接收灵敏度，选择带宽与电台相匹配的天线，根据电磁波的自由空间损耗公式、收发天线的方向图及增益等参数估算出电台的理论有效通信距离。在现场测试中，根据场地的要求尽可能将测试系统和其接收系统拉开距离，当受场地限制时，可在待测电台射频输出端加一定量的衰减起到拉远距离的效果。在进行试验前，对便携式测试系统进行高低温试验和8 h不间断工作试验，以确定其正常工作的环境温度范围和可靠的工作时间。
现选用三种不同的数传电台作为待测电台，经有线测量得知，其发射功率分别为9 dBm，15 dBm，27 dBm，接收灵敏度为-75 dBm，-84 dBm，-82 dBm，工作频率为160 MHz，433 MHz，915 MHz，工作电压分别为6 V，9 V，12 V，选择中心频率与其相匹配，带宽为20 MHz，增益为0 dB 的单极子全向天线作为发射和接收天线。使用直流12 V的电源适配器，对测试系统进行充电直至电量指示灯显示充电完成，调节3套测试系统的电台供电电压以满足要求。编写模拟测试数据，数据帧格式由测试系统标号、帧标号、模拟数据内容三部分组成[9?10]，每秒发送1帧数据。
选择遮挡相对较少的岸边作为测试环境，将测试系统放置于船上，将其接收系统放置于岸边高台处，开启测试系统与接收系统且船驶离岸，用频谱分析仪实时监测对应频率的数据发送状态并记录接收系统的结果，记录船的经纬度以用于测量船岸距离。船的航速为8 kn，数据连续发送40 min，船岸间距约为10 km时结束测试，结果如表1所示。三套测试系统在外场环境下均完成了对相应电台的测试。通过计算可知三种电台的理论通信距离分别为2.5 km，6 km，8 km，而实测通信距离均比理论值要近，这与电台自身性能、收发天线的驻波比、馈线损耗、环境噪声、空气中固态和液态颗粒物引起的传输损耗等因素有关。由此可见，使用便携式测试系统在外场验证对评估电台在实际应用环境下的通信性能是非常必要的，为全面评估电台的有效通信距离提供了保证。
5 结语
本文提出了便携式数传电台测试系统的设计思想并详细给出了硬件和软件的实现方案，最后选择海岸边作为实测场地对系统进行外场测试。结果表明：该测试系统能在外部无源的复杂环境中完成对多种数传电台无线通信性能的测试，具有便携性好、实用性高、工作稳定等特点。本设计对数传电台通信性能的实际检验方法起到一定的借鉴作用。
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参考文献
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[8] Texas Instruments Corporation. LM2621 datasheet [R]. USA：Texas Instruments Corporation，2005.
[9] 尹德淳.C函数速查手册[M].北京：人民邮电出版社，2009.
[10] KERNIGHEN B，RITCH D M. The C programming language[M]. 2nd ed. New Jersey：Prentice Hall，1988.
作者简介：王心鹏（1983—），男，天津人，工学硕士，助理工程师。主要研究方向为无线通信、电路设计、嵌入式系统等。
门雅彬（1977—），男，河北保定人，工学硕士，研究员。主要从事海洋环境自动监测技术研究。
顾季源（1988—），男，天津人，助理工程师。主要研究方向为电路设计等。