无线电定向系统设计

无线电定向系统设计（精选7篇）

无线电定向系统设计 篇1

0引言

当前我国电能资源短缺,国家电网对现有供电系统实施优化改造,以智能技术为中心规划新型电网模式,创建符合区 域用电要求的电网调度平台。智能电网作为国家电网未来改 造趋势,其要求供配电系统形成更加优越的作业环境,并且建立新型操控作业平台。因此,对传统供电系统实施定 向改造,可减小供电传输不当带来的能源耗损问题。

1智能电网的特点

智能电网就是电网的智能化,它是建立 在集成的、高 速双向通信网络的基础上,采用了先进的传感技术、测量技术、设备技术、控制方法及先进的决策支持系统技术,其与传统电网 的区别如图1所示。因此,智能电网作为国家电力工程改造发展趋势,具有可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全等诸多优点,带动了国家电力产业经济发展。

2智能电网对供电传输的新要求

近年来,我国城市及农村地区用电量不 断增加,供电线路运行效率出现不同程度的下降,阻碍了区域用电资源的最优化配置。供电系统是由电源系统和输配电系统组成的产生电 能并供应和输送给用电设备的系统。鉴于智能电网概念普及 推广,其对供电传输 作业提出 了更多的 要求,主要包括 以下几方面:

2.1效率方面

随着我国电网工程改造步伐的加快,供电线路运行效率成为电网考核的主要标准之一,及时解决线路运行效率也是供电公司的重要任务。因此,为了摆脱传统供电模式存 在的不足,从多个方面设定线路运行管护机制是提高效率的保障性措施。

2.2故障方面

由于供电环境的特殊性,供电线路工作期间面临着许多故障隐患,阻碍了电网向地区供电的作业水平,建立科学的故 障检修体制是很有必要的。例如,供电线路是电网配电传输的主要方式,借助线路介质可实现定向、定点传输方案,保障区域供电生产流程一体化水平。

2.3安全方面

新时期国家电网建设步入新阶段,各地区开始根据实际供电需求分布电力线路,维持区域用电调度的一体化水平。供电线路是供电系统的传输介质,架设于地面之上形成供电运输网络,解决了传统地面线路埋设存在的安全隐患。

3定向供电系统设计与应用

当前,智能电网供电作业面临着严峻 考验,社会用电 需求量大增降低了供电传输质量。而影响供电线路运行效 率的因素复杂多样,供电公司可从电力定向传输系统方面采取 措施,形成“人员—设备—保护”定向式的供电作业平台,全面保障区域供电的最优化水平。

3.1智能保护系统

对电力系统继电保护的新原理进行深入研究,将国内外最新的人工智能、模糊理论、综合自动控制理论、自适 应理论、网络通信、微机新技术等应用于新型继电保护装置中,使得新型继电保护装置具有智能控制的特点,大大提高电力系统的安全水平。

3.2实时仿真系统

定向供电系统对线路负荷动态特性监测、电力系统实时仿真建模等方面进行了研究,提供大量实验数据,并可和多 种控制装置构成闭环系统。协助科研人员进行新装置的测试,从而为研究智能保护及灵活输电系统的控制策略提供了一流的实验条件。

3.3人机操控系统

设计定向供电平台,必须将计算机、网络 和多媒体 技术的最新成果和传统的电力系统分析理论相结合(图2),设计符合智能电网运行要求的人机操控系统。此外,利用专家 系统、智能控制理论,进行电力系统结构改造,设定符合定向传输 作业标准的新系统,为智能电网节约更多的资源。

3.4安全告警系统

未来,定向供电系统要考虑安全告警 系统要求,采用与供电系统相对应的调控模式。例如,结合电力工业 发展的需 要,开展了将专家系统、人工神经网络、模糊逻辑以及进化理 论应用到电力系统及其元件的运行分析、警报处理、故障诊断、规划设计等方面的实用研究。

3.5状态监测系统

通过将传感器技术、光纤技术、计算机技术、数字信号处理技术以及模式识别技术等结合起来,针对电气设备绝缘监测方法和故障诊断的机理进行了详细的基础研究,开发了发电 机、变压器、开关设备、电容型设备和直流系统等主要电气设备 的监控系统。

3.6定向监控系统

供电线路具有空间广、距离长、性能优等特点,已经广泛应用于电网改造工程中,扩大了区域供配电传输范 围。当前,国内电网改扩建工程逐渐增多,供电线路面临的故障风险越来越高,这取决于线路暴露在外的工作环境因素。智能电网是电力系统改 造的主要 趋势,采用多种 信息技术 辅助电网 调度与监控。

4结语

智能电网是国家电力行业的发展趋势,对供电系统作业模式提出了严格要求,建立定向供电与传输方案是必然要求。提高供电效率、保障供电安全、减少故障发生等是智能电网 的新要求,设计定向供电系统需结合智能保护、实时仿真、状态监测等多方面进行,共同创建现代化供电作业模式。

无线电定向系统设计 篇2

定向越野竞赛是参加者以地图 (Map) 、指北针 (Compass) 为器械, 依次到访所有点标 (Controls) , 以最高效率完成任务者为胜的体育运动项目。

