基于无线传输的智能双经纬仪小球测风系统—经纬仪数据收发板设计(编辑修改稿)

基于无线传输的智能双经纬仪小球测风系统—经纬仪数据收发板设计(编辑修改稿)内容摘要：

intantantantantantantantanyzLyLx （ 21） 在实际应用中应当利用 γ值再 计算 z的坐标，通过和上式的 z求平均值来实现利用冗余数据进行数据质量控制。 设 两次测量角度 的 间隔时间为 t，两次测得的坐标分别为 （ x1， y1， z1）（ x2， y2， z2） ,则水平方向上这段时间的风速 v和方向 θ为：    逆时针选择为正轴方向为为以其中风的水平方向 0a r c t a n1212212212xxxyytyyxxv （ 22） 在实际测量时，基线长度的测量需要通过 A 点的经纬仪测量 B 点相对于水平面的俯仰角 Φ，并通过激光测距仪等测距方式得出 A、 B 两点间的距离，或者在 B 点设立垂直标杆求出 BB′的值，再通过三角关系计算 AB′也就是基线 L 的长度。 10 图 基线测量示意图 实际测量中 在使用经纬仪准线对准气 球时，由于气球有一定的体积同时位置不断变化，如果两台经纬仪对准气球的不同位置或者读数的时候并未完全对准气球，就会产生误差，使得计算坐标和实际坐标偏离。 图中 P 点处两经纬仪视轴偏差越大，误差就越大。 这种偏差同时会因为信道切换产生的大约 1020ms 的延时而加大，两台经纬仪传回的角度数据就只是近似同时采集，对于风力较大的状况下会加大误差。 对于这种误差，在精度要求较低的情况下可以忽略不计，但是对于大风力和精度要求较高的情况下可以通过电子经纬仪的内存进行数据备份，在测量完成后一并传回主机，以减小误差。 或者根据事先设定 的测风误差 来处理数据 ，例如偏差范围为 510 米 的时候可以接受，如果超过这个限制，就应剔除 相关数据。 经纬仪 测角和激光测距仪测距的误差也会影响测风数据的准确性，应当尽量采用 精度较高的仪器。 系统中无线数据 传输部分设计 本课题主要是做 基于无线传输的智能双经纬仪小球测风系统中的经纬仪数据收发板的设计。 在该数据收发板的设计中，无线收发芯片用的是 Chipcon公司（现被 TI 公司收购 ） 生产的 CC1020，微控制器用的是 Cygnal 公司（现已被 Silicon Laboratories 公 司收购） 的完全集成 的混合信号片上系统型（ System On Chip,SOC） MCU 芯片 C8051F310，天线用 简单的 1/4 波长单极天线就可以符合本设计的要求了。 电源部分 一般用干电池或充电电池供电 ，便于携带。 无线数传模块 与外界设备 的通信方式用的是 UART0 串行通讯。 无线数传模块内部 C8051F310 与 CC1020 之间的通信用的是 SPI（增强型串行外设 11 接口）方式。 无线数传模块硬件结构框图如图 所示。 单 片 机 C 8 0 5 1 F 3 1 0R S 2 3 2 串 口无 线 射 频 接 口C C 1 0 2 0电 源处 理模 块C 2 接 口（ J T A G 调试 模 块 ）U A R TS P I 图 无线数传模块硬件结构框图 无线传输 的选择 采用电子经纬仪代替光学经纬仪之后，采集到的数据传输到上位机的方式可以采用有线和无线方式。 无线双经纬仪测风系统经常应用于野外特定地区的气象数据测量，而且在两台经纬仪之间要求有 500 到 1000 米的距离以保证测风数据的准确性。 野外架设有线数据传输线路会增加人力和时间的花费，而且当遇到一些特殊的应用 环境，比如 山地、湖泊、林区等特殊的地理环境时，布线比较困难 ，将会对有线传输 带来 很大的制约，适应性 差。 另外当希望给系统中添加新设备的时候 也 会比较麻烦，当系统出现故障的时候也很难确定出现问题的位置，维修时耗力 多。 而采 用无线数据传输的方法可以有效的降低成本、提高效率，并且不受地理环境和地面状况的影响，当系统中添加新设备时只要采取时分复用、频分复用或者址分复用就可以方便的 把新设备 加入 到 系统中。 系统无线通路发生故障时可以直接更换无线数传 模 块， 立刻恢复系统的数据传输通路，维修方便。 目前， 无线数据通信技术可分为两大类 ： 一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据 (CDPD)，通用分组无线传输技术 (CPRS)、 EDGE 等。 