简易数字控制远距离无线同步触发装置的设计*

粟向军，荣 军，陈 松，谭 荣

（湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳 414006）

在地质勘探中，常常通过人工办法产生地震，并采用同轴电缆传输同步信号，启动几公里外的“地震波分析仪”，从而了解地质情况、地下资源分布等信息，因此需要用到有线同步触发装置［1-2］。目前市面上销售的这些装置很多缺陷与不足，比如有些装置采用GPS的同步对时技术具有硬件电路体积大、成本高以及算法复杂等缺点；另外有些装置在发射和接收模式选择上采用蓝牙技术，但是蓝牙技术的缺点就是穿透能力差以及传输距离短［3-4］。针对以上无线同步触发装置具有通信距离短以及成本高的缺点，本文设计了一种简易的远距离无线同步触发装置，该系统具有通信距离远、电路设计简单以及生产成本低的特点。

1 系统实现及结构框图

简易数字控制的远距离无线同步触发装置选用对讲机作为载体，通过对讲机发射链接信号建立链路，然后再次发射触发信号，通过对讲机解调，然后滤波分离出来，通过低频锁相芯片进行选频，最后微处理器STM32F103RCT6通过检测锁相芯片的电平变化，及时检测出触发信号。此外，在发射和接收模式的选择上利用现有的对讲机，拆开取出其核心部分，然后通过MCU控制其内部连接方式，改变其工作模式，使其能受控的信号处于发射模式或接收模式。该装置系统框图包括发射部分框图和接收框图分别如图1和图2所示。如图1所示的系统发射部分在正常情况下不按模式选择开关，如果在5 min之内发射端无任何其他动作，则发射机停止发射，并处于待机状态。下次链路的建立由发射端触发信号触发（上升沿或下降沿均可），等链路建立1 s之后，发射端才能接收到发射端的触发信号，触发后发射500 Hz与3 kHz叠加信号，5 s后停止功率发射，等待下次外触发启动（等待时间大于10 s，同时发射端只有确定链路已经建立的情况下才能触发）。之所以要发送500 Hz链路信号是为了减少误触发。

图1 系统发射部分框图

图2 系统接收部分框图

如图2所示的系统接收部分如果按下模式选择开关，选择接收模式，调准好对讲机收发频率，当接收端收到500 Hz链路信号时，链路灯亮，一旦接收到500 Hz加3 kHz触发信号后，立刻输出1 ms的低电平触发信号，然后恢复高电平，同时接收端触发灯闪烁10 s后复位，用于模拟地震分析仪响应。

2 系统软硬件设计

2.1 发射站硬件电路设计

发射站电路设计包括发射模式选择电路、发射模式控制电路以及发射信号产生电路3部分构成。

2.1.1 发射模式选择电路设计

图3 发射模式控制电路

发射模式选择电路如图3所示，利用自锁开关，选择发射或接收模式，正常情况系统处于发射模式，此时发射灯LED0亮；当发射端有触发信号时，其通过开关pin4与pin6脚相接，然后经触发电路，由微处理器进行模式检测［5］。

2.1.2 发射模式控制电路设计

由于系统采用的是对讲机作为发射模块，通过分析对讲机内部结构，当使内部发射引脚线连接到地时，对讲机便可以发射信号，因此选择用微处理器STM32F103RCT6来控制三极管，使对讲机的发射使能脚短接到地，这样系统便通过外部触发信号，自动改变对讲机的模式，其发射模式控制硬件电路如图4所示。

图4 发射模式控制电路

2.1.3 发射信号产生电路设计

正常情况下，系统上电，微处理器STM32F103RCT6输出3 kHz的正弦链接信号，经无源低通滤波器与隔直电容接入发射模块进行发射；当微处理器检测到触发端信号时，其立马输出500 Hz以及3 KHz的叠加波。其中滤波器的截止频率，f=1 2πRC，其中R为2.7 kΩ，C为10 nF，DA输出滤波硬件电路如图5所示。

图5 DA输出滤波电路

2.2 接收站硬件电路设计

接收站硬件电路设计包括接收端滤波电路、500 Hz锁相电路以及3 kHz触发电路设计3部分。

2.2.1 接收端滤波电路设计

接收端滤波硬件电路如图6所示，当对讲机接收到信号后，滤波电路就立即进行信号分离和放大，其中对于分离500 Hz信号的这路，采用的是四阶无源低通滤波，设置的理论截止频率是1.6 kHz，为了提高无源滤波器的带负载能力，使用的电阻采用的升序排列，而电容采用降序排列。信号最后经反相放大输出至锁相电路进行锁定。其中放大电路采用的是单电源供电模式，其放大倍数为Av=-R5/R10，电阻R13的作用是减少电路级间相互影响与干扰。另外，对于分离3 kHz信号的这路，采用的是无源四阶高通滤波器，理论设置的截止频率为1.6 kHz，其中电容的设计依旧采用降序，电阻采用升序排列，以提高器带负载能力，放大电路部分也是使用单电源反相放大［6-7］。