签到系统是定向越野竞赛系统中裁决运动员竞赛成绩和效率的首要而且是唯一的手段。当今国际定向越野竞赛的签到系统均采用电子打卡计时系统。

Fingerprint of Punch系统无需携带、无丢失担忧及替代现象发生。是综合了当今国际先进的光电技术、计算机软件技术、数据库技术和活体生物识别技术为一体的高科技系统。已被广泛应用于国家机关、公共服务以及企事业部门的考勤和身份验证管理当中[1]。无独有偶, 定向越野就是要求参与者利用地图和指北针等器械依次到访各个点标, 并确切记录下到访各个点标的依次性和效率性, 完全迎合了Fingerprint识别系统的基本技术要求, 具有无需携带、完全排他性、技术可靠和廉价的特点。从理论层面分析, 各项技术指标要求也远低于一般Fingerprint识别系统, 因此我们可以从定向越野竞赛基本结构系统设计方法、定向越野竞赛Fingerprint硬件电路设计方法和定向越野竞赛Fingerprint识别系统数据处理系统设计方法三方面进行设计和开发研究。

二、定向越野竞赛Fingerprint of Punch系统整体运作方法

竞赛组织委员会在发出竞赛通知后, 根据竞赛要求和反馈信息进行竞赛组织编排, 选定参赛运动员, 编程竞赛场次 (包括单项赛事和集体赛事, 不同距离赛事等) , 编程年龄组、级别组, 选择活动需要用到的硬件设备, 并调整硬件设备进出赛场参数, 进出签到, 发放编排核对单, 审核参加赛事的运动员的相关信息。系统可打印的竞赛秩序表有竞赛报名核对表、运动员起点出场统计记录表、签到记录明细表、运动员终点统计记录表、违规统计记录表、最后系统还设置了备份数据、上传数据。系统流程如图1所示:

该系统共分系统初始化、竞赛报名管理、竞赛赛场管理、信息查询、成绩公告和系统管理6个模块.

1、系统初始化包括添加、修改签到设备信息、上传签到数据、下载指纹信息、竞赛信息维护、运动员信息维护、指纹采集、存档信息维护、数据库连接设置等内容.

2、竞赛报名管理包括定义竞赛场次、年龄组、级别组、定义会场及设备, 具有设备远程监控、全程实时浏览等功能.

3、竞赛赛场管理设置竞赛场次、年龄组、级别组和打印时限, 并可根据条件作废、统计、打印成绩单。

4、信息查询涵盖竞赛场次、年龄组、级别组和出场记录等进行的查询, 对未参赛人员批注未参赛原因, 并可进行复合查询。

5、成绩公告包括:个人参赛成绩及名次、各参赛队成绩、运动员出场状态、漏点失败率、成绩统计。成绩公告还可根据各参赛单位提供的统计表样计算统计数据, 生成报表。

6、系统管理包括用户管理, 参赛运动员的增加、注销、密码设置, 密码修改, 权限管理, 系统代码维护, 竞赛数据记录和修改, 数据备份和恢复, 数据导入导出。

三、定向越野竞赛基本结构系统设计方法

该系统可依托Fingerprint成型产品, 对定向越野赛区起点和重点、赛场所有点标进行串联规划布线, 将其与中心Fingerprint签到信息回归管理系统保持一致性, 使分散于各个点标位的Fingerprint扫描机能够实现在不同点标同时进行相同或者不同的签到要求。在各个点标位或起点终点均可实时浏览当前活动的签到情况。系统网络示意图如图2所示:

四、定向越野竞赛Fingerprint识别系统数据处理系统[2]设计方法

(1) 模块初始化, MCU对指纹识别模块初始化, 设置其工作模式为命令工作模式, 串口通信波特率为57600bps。

(2) 生成模板, 通过指纹传感器录入指纹图像三次并生成指纹模板保存在模板缓冲区 (Mb_Buffer) 中。

(3) 传输模块, 将模板缓冲区中 (Mb_Buffer) 的内容上传到MCU。

(4) 传输模块, 从MCU下载一个指纹模板到模板缓冲区 (Mb_Buffer) 中。

(5) 生成特征, 通过指纹传感器录入一副指纹图像并生成指纹征值, 存在模块的特征值缓冲区 (Tz_Buffer) 中。

(6) 对比指纹, 模板缓冲区 (Mb_Buffer) 与特征缓冲区 (Tz_Bufer) 中内容进行对比, 并给出比对结果, 返回给MCU。

(7) 回归输出成绩单, 将比对的数据结果回归保存, 打印输出成绩单。

指纹识别程序分指纹模板录入和指纹现场对比两种情况, 图3、图4给出了流程图。

五、定向越野Fingerprint of Punch系统的实用价值

毋庸置疑, Fingerprint of Punch系统克服了现行电子打卡计时系统存在着携带不便、替代隐患和费用过高三大无法解决的难题。首先, 携带不便指的是运动员在运动中不仅要携带地图、指北针和检查点说明, 同时还要带上电子指卡, 双手负担过重, 既是安全隐患, 也会极大地影响运动员科学运动;其次, 替代隐患指的是电子指卡签到过程可异己替代完成 (这在众多比赛中路见不鲜) ;再次, 费用过高指的是不论是娱乐定向越野, 还是定向越野教学训练, 甚至定向越野正式比赛, 各级别电子打卡计时系统较之结构繁杂且耗费昂贵。所有这些因素势必引申出一个重大的问题——质疑比赛的公正性和真实性。因此, 定向越野Fingerprint of Punch系统具有很高的实用价值。

摘要：本文结合定向越野项目特点, 根据定向运动的竞赛特点, 以人体体征采集与识别的机理, 提出了适合定向越野娱乐活动、定向越野训练及比赛的基本方法——Fingerprint of Punch方法。

关键词：Fingerprint,定向越野,竞赛

参考文献

[1]程晓伟, 江建国, 等.指纹考勤系统的光学原理及软件数据结构研究[J].计算机应用, 2003, 13 (2) :34.