二是基于局域网的技术，如 WLAN、 Bluetooth、 IrDA、 HomeRF、短距离无 线通信技术等。 本设计采 用短距离无线通信技术（ RF 技术）来进行无线数据传输。 12 随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部。 一般使用单片数字射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件即可构成专用或通用的无线通信模块，有的射频收发芯片甚至集成了微控制器。 由于所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在射频芯片内部，由其构成的无线模块一致性良好，性能稳定且不易受外界影响。 射频芯片一般采用 ASK， FSK， OOK， GFSK 等调制方式。 通信模块一般包含简单透明的数据传输协议和使用简 单的加密协议，其发射功率、工作频率、工作状态等可以通过软件配置完成。 用户无需对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的无线数据传输功能。 新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速、易于实现，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线互连。 目前微功率短距离射频通信技术在无线抄表、小区传呼、工业数据采集、非接触智能卡、安全防火系统、区域报警系统等领域有广泛应用。 无线数据传输可以采用 建立专 用无线数传网 或借用 GSM、 GPRS、 CDMA 等公共网信息平台的方法。 对于使用 GSM、 GPRS、 CDMA 等公共网信息平台的方法，不如无线专用网简单易用，而 且 受公网业务开通状况及信号覆盖范围的影响，能否在某处使用，完全取决于运行商 的 系统建设情况，不如无线专网灵活，另外它的运行费用较高， GPRS是 按流量计费， 一 些无用的信息也会被计费，在节假日时公网系统的负荷会达到高峰（如短信、彩信 等 成倍增长），系统及网络堵塞严重，信 息不畅，不能及时发送或接收 有用信息，实 时 性较差。 专用的无线网 经常采用 ISM(Industrial Scientific Medical)频段，此 频 段主要是开放给工业、科学、医学三个机构使用 的 ，主要包括 31 43 86 915MHz 等频段 ，目前也开发了工作在 ISM 的蓝牙收发电路。 但是如果选择 330MHz的高频 (短波 )段，其优点是使用适当的发射功率可以得到较远的工作距离，因为有源元件在此频段的效率 13 比更高频段的效率要高。 印制板的布局设计也不是很严格，寄生电容与所用元件相比较小，寄生耦合也比较容易避免。 缺点是要求的天线尺寸大。 短波频段最大的缺点是此频段还有大量的公共服务信道，比如短波广播、电视通信网络等，频率资源相当拥挤。 然而对于 频段，在给定的发射功率下，由于自由空间传播损耗大以及有源元件的效率差，其工作距离比 UHF 频段短。 综合考虑，本设计选定 ISM 的 433MHz工作频段。 工作在 ISM 频段的无线数传模块大多工作在低电压微功率条件下。 一方面 ， 低电压微功率可以节省能源，因为测风常常在野外进行 ， 电池是系统的主要电力来源，低电压和微功率可以延长电池的连续工作时间，避免了频繁更换电池或充电的麻烦；另外 无线设备工作于低电压微功率条件下可以缩小体积，减轻重量，有利于 设备的微型化，这对于便携式移动通信设备尤为重要；另一方面 ， 对于 工作在免证使用的 ISM 频段的无线通信设备，各个国家的技术规范（比如美国的 FCC、欧洲的 EN 标准）对 其 发射功率都有很严格的限制。 同时低电压微功率的数传设备还能保护工作人员在工作时不受或 减小无线电波辐射的伤害。 无线收发芯片的选择 采用 ISM 通用数传频率 433MHz的无线数传模块传送采集到的数据，成本较低且适应性较强。 不必占用稀缺的频谱资源，可以节省很大的初始投资，也不发生后期使用 费用。 目前，各大从事无线通讯类产品开发的公司，如 Microchip， TI， Motorola， Nordic VLSI， Chipcon AS， RFMD， Maxim等都有自己的 RF IC 产品。 市场上的无线数字收发芯片分为两类：一类是单独的接收或发射芯片，另一类为集成的数字收发芯片 (一块芯片上集发射与接收于一体的半双工射频芯片 )。 