图6 接收端滤波分离电路

2.2.2 500 Hz锁相电路设计

500 Hz锁相电路如图7所示，500 Hz信号经过分离电路分离后，经过隔直电容进入低频锁相电路，调节R16，使得电路的锁相频率为500 Hz，此时用示波器观察pin6脚，会有500 Hz的震荡方波出现。此时当芯片没有锁定时，输出电平为高电平，一旦500 Hz信号进入后，NE567立马锁定并输出低电平，此时锁定灯亮；同时该pin脚链接微处理器STM32F103RCT6，当微处理器STM32F103RCT6检测到电平为低时，判定通信链路建立，并立即做出相应的响应。

图7 500 Hz锁相电路

2.2.3 3 KHz触发电路设计

3 kHz触发电路如图8所示，主要由3个比较器组成，均采用单电源供电，采用的比较器是LM339，其中R38与R45是用来提供静态偏置的，pin4脚的电压，通过调节R31使得其电压为2.1 V，对于pin7脚通过调节R40，使得其电压为2.9 V，pin9脚是用来给U5C提供偏置的，整个电路相当于当正弦波的峰峰值大于0.8Vpp时，pin14脚便有电平的跳动。当分离后输入的3 KHz正弦波幅度小于0.8Vpp时，pin14脚无电平跳动，一旦大于0.8Vpp时，pin14立马有电平跳动，同时该脚接到微处理器STM32F103RCT6的引脚，用于检测触发信号，一旦检测到触发信号，接收端立即响应。同时由于LM339是一款集电极开路的比较器，因此输出端均需加上拉电阻。

图8 3 kHz触发电路

2.3 接收终端响应电路设计

当微处理器STM32F103RCT6接收端响应硬件电路如图9所示。当其检测到3 kHz触发信号时，微处理器立即发出控制信号，控制模拟开关TS5A3166，使它的pin2脚与pin1脚连接，该信号用于控制地质采集装置做出的响应。其中正常情况pin4脚输入低电平，pin2和pin1是断开的，一旦输入高电平，这两个脚便立刻短接，产生一个跳变沿。

图9 接收端响应电

2.4 系统控制算法软件实现

软件系统设计是整个装置设计的重点和难点。本文采用uVision4为开发平台，进行软件系统设计。系统软件设计的思想是采用模块化程序设计方法，主要包括计时模块、发送模式模块、接收模式模块、触发信号处理模块以及信号产生模块程序设计等，系统流程图如10所示［8-9］。

图10 程序流程图

3 实验结果及分析

简易数字控制远距离无线同步触发装置的实物图如图11所示，经过严密的测试，该装置在直线传播（无障碍物）时，收发距离最远为10 km；在市内等建筑物较多的地方，信号衰减比较大，其最小通信距离可达2 km以上。频率范围覆盖测试：UV四段全面覆盖，其中V1段频率范围为136 MHz～171 MHz；V2段频率范围为200 MHz～259 MHz；U1段频率范围为 400 MHz～470 MHz；U2段频率范围为 470 MHz～519 MHz。说明该无线同步触发装置具有覆盖频率范围广以及适应性强的特点。无线同步触发装置的功率损耗测试如下：发射机功耗小于8 W，接收机功耗小于1 W；说明该装置能耗比较小，可以满足在野外长时间作业。在重要的触发指标测试中，其中触发时延精度：小于0.2 ms；相对变化量小于0.7 ms，完全满足设计要求。

图11 简易无线同步触发装置的实物图

4 结论

本文设计一种简易的远距离无线同步触发装置，该装置选用对讲机作为载体，通过对讲机发射链接信号建立链路，然后再次发射触发信号，通过对讲机解调，然后滤波分离出来，通过低频锁相芯片进行选频，最后微处理器通过检测锁相芯片的电平变化，及时检测出触发信号。此外，在发射和接收模式的选择上利用现有的对讲机，拆开取出其核心部分，然后通过微处理器控制其内部连接方式，改变其工作模式，使其能受控的信号处于发射模式或接收模式。采用这样的收发模式的优点在于对讲机是不受网络所限制的，在网络所未覆盖到的一些地方，对讲机可以让操作人轻松沟通，同时对讲机具备一对一与一对多的通话方式。同时在直线传播（无障碍物）时，收发距离最远距离达到10 km。本文设计的简易数字控制远距离无线同步触发装置具有设计新颖、结构简单以及性比价高等优点。

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粟向军（1964-），男（汉族），湖南邵阳人，硕士，教授，湖南理工学院信息与通信工程学院，410006，主要从事通信仿真技术研究。

荣 军（1978-），男，汉族，湖南岳阳人，硕士，讲师，主要从事开关电源以及学生考赛指导工作，rj1219@163.com。