[2]常青, 韩彬, 张其善, 一种具有指纹识别功能IC卡读写器的开发[J].电子技术应用, 2004 (12) :13.

无线电定向系统设计 篇3

关键词：磁场定向控制,交流调速,PI调节器

一般情况下, 感应电机的运行速度是由主电压的频率和电动机磁极的数量来决定的[1]。控制感应电机的速度要比控制直流电机难很多, 因为感应电机的电流和所产生的转矩之间的关系是非线性的。所以, 相对于直流电动机而言, 异步电动机的无刷结构会使它们在没有维护的情况下使用很长一段时间[2]。磁场定向控制技术可以在很宽的范围内改变感应电机的速度[3]。在磁场定向控制技术中, 一个复杂的电流分解成两个正交的分量, 一个分量用来产生电机中的磁通量, 另一个分量控制电机中电磁转矩的产生。

磁场定向控制最初是为那些需要在整个速度范围内平稳运行, 从零转矩开始到产生完整转矩, 并具有较快加速和减速的高动态性能和高性能电机的应用而设计的[4]。所以为了研究交流电机在高性能电驱动系统中的应用, 本文提出一种新的控制算法, 并通过建立仿真模型及仿真试验, 验证了该方法的可行性。

1 算法的基本思想

主要基于两个基本思路, 一个是磁通和产生电流的转矩, 另一个就是参考坐标系的转换[5]。在控制过程中, 施加到电机上的是两个正交电流而不是常用的三相电流。这两个电流分别是直轴电流 ( id) 和交轴电流 ( iq) , 分别负责在电机中产生磁通和转矩。其中, iq的电流和定子磁通是同相的, 和id成直角。当然, 施加到电机的实际电压和所产生的电流是常用的三相电。坐标系是由静止参考坐标系和定子磁通同步旋转的参考坐标系之间的转换[6]。把在一个参考坐标系中的正弦量转换成另一个以相同频率旋转的参考坐标系中的恒定值。通过坐标系的转换与选择后, 一旦正弦量变换成一个恒定值, 就能够用传统的比例积分控制器来对这个系统进行控制[7]。

2 磁场的矢量控制

感应电机的矢量控制频率是完全定向的, 现在要对转子磁通在d轴下进行直接控制。通过一个单位矢量的变换命令来对旋转轨迹进行跟踪, 它有一个旋转的d - q轴和静止的d - q轴, 在PI控制器下的公式为

式中: ids、iqs为旋转d - q轴的电流; i*ds、i*qs为固定d - q轴定子电流的参考值; θ 为转子旋转角度。为了达到励磁直流电机的动态稳定性, 通常情况下ids保持恒定, iqs是变化的。

实际情况下三相电流分别为

三相abc坐标轴与d - q坐标轴的关系如图1 所示, 转子磁链和转矩之间的解耦关系如图2 所示。

转子磁通为

旋转坐标系转子磁通的相位角为

3 磁场定向控制系统

通过对逆变输出的三相电流和电机的转速进行检测, 利用本文提出的控制方法对其进行控制, 使整个运行过程形成一个闭环控制系统, 以此实现对电机速度的控制。控制系统如图3 所示。

在控制过程中, 采用了可以调节滞环宽度的电流调节器, 滞后调制是一种能够反馈电流的控制方法。电机的电流在滞环内作为跟踪的参考电流, 实际测得的电机线电流与正弦基准电流作比较得到所需频率和幅度。如果电流超过电流滞带的上限, 逆变器上桥臂关断, 下桥臂打开, 使电流开始减小, 反之使电流增大。

使用这种控制策略的计算公式为

它可以时刻更新PI调节器的输出增益, 既使存在非线性关系也能保持良好的控制性能[8]。在正常运行过程中, 命令转矩变化的值会被放大, 如果控制器的增益超过了一定值, 命令转矩变化的值会变的太高, 这样会使系统处于不稳定状态。为了克服这个问题, 在前面添加了一个限制器, 用其产生的速度误差来限制。经过适当的选择后, 即使控制器增益变高, 命令转矩也会平滑地变化。当电机速度达到基准值并无过调后, 跟踪稳态误差变为零, 这就意味着磁场定向控制方法能使电机速度达到所需速度要求。

4 模型的建立与仿真

通过上述研究建立了仿真模型, 其中包含了设计的比例积分磁场定向控制器, 如图4 所示, 比例增益为166. 2, 积分增益为27 700。

经过仿真之后的图形如图5、图6 所示。

当初始速度为100 rad /s时, 系统进行控制与调节, 转矩开始迅速变化并时刻进行调节, 使转矩在很短时间就处于稳定状态。当所要求速度提升时, 如图5 中在0. 5 s时速度升至150 rad /s, 系统随时跟踪调节, 转矩在短时间内进行调节后重新回到稳定状态。而当需要电机反转时, 转矩也能时刻进行调节并保持稳定。如图6 所示, 在0. 5 s时速度变为- 100 rad /s, 系统进行跟踪控制, 转矩同样在短时间内调节后重新回到稳定状态。整个系统在磁场定向控制下不管电机正转还是反转, 系统能时刻进行跟踪并及时进行调整, 使控制系统时刻处于稳定状态。