由于自己设计 的 射频发射接收电路，电路复杂，而且调试困难，在本射频模块电路的设计中采用了数字收发射频芯片。 而 目前无线模块中应用较多的无线收发芯片主要有 14 Nordic 公司生产的 nRF 系列和 Chipcon公司（现被 TI 公司收购）生产的 CC 系列。 适用于本课题的芯片分别为 nRF905 和 CC1020，比较而言两者最 大发射功率均为 +10dBm，应用范围都很广泛，但是 nRF905 芯片的灵敏度为 100dBm， 而 CC1020 芯片的灵敏度为118dBm，从而在同样设计良好的无线收发模块中由 CC1020 作为无线收发芯片的模块数据传输距离较远，更能适合本课题的需求。 CC1020[20]是基于 Chipcon’s Smart RF02 技术，在 CMOS 工艺下制造出来 的一款窄带、低功耗、低电压的 单片半双工 UHF（ Ultra High Frequency）超高频 收发芯片，主要用于 ISM（ Industrial， Scientific and Medical） 频带和在 426/429/433/868/915MHz频带的 SRD(Short Range Device －近距离设备 )中，也可经编程后用于频率为402MHz470MHz和 804MHz940MHz的多信道设备 中。 CC1020 的 特点有： 灵敏度最高达 118dBm；低耗电流；低电压；输出功率 可以设定 ；不需要外部的 IF 滤波器 ； 尺寸 小（ QFN 32 封装）；单点天线连接； 数据速率高达 ； 数据调制方式有 OOK/ASK、FSK 和 GFSK；具有数字接收 信号强度指示器 RSSI（ Received Signal Strength Indicator）、载波检测指示器 (Carrier Sense Indicator)和镜像抑制混频器（ Image Rejection Mixer）； 并且 CC1020 主要的工作参数能够经由一个串行接口编程设定，外围电路简单，使用容易并且具有灵活性。 CC1020 内部结构框图如图 所示。 15 图 CC1020 结构框图 CC1020 内部电路分为发射电路和接收电路两部分。 发射电路包含有： RF 功率放大器 PA（ Power Amplifier）、 锁 相环 PLL（ Phase Locked Loop）、压控振荡器 VCO（ Voltage Controlled Oscillator）、低功耗控制逻辑电路和串行接口电路。 接收电路包含有：低噪声放大器 LNA（ Low Noise Amplifier） 和 LNA射频缓冲放大器、射频混频器、本机振荡缓冲放大器、中频放大器、解调器、低通滤波放大器 /后检波放大器、数据限制器、接收信号强度指示器 （ RSSI） 等电路。 CC1020 是一个低 IF 接收器，接收到的射频信号被低噪声放大器（ LNA 和 LNA2）放大后降频变换为中频（ IF）。 在 IF 中频的 I/Q 信号被滤波和放大后，被 A/D 转换器数字化。 自动增益控制、信道滤波、解调合位同步都采用数字化实现。 CC1020 从 DIO 引脚端输出数字解调数据， DCLK 引脚端是同步数据时钟。 RSSI 为数字形式，并可通过串行接口读出。 RSSI 还可作为可编程的载波检测指示器。 在发送模式 下 ，合成的 RF 频率直接馈送到功率放大器 (PA)。 射频输出是 FSK 信号， FSK 信号是由馈送到 DIO 引 脚的 16 数字比特 (位 )流通过 FSK 调制产生的。 可增加 一个高斯 (Gaussian)滤波器来获得高斯频移键控 (GFSK)。 频率合成器包括一 个完整的片上 LC VCO 和一个 90 度的分相器，在接收 模式中产生用于降频变换器的 LO_I和 LO_Q信号。 VCO工作的频率为。 CHP_OUT引脚端是充电泵输出， VC 引脚端是片上 VCO 的控制点。 环路滤波器在外部，连接在CHP_OUT 和 VC 两个引脚端之间。 XOSC_Q1 和 XOSC_Q2 引脚端可接一个晶振。 PLL提供相位锁定信号。 四线 SPI 串行接口用于结构配置。 低噪声放大器（ LNA）是高增益放大器，因为第一级的输入信号电平很低，噪声的影响相对较大。 对于多级放大器来说，虽然每一级放大器都会 产生内部噪声，但主要的噪声源在第一级。 降低第一级放大器的噪声，涉及低噪声放大器是最重要的。 LNA 的输入阻抗小，能容易地通过。