基于ARM的微波頻率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于微波信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到外部干擾的噪聲，線路的噪聲，元器件的噪聲等等，因此需要濾波電路來(lái)濾除這些干擾信號(hào)。由于處理器對(duì)信號(hào)的采集速率比較低，所以本系統(tǒng)采用了時(shí)間常數(shù)比較大的由R418和C409構(gòu)成的低通濾波器。其截止頻率為f p =30Hz有利于濾除電路中的尖峰噪聲。電路采用兩級(jí)運(yùn)放，第一級(jí)為I/V轉(zhuǎn)換，第二級(jí)為電壓反相放大。調(diào)節(jié)可變衰減器，電機(jī)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(jīng)過(guò)第一級(jí)I/V轉(zhuǎn)換之后最大電壓為50.9mV,再經(jīng)過(guò)放大，最終輸出電壓最大為2.291V,滿足S3C44B0的A/D轉(zhuǎn)換輸入要求。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)軟件

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)復(fù)位后，進(jìn)入while(1)死循環(huán)，時(shí)刻檢測(cè)上位機(jī)是否發(fā)來(lái)測(cè)量頻率的命令，當(dāng)接受到測(cè)量頻率命令后，調(diào)用測(cè)頻率模塊子程序。頻率測(cè)量子程序中，電機(jī)走完全程需要1854步，每一步帶動(dòng)諧振腔走0.005mm,每一步耗時(shí)44.44ms,電機(jī)每走動(dòng)一步，把100次檢波電流的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)求平均值后再通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)顯示。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW中，可以利用基于VISA的儀器驅(qū)動(dòng)模板中的I/O接口函數(shù)來(lái)方便快速地開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。本系統(tǒng)中通過(guò)PC機(jī)和主控芯片S3C44BO的RS232串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的驅(qū)動(dòng)程序正是使用這種方法。

如圖3-5頻率測(cè)量的labview程序圖。首先用最大值與最小值函數(shù)求出采集到的電流數(shù)據(jù)的最小值，并求出其對(duì)應(yīng)的索引值，即步進(jìn)電機(jī)在哪一步采集到的電流值，從而把這個(gè)索引值反饋回頻率數(shù)組，求出其對(duì)應(yīng)的元素，則為所測(cè)頻率。

5.信號(hào)源輸出頻率測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了在上位機(jī)的LabVIEW界面得到所測(cè)量的微波信號(hào)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(diǎn)”.需通過(guò)定標(biāo)法先手工測(cè)量頻率--距離(當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)與起始點(diǎn)的距離，可由套筒刻度算出)的一組盡可能多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后利用步進(jìn)電機(jī)每走一步的距離，就可以把距離轉(zhuǎn)化為步數(shù)，再用matlab擬合出頻率--步數(shù)的關(guān)系函數(shù)。從而可知道步進(jìn)電機(jī)走到哪一步對(duì)應(yīng)哪一個(gè)頻率。電機(jī)走完全程需要1854步，那么把步數(shù)對(duì)應(yīng)的1854個(gè)頻率值組成一個(gè)數(shù)組作為曲線的橫坐標(biāo)，并把采集到的1854個(gè)電流值作為縱坐標(biāo)。

限于本信號(hào)源頻率及諧振式頻率計(jì)測(cè)量范圍的影響，本系統(tǒng)只能在8.48GHz和9.9GHz范圍內(nèi)測(cè)量。因此從套筒的起始位置9.9mm(對(duì)應(yīng)于頻率8 . 4 8 G H z )，截止位置0 . 6 3 m m (對(duì)應(yīng)于頻率9.9GHz)，其全長(zhǎng)為9.9mm-0.63mm=9.27mm.由于電機(jī)帶動(dòng)套筒每步的距離非常小，因此不能直接測(cè)量步進(jìn)電機(jī)一步的距離，利用步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有累計(jì)誤差的特點(diǎn)，采用步進(jìn)電機(jī)走動(dòng)180步，測(cè)出套筒刻度前后位置差，得出步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)套筒每一步移動(dòng)平均距離為0.005mm.手工測(cè)出頻率與刻度的42組數(shù)據(jù)點(diǎn)，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(guān)系函數(shù)為f = ?0.1456* L + 9.9917(0.63mm ≤ L ≤ 9.9mm)。由于電機(jī)每步帶動(dòng)套筒移動(dòng)0.005mm,起始位置在0.63mm,即步進(jìn)電機(jī)走一步后，套筒的位置在0.63mm+0.005mm=0.635mm,而步進(jìn)電機(jī)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(shù)n 的關(guān)系函數(shù)為L(zhǎng) = 0.005n + 0.63(0 ≤ n ≤1854)。

可推導(dǎo)出頻率f 與步數(shù)n的函數(shù)關(guān)系式為f = ?0.000728n + 9.9(0 ≤ n ≤1854)。把步數(shù)對(duì)應(yīng)的1854個(gè)頻率值組成一個(gè)數(shù)組作為曲線的橫坐標(biāo)，并把采集到的1854個(gè)電流值作為縱坐標(biāo)，利用PC機(jī)在LabVIEW描繪的波形圖如圖5-2所示。

再由LabVIEW自動(dòng)計(jì)算檢波電流最小值對(duì)應(yīng)的頻率值，如圖5-4所示?？芍@時(shí)信號(hào)源輸出頻率為9.337GHz.

與手工測(cè)量做對(duì)比。換上可直接測(cè)出頻率的諧振式頻率計(jì)，測(cè)得這時(shí)的頻率為9.357GHz,所以自動(dòng)測(cè)量與手動(dòng)測(cè)量的相對(duì)誤差為：

本系統(tǒng)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)走完全程需要82.4秒，不能設(shè)得走太快的原因是防止步進(jìn)電機(jī)“丟步”(漏掉了脈沖沒(méi)有運(yùn)動(dòng)到指定的位置)。另外太快很可能檢測(cè)不到檢波電流的“波谷點(diǎn)”.而手工測(cè)量一次信號(hào)源的輸出頻率，通常要兩分多鐘，可見(jiàn)本系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量的實(shí)用性。