5 结语

本文提出的基于磁场定向控制的PI调节器对电机速度的调节有较快的响应, 相比其他的一些控制方法响应更快, 更准确, 控制效果更好。经过模型的建立与仿真试验, 其结果表明: 本文提出的这种方法能够很好地对电机速度进行调节, 并且使系统时刻保持稳定性, 实现了系统的鲁棒性与高稳定性, 证明了所提出的方法可行。

参考文献

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无线电定向系统设计 篇4

关键词：无刷直流电机,磁场定向控制,RBF,监控系统

无刷直流电机的转矩脉动及其抑制研究是目前无刷电机领域的研究热点之一[1,2,3,4,5,6]。现有的无刷直流电机转矩脉动抑制方法抑制效果仍不理想,抑制效果较好的又存在学习算法复杂,不利于产业化问题。个别文献在无刷直流电机控制系统中使用磁场定向控制策略,能一定程度降低其转矩脉动[4,5]。文献[5]设计了基于磁场定向控制的无刷直流电机控制系统试验平台,电机转矩和转速脉动较小,但其控制性能有待进一步提高。文献[6]提出利用BP神经网络算法抑制换相转矩脉动,该智能控制方法转矩脉动抑制效果好,但学习算法复杂,收敛慢,不利于大规模推广。本文用RBF神经网络速度环取代文献[5]中的普通速度环,基于Luminary 615微控制器和无刷电机专用芯片MC33035[7],设计了无刷直流电机RBF磁场定向控制系统。现有的电机监控系统要实现实时数据图形化显示,一般设计较复杂[8]。本文基于Visual Basic开发了配套的上位机监控系统,设计简单,能在低成本下实现转速等实时数据的波形显示及参数设置,具有一定的理论意义和实用价值。

1 基于RBF神经网络的无刷直流电机磁场定向控制策略

1.1 基于RBF的无刷直流电机磁场定向控制系统

与永磁同步电机磁场定向控制相比,目前没有学者给出无刷直流电机d-q坐标系下的精确等效电路。本设计参照文献[5],通过跟踪控制各相电流设定值,实现无刷直流电机的ID=0控制。电流的跟踪方式为滞环跟踪,系统采用RBF速度环。

图1给出了基于RBF的无刷直流电机磁场定向控制系统框图。

1.2 RBF速度环

1.2.1 RBF速度环结构

RBF神经网络是三层前馈神经网络,一个隐层,函数逼近能力好、学习速度较快且无局部极小值。本设计中,磁场定向控制系统中的速度环采用两输入、单输出的RBF神经网络,RBF速度环结构如图2所示。

1.2.2 RBF神经网络

RBF神经网络拓扑图见图3。

电机速度误差e(给定速度与实际速度之差)、速度误差的变化率ec=de/ dt作为神经网络的输入,神经网络输出为定子电流。

输入层:

隐层径向基函数选用高斯函数。

隐层径向基矢量如下:

式中:

式中:C为节点的中心,b为节点宽度参数。

隐含层与输出层的权值为:

输出为:

本设计采用梯度搜索原理来使目标函数最小。

目标函数见式(6):

式中:

式中,η为神经网络的学习率。

2 RBF磁场定向无刷电机控制系统及监控系统硬件设计

2.1 系统硬件结构

本系统微控制器选择Luminary 615,电机控制芯片采用专用无刷电机控制芯片MC33035。微控制器单元、电源电路、串口通信电路、逻辑电路、驱动电路等为控制系统的主要组成部分,系统硬件结构框图如图4所示。

2.2 微控制器Luminary 615

Luminary 615微控制器是首款基于ARM®CortexTM-M3的控制器,将高性能的32位计算引入到对价格敏感的嵌入式微控制器中。Luminary 615的最小系统板原理图如图5所示。

2.3 串口通信电路

下位机串行口只占用了PD2以及PD3,作为单片机接收端RXD和发送端TXD。在计算机和下位计算机通信,只需将接收信号(TX,RX)和(GND)三线接好即可。串行接口芯片级的TTL电平,它与计算机串行接口电平不一致,因此需要电平转换。

系统选择采用MAXIM MAX232串行公司生产的接收/发送驱动芯片,外围电路简单,只需4个0.1μF电容器可以实现电平转换功能。

2.4 逻辑电路

本设计选用无刷电机专用芯片MC33035[7],稳定性高,具体电路图见图6。

3 系统下位机软件设计

本系统的下位机软件采用模块化的方法进行设计,采用IAR编程环境,IAR编程环境风格简易方便,功能齐全,采用C语言进行编程。软件的编写流程见图7。

4 控制系统上位机监控软件设计结论

4.1 上位机监控软件流程

开发电机监控系统,希望能方便、灵活地选择电机参数、进行状态监测及发送电机命令。如图8所示为本文上位机监控系统的软件流程图。

4.2 上位机监控系统的串行通信程序设计

MSComm控件属性的程序如下:

如图9所示,程序设计具有事件驱动和查询方式。由On Comm捕获事件,查询的事件方式为查询事件类型(Comm Event)。

4.3 基于VB的上位机监控系统设计

Visual Basic 2005语言功能强大,易于学习。它不仅仅保保留留了了原原有有BBaassiicc的的所所有有功功能能,,还还新新增增加加了了面面向向对对象象编编程程功功能能。。本本文文在在VViissuuaall BBaassiicc 22000055编编程程平平台台上上建建立立了了一一个个基基于于对对话话框框的的程程序序,,完完成成了了无无刷刷直直流流电电机机磁磁场场定定向控制系统的运行参数监控及参数设置。图10和图11分别为开发系统的电机参数设置及通信设置界面。

5 系统测试

系统测试采用的无刷直流电机型号为42BLF03,参数为额定功率78 W,额定力矩0.188 N·m,电枢绕组电阻1.8Ω,电枢绕组电感0.54 m H,额定电压24 V,额定转速4 000 r/min。

利用串口线将无刷电机控制板连接到PC机,并在监控软件上打开相应的通信串口,在PC机监控界面设定电机的转速为正转3 000 r/min(水平拖动移动块时,调的最小单位1代表50 r/min),下位机将采集的系统输入电压和实际测得的转速传回给电脑,在监控软件上显示出来,如图12所示。电脑显示电机实际转速为3 010 r/min,存在的误差为0.33%,无刷直流电机的实际转速达到上位机设定的转速值,由速度波形可见设计的无刷直流电机RBF磁场定向控制转速脉动小,说明其转矩脉动小(文献[2]提出了电机转矩脉动衡量指标,认为转速脉动小,转矩脉动肯定小)。同时上位机显示的电压与实际万用表测得的电压一致,都为23.94 V。设计的无刷直流电机RBF磁场定向控制转矩脉动小、控制精度高,监控系统功能达到设计要求。

6 结论

设计利用Luminary 615微控制器和无刷电机专用芯片MC33035,在无刷直流电机磁场定向控制系统中采用RBF速度环,设计了无刷直流电机磁场定向控制系统,并开发了基于Visual Basic的配套上位机监控系统,进行了42BLF03无刷直流电机实验,结果表明,设计的无刷直流电机RBF磁场定向控制系统转矩脉动小、控制精度高,开发的配套监控系统能在低成本下实现转速、电压等参数的图形化显示及参数设置。

参考文献

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[4]吴茂刚,赵荣祥.矢量控制永磁同步电动机的转矩脉动分析[J].电工技术学报,2007,22(2):9-14.

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无线电定向系统设计 篇5

数字变频技术是软件无线电重要核心技术之一[1],也是对软件无线电系统性能影响重大的部分之一。国内外实现软件无线电数字变频普遍采用两种方法,一种是采用专用变频芯片,另一种是利用FPGA实现。专用芯片有可直接使用,性能比较稳定等优点,而价格昂贵、灵活性不强等缺点也同样明显,更重要的是不符合软件无线电灵活性和开放性,技术可扩展性、软件可随需要不断升级等特点。随着FPGA技术的快速发展,FPGA处理能力强、吞吐量高、开发周期短、可重复编程及实现成本低的特点非常适合用于软件无线电系统及其他相关领域。通过System Generator系统设计工具进行设计[2],可以大大缩短系统设计实现时间,节省人力物力。

1 数字变频原理

数字变频系统分为上变频和下变频,组成结构基本相同,是由数字混频器、数字控制振荡器(NCO)和多速率信号处理滤波器组三部分组成[3],数字上、下变频器的结构原理框图如图1所示。

在图1中,下变频原理为:中频信号经过串并转换后,分两路输入到混频器中,NCO产生正交本振信号输入到数字混频器,与中频信号进行混频。混频后的信号再经过多速率信号处理滤波器组,以实现采样率变换和滤除带外干扰信号,最后得到基带信号。多速率信号处理滤波器组采用积分梳状滤波器(CIC)、半带(HB)滤波器和FIR滤波器级联的方式实现[4]。上变频则相反。

2 数字变频系统设计

系统设计和实现采用Xilinx公司的System Generator系统设计工具进行建模和仿真实现,芯片采用Xilinx公司的FPGA—XC4VSX35。

2.1 数字变频系统设计指标

在整个数字变频系统中,基带信号带宽为64 kHz,采样率为468.75 kHz,滤波器阻带衰减为60 dB,中频信号载波频率为30 MHz。上、下变频都要完成CIC滤波器5级32倍和HB滤波器3级8倍的采样率转换,上变频器从468.75 kHz提高到120 MHz,经过30 MHz的NCO混频,达到中频,中频再输入到下变频器中,经过混频,再完成采样率从120 MHz降到468.75 kHz。

2.2 NCO的设计

NCO采用查表法实现[5],结构如图2所示。设计参数为:ROM的位数为8位,深度为256,产生频率为30 MHz,采样频率为120 MHz的正弦波和余弦波。根据公式fout=fclk×δ/28可以算出建模所需参数,fout为输出频率,fclk为时钟频率,δ为频率控制量。图3为NCO内部建模SIN部分,COS部分类似,在此不再赘述。

2.3 CIC的设计

CIC设计采用Hogenauer滤波器实现[6]。Hogenauer滤波器是在多级CIC级联结构上的一种改进型CIC采样滤波器,能更好地抑制旁瓣电平,增加了阻带衰减幅度,从而满足设计要求。多级CIC级联实现上、下采样时,CIC中的积分器要位于速率高的一端,微分器则始终在速率低的一端,而重采样器位于中间。D即为CIC滤波器梳状部分的延迟,图4和图5为CIC多级级联到Hogenauer滤波器转换。

在采样滤波器组中,五级Hogenauer采样滤波器实现采样率变换为32倍。上采样将从HB滤波器输出的3.75 MHz采样速率提高到120 MHz,提高32倍,下采样则正好相反。图6为五级32倍Hogenauer上采样滤波器建模图,完成后生成子系统便于之后调用。

2.4 HB和FIR的设计

HB和FIR滤波器的设计都是用FIR滤波器直接形式转置结构原理进行建模设计[7],完成后分别生成子系统。FIR直接形式转置结构是在通用性和可重新配置性两方面比较好的滤波器设计方法。在直接形式转置结构中,FIR滤波器每个延迟为1,而HB滤波器则延迟为2,因为HB滤波器有一半的系数为0。图7为直接形式转置结构原理框图,其中C为滤波器系数,根据直接形式转置结构原理设计的HB滤波器如图8所示。

三级上采样HB滤波器用FDATool滤波器设计工具分析滤波器系数,采用了Kaiser窗,通带频率为64 k Hz,通带衰减为0.01 dB。输入信号采样频率为468.75 k Hz,第一级HB采样频率937.5 kHz,HB阶数为15阶;第二级HB采样频率1.875 MHz,HB阶数为11阶;第三级HB采样频率3.75 MHz,HB阶数为11阶。下采样HB滤波器与上面设计类似。

FIR滤波器内部建模如图9所示。FIR滤波器则运用阻带等波纹法计算系数,通带宽度为64 kHz,阻带上限带宽为194 k Hz,过渡带为130 kHz,通带衰减为0.01dB,阻带衰减为60 d B,采样频率为468.75kHz,阶数为11阶,幅度和相位如图10所示。

3 系统实现

数字变频系统中,将CIC和HB滤波器子系统合并为一个更大的子系统。输入信号频率64 kHz,采样率468.75 kHz,I路为正弦信号,Q为余弦信号,相差90°。可以从I,Q两路信号输出频谱看出,系统已实现,达到设计要求,并且阻带衰减都达到60 d B及以上。数字变频系统建模、频谱及资源估计如图11~图16所示。

系统所需要的资源数,芯片XC4VSX35内部资源完全能够提供,如表1所示,芯片XC4VSX35内部有Slices共15 360个。与文献[7]相比,文献[7]设计FIR滤波器就使用了3 425个Slices,本文中数字变频系统整个系统只使用了264个Slices,从表2可以看出在资源使用量上是比较少的。

4 小结

运用System Generator系统设计工具,进行建模设计软件无线电数字变频系统,达到了设计要求。创新之处在于系统是依据相应的基本原理进行建模和参数设计,并没有直接调用System Generator设计工具自带的完整功能模块,如NCO,CIC,HB,FIR等模块,而且FPGA资源使用率也很少。System Generator环境下的仿真结果表明,这种基于FPGA的数字变频系统具有灵活性、通用性和修改参数方便的特点,资源使用率也比较少,比较适合于软件无线电系统及其他相关领域。

参考文献

[1]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2001.

[2]纪志成,高春能.FPGA数字信号处理设计教程—System Generator入门与提高[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.

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[4]MITOLA J.The software radio architecture[J].IEEE Trans.Communi cations Magazine,1995,33(5):26-38.

[5]杨灵,吴黎晖,张蕴玉.基于高效抽取滤波器的数字下变频设计[J].华中科技大学学报:自然科学版,2006,34(6):14-17.

[6]HARRIS F J.通信系统中的多采样率信号处理[M].王霞,张国梅,刘树棠,译.西安:西安交通大学出版社,2008.

无线电定向系统设计 篇6

1 系统的工作原理

无线电遥控多路开关由发射电路和接收控制电路两大部分组成, 开关系统的工作原理是首先通过按键编址电路采用软件方法产生键码实现对受控电路开关进行编址, 指令编码电路也采用软件方法实现, 对键盘电路进行行、列扫描从而计算出键值, 将计算出的键值编码后通过无线发射模块F05B发射出去;遥控信号由接收模块J04E接收, 如果所接收到的信号地址码与本机地址编码相同, 则单片机输出与无线电发射电路相对应的开关信息给信号处理控制电路, 由控制电路控制相应的开关电路动作。否则, 单片机不进行译码, 信号处理控制电路不响应, 开关电路无任何开关动作[1]。

2 发射电路

发射电路主要由按键编址电路、软件编码电路及无线电发射电路组成。

(1) 按键编址电路和软件编码电路。

按键编址电路和软件编码电路采用AT8 9 C 5 1单片机实现。为了节省硬件, 采用行列矩阵式非编码键盘[2]。P2口、P3.0~P3.3口组成行列矩阵键盘, 以P 2口作为输出口, 接键盘列线;P3口作为输入口, 以P 3.3~P 3.0接键盘的4条行线, 可对L 0~L29共30路受控开关电路进行编址。

(2) 无线发射电路。

本设计采用F05B射频发射模块作发射电路。其主要特点是:低功耗发射、无数据时发射电流为零、较宽的工作电压范围。F05B最佳有效工作距离为100M左右若需更远的发射距离, 应增加射频功率放大器。

3 接收电路

接收电路主要由无线电接收电路、软件解码电路, 信号处理控制电路及开关电路组成。

(1) 无线接收电路。

无线电接收电路采用与射频发射模块F05B相配套的射频接收模块J04E, J04E具有较宽的接收带宽, 极低功耗, 可长期处于守机状态。

(2) 软件解码电路和信号处理控制电路。

软件解码电路和信号处理控制电路采用单片机AT89C52芯片, AT89C52的P3.2端口作为信号的接收端, P0口、P1口、P2口、P3.0脚、P3.1脚、P3.3~P3.6脚作为信号的输出端, 可控制30路开关电路, 只有接收端的地址码和发射端的地址码设置完全相同, 输出端才有输出信号。AT89C52芯片将数据输入端 (第12脚) 接收到的信号, 经内部电路译码辨识确认。如果所接收到的信号地址码与本机地址编码相同, 输出与无线电发射电路相对应的开关信息给信号处理控制电路, 由控制电路控制相应的开关电路动作。否则, 译码芯片不译码, 信号处理控制电路不响应, 开关电路无任何开关动作。

(3) 开关电路。

开关电路由PNP三极管、继电器和电磁阀组成。开关电路中继电器属于强电电路, 直接用集成电路芯片不能驱动, 为此在单片机与继电器之间必需设置一个驱动继电器的电路。本系统利用三极管的截至和饱和两个状态, 来关闭继电器或打开继电器开关。

4 系统的特点

(1) 遥控系统易于扩展。

本系统可实现对30路被控装置进行控制, 考虑到被遥控的对象 (供水开关) 不可能分布在同一股道, 所以对遥控系统进行扩展。扩展后的系统采用一个发射器, 多个接收器来控制开关 (本系统为两个) , 按此设计, 本系统控制16路开关, 按键只用到L0~L7、L28~L31, 如果系统仍需要扩展, 则键盘中没有用到的键都可以作为扩展按钮。

(2) 与红外、超声等遥控方式相比, 具有遥控距离远 (可达到250米) 、无方向性、能隔墙、隔物控制等特点。

(3) 由于采用单片机实现软件编码、解码, 因此硬件成本低廉, 可靠性高。

5 结语

该系统已经在实验室全面通过软、硬件综合调试, 在数百次操作试验中动作准确, 性能稳定。综上所述, 基于单片机控制的无线电遥控多路开关系统, 实现了智能遥控, 提供了一种合理的低成本、高性能、实用的无线电遥控系统的实现方案。此系统研制的成功为旅客列车自动上水系统的推广应用提供了保障。

参考文献

[1]董增寿.基于单片机的多路无线遥控开关[J].机械管理开发, 2004, 29 (4) :83～84.

无线电定向系统设计 篇7

机载设备装机前为保证可靠性必须对各设备进行测试, 这不仅需要操作大量精密昂贵的仪器仪表及通信板卡, 而且测试过程相当复杂繁琐, 测试数据需要整理记录, 花费时间长, 测试任务重, 测试人员要求素质高, 这对进行大量机载设备测试带来了极大的挑战。而在这些机载设备测试中, 无线电导航设备的测试最为复杂, 应某机型生产的需要, 专门设计一套无线导航设备自动测试系统对无线电导航设备的功能和性能进行评估和测试;同时提供一个地面交联环境, 模拟装机后各设备间的通信数据, 技术人员可以对各无线电设备之间的匹配性、一致性、兼容性等进行验证。

1 系统组成及工作原理

无线导航设备自动测试系统功能如下:

(1) ADF、MMR、RA、TCAS和DME总线输出数据的采集、处理和存储;

(2) 仿真ADF、MMR、RA、TCAS和DME的总线数据;

(3) 设备的激励信号控制和产生;

(4) 设备输出离散信号和音频信号的采集;

(5) 被测航电设备控制盒仿真。

为完成上述功能, 无线导航设备自动测试系统被设计为图1所示的系统[1], 由图1可知该系统由专用激励源、PXI测试机箱、GPIB通信模块、429通信模块、数字I/O模块、音频采集卡、矩阵开关模块、接口适配箱、测控计算机组成。测试系统所测航电设备包括组合接收设备 (MMR) 、无线电罗盘 (ADF) 、交通告警和防撞系统 (TCAS) 、无线电高度表 (RA) 及测距仪 (DME) 等五类被测航电设备。

测控计算机完成被测航电设备测试中的组织管理, 测试任务的调度, 测试中ARINC 429总线数据的仿真, 测试结果的判读;激励单元负责提供所有被测航电设备运行所需的激励信号;PXI系统负责与所有被测航电设备进行1553B、ARINC 429、RS 232及HDLC总线通信, 音频信号的采集, 离散量的采集;适配单元负责接口适配与信号调理。

在测试中测控计算机控制激励单元给相关的设备加载激励 (或输入) 信号, 并由控制盒或仿真控制盒设置无线电导航设备处于相应的工作状态, PXI平台通过信号采集与数据通信获得被测航电设备的工作状态和相应的工作数据, 达到对被测航电设备测试的目的[2,3]。

另外测试系统还可以进行手动测试, 主要用于系统联试出现异常时, 可以在手动状态下进行故障注入调试;包括通过开关切换系统对物理线路开断构造开路故障、通过调试接口接地构造短路故障、通过软件通信设置进行奇偶校验、码率、编码, 标号位的设置构造相关通信故障。

2 适配单元设计

接口适配单元是保证被测航电设备接入到测试平台进行正确测试的重要部件;接口适配单元主要完成信号转接分配、信号调理、被测航电设备多型号接口适配及信号检测和指示等功能[4], 测试平台接口适配单元工作原理如图2所示。

由图2可知, 每个适配单元中包含多块接口适配板、信号切换模块、设备信号检测孔、型号指示灯、机载设备插座和测试系统连接器, 安装于一个适配箱内。其中接口适配板的功能是对被测设备的输入和输出离散信号进行调理 (放大、衰减、调整) ;信号切换模块主要有4个功能:将测试仪表切换连接到被测试信号线上;将激励源输出的仿真信号切换并连接到被测设备的输入端口上;完成自动和手动测试功能的切换;完成电源加电控制和监测切换。信号检测孔安装在适配箱面板上, 用于测试过程中对关键信号的监测;型号指示灯用于显示被测设备的不同型号;机载设备连接器和测试系统连接器分别用于被测航电设备与测试系统的连接。

接口适配箱的另一个重要功能是适应同类多型被测航电设备的匹配, 包括已知的和未知的设备型号变化导致的连接器型号及插针定义的变化。本文在接口适配箱的设计中, 采取以下措施解决上述问题:当接口定义发生变化时, 可以在测试软件接口配置界面中修改接口定义配置表改变接口定义, 然后测试软件选择不同型号设备的接口适配板完成测试连接, 保证接口定义的正确性;采用加装备用航空连接器, 解决被测航电设备连接器型号变化的问题。

3 激励单元设计

激励单元要为被测航电设备提供工作所需的激励信号, 模拟装机工作时天线和传感器信号;测控计算机也可以通过GPIB通信接口与激励源通信, 完成对激励源的设置和输出控制, 激励源配置图如图3所示。

本测试分系统对ADF、MMR、TACAN、DME、RA和TCAS将按激励信号特性采用通用或专用的模拟源进行激励, 在综合考虑国内外设备情况后, 有如下的激励源的配置方案:

(1) 33522B是一款任意波形发生器, 在ADF天线模仿仪配合下, 可给ADF接收机提供激励信号, 完成ADF各种测试。

(2) WLM-9天线模仿仪与任意波形发生器33522B配合给ADF提供ADF方向性的激励信号, 用于测试ADF接收机性能指标。

(3) ATB-7300测试多模接收机 (VOR、LOC、GS、MKR) 接收机提供激励, 完成性能指标测试。

(4) MLS-800微波着陆系统/地面站模拟器, 测试MLS接收机性能指标。

(5) IFR6000, 用于TCAS功能测试。

(6) ALT-8000高度表测试仪, 可编程的多航段仿真爬升及下降曲线。

(7) 采用ATC-1400A可为DME主要功能和性能指标测试提供激励源。

(8) ATC-1400A+S-1403DL可为TCAS系统中S模式指标测试提高激励源。

4 软件设计

充分考虑软件的可扩展性、可裁剪性、可实现性, 采用层次化和模块化架构设计实现, 软件功能模块构成图如图4所示。

(1) 测试操作界面:测试项目的管理, 测试流程的组织, 测试功能任务的分发, 测试结果数据管理;

(2) TPS执行管理模块:接收测试执行任务的下发, 主要实现对测试过程的管理和控制;

(3) 激励源控制模块:通过仪表总线实现对激励源的控制, 给被测输出所需的激励信号;

(4) 离散数据采集模块:主要通过数字I/O和A/D采集设备驱动, 实现对被测设备输出的离散数据的采集和处理任务;

(5) 设备仿真模块:在交联测试时, 主要实现对不在位的交联机载设备的数据及信号的输出仿真;

(6) 总线采集模块:主要实现对429交联总线的实时数据的采集和监控任务;

(7) 设备控制模块:主要实现对被测设备和测试设备的控制和管理;

(8) 系统自检:对系统中的部分或者全部测试设备和模块进行自检, 也可以让测试员选择自检的测试设备和仪器模块;

(9) ICD管理模块:主要实现对ICD文件的增加, 修改和保存;

(10) 数据分析模块:主要实现对测试系统的测试数据分析处理, 形成测试结论。

5 结论

本文所设计的自动测试系统已经在飞机生产中成功应用, 试验效果良好, 原先困扰飞机生产的无线电设备测试的瓶颈, 现在只需两名技术工人就能轻松完成, 切实解决了生产中的问题。

摘要：采用最新虚拟仪器及自动测试技术, 基于PXI模块和GPIB仪器设计了一套可对无线电高度表、测距仪、防撞与告警系统、无线电罗盘及多模接收机进行综合测试的飞机无线电自动测试系统, 给出了软硬件设计方法及接口适配、设备激励、ICD管理等关键技术的实现思路。

关键词：自动测试系统,无线电导航设备,虚拟仪器,GPIB仪器

参考文献

[1]马明建.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社, 1998.

[2]张红梅, 徐启丰, 徐贵水, 等.虚拟仪器在航空仪器检测中的应用[J].空军工程大学学报:自然科学版, 2003, 4 (2) :70-73.

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[5]霍朝晖, 覃杨森, 祁春.飞行试验机载关键参数快速处理系统设计[J].现代电子技术, 2013, 36 (5) :121-124.