基于WT-BLE4.0模块的远控信标机设计与实现

赵德艳 蒋勇 顾保国 介阳阳

摘   要：为达到远程控制信标机的目的，采用小型化、模块化设计思想，文章提出了基于WT-BLE4.0模块的信标机设计方案。系统利用GPRS网络和蓝牙技术，通过终端控制设备远程控制信标机输出所需要的信号。

关键词：WT-BLE4.0模块;MSP430F169;锁相环;信标机

1    WT-BLE4.0模块介绍

信标机可以发射或转发用作定向或跟踪的信号，在航天、航海及航空中应用非常广泛，在航天测控中常用单频率信标机的信号作为跟踪信标，以引导跟踪系统对目标的跟踪与捕获。在航海应用中有指向信标、定向信标等，在航空应用中有航向信标、下滑信标等。测量船上也需要信标，用于角度标校和接收分系统的静态、动态自检。

在航天、航海及航空中，不但要求信标机集成化、小型化高可靠性和稳定性，而且要求信标机发射信号的频率和幅度随时可变，信标机应用就会更加灵活、方便，该功能通常由电台实现，但是由于一般的电台作用距离较近，无法满足远控、机动的要求。基于WT-BLE4.0模块的信标机设计方案解决了信标机在实际应用中遇到的相关问题，利用的WT-BLE4.0模块是深圳维特智能科技有限公司开发的一款数据透传类模块，采用了Nordic公司的蓝牙低能耗（Bluetooth Low Energy，BLE）微控制单元（Micro Control Unit，MCU）集成一体的系统级芯片（System on Chip，SOC）nRF51822-QAFF，内部集成了底层低功耗的蓝牙4.0的标准协议，模块接口为标准的通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口，内置了中断输出提示功能，当模块接收到配对蓝牙传送的数据时，会输出高电平提示信号，用以通知外部设备，同时，模块配置了硬件使能脚，在无需数据传输时，可以通过将使能脚置高来禁用串口数据传输的功能，从而降低系统的功耗。利用WT-BLE4.0模块研制一个信标机，可以进行远程控制，实现信标机输出信号频率和幅度的改变。

2    方案设计

系统由室内单元和室外单元两部分组成，室内单元包括一个终端控制设备，室外单元包括一个终端控制设备和信标机。操作人员通过室内终端控制设备发送控制或查询命令，室外终端控制设备通过通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）网络收到命令后通过蓝牙向外发送相应的信息，信标机收到信息后，输出对应频率和幅度的射频信号，同时，将控制或查询结果反馈给室内终端控制设备，室内终端控制设备对结果进行显示，系统组成框架如图1所示。

3    硬件设计

系统除了两个终端控制设备外，还必须研制一个可以接收蓝牙信息的信标机。信标机采用单环锁相频率合成技术，硬件电路主要包括：WT-BLE4.0模块、单片机MSP430F169控制电路、集成鉴相器ADF4156、滤波器、压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）、数控衰减电路，组成框架如图2所示。

单片机选择TI公司的MSP430F169。它的工作电压为1.8～3.6 V，功耗低，贴片且封装较小，利于设计电路板，具有联合测试工作组（Joint Test Action Group，JTAG）仿真调试接口，可进行在线编程和仿真，便于软件调试[1]。

环路鉴相器采用集成的分数分频锁相环芯片ADF4156，它的RF输入频率范围为0.5～6.0 GHz;REF输入频率范围为10～250 MHz;鉴相频率最大为32 MHz;2.7～3.3 V电源电压。ADF4156包括一个低噪声数字相位频率检测器PFD，一个精密电荷泵和一个可编程的参考除法器。有一个用于可编程的分数N除法器。其INT，确定预约存取控制（Fixed Reservation Access Control，FRAC）和MOD寄存器定义了一个总的N除法器（N =（INT+（FRAC/MOD）））。它有5个32 bit寄存器，分别是FRAC/INT分数和整数分频控制寄存器、PHASE，MOD/R系数和参考分频控制寄存器、FUNCTION功能寄存器、CLKDIV时钟分频寄存器。可编程控制参考信号分频、比较信号的分数分频。ADF4156还具有减少周期滑移的电路，无需修改环路滤波器，可通过控制其内部寄存器实现加快锁定时间。所有可编程数据都可通过三线接口（CLK，DATA和LE）写入芯片内的相应寄存器中，通过改变可编程分频器的值，就可改变VCO输出相应信号频率[2]。

在进行锁相环路设计时，通过ADI公司的ADIsimPLL Ver 3.0软件，选择并调整合适的锁相环滤波器形式和环路带宽，环路输出信号的相位噪声情况，仿真出合理的、一致较好的环路参数。本系统中，环路滤波器采用由低噪声运放OP184及其外围电路组成的二阶有源比例积分滤波器。

VCO和数控衰减器可根据信标机工作频率范围，选用Hittite公司的压控振荡器和数控衰减器。

信标机加电后，单片机MSP430F169先对整个系统初始化。晶振参考信号和VCO反馈的比较信号同时输入至集成鉴相器ADF4156中，当WT-BLE4.0模块接收到控制或查询命令后，单片机控制ADF4156内的可编程参考分频、分数分频器进行分频，两个信号分频至鉴相频率，再通过芯片内集成的相位频率检测器PFD进行鉴相，得到误差电流后，经过内部的电荷泵后输出。环路滤波器对输出的误差信号进行滤波，得到与参考、比较信号的频率和相位误差相关的控制信号，此控制电压控制微波VCO进行频率和相位调整，直至频率相同，仅存很小的稳态相位误差，环路锁定，信标机输出對应频率的信号。VCO另一路输出信号经衰减后，输出给信标天线。

4    软件设计

MSP430F169单片机软件开发采用IAR公司的集成开发环境：IAR Embedded Workbench[3]，程序用C语言编写，软件流程如图3所示。

系统初始化主要是对MSP430F169单片机输入/输出（Input/Output，I/O）管脚、ADF4156寄存器和数控衰减器衰减量进行初始化，信标机输出默认的频率和幅度信号。当信标机收到控制命令后，对控制命令进行解析，对信标机输出信号频率、幅度对及是否输出信号进行控制，然后对信标机的状态进行采集并上报。采集的信息主要包括当前信号频率、衰减量、锁定（或失锁）状态、输出允许（或禁止）状态、电源电压、电流及温湿度等。当信标机收到查询命令后，直接对信标机的状态进行采集并上报。

图3  信标机软件程序流程

5    结语

自行设计终端控制设备通信控制应用程序，采用单环锁相频率合成技术和小型化、模块化设计思想，对信标机进行优化设计，通过终端控制设备发送控制和查詢命令，可快速远程控制信标机输出所需频率和幅度的信号，同时对标信机工作状态及工作环境进行掌握。

基于WT-BLE4.0模块的远控信标机设计方案已经在多个领域得到了实际应用，如果使用其他频率范围的VCO，可输出对应频率的信号，应用于其他测控或通信领域，随着科技的不断发展，在航天、航海及航空中也有广泛应用前景。

[参考文献]

[1]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[2]黄智伟.无线发射与接收电路设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[3]张晞，王德银，张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2005.

Abstract：This paper is designed a WT-BLE4.0 Module based remote control signal generator  which features miniaturization and modularization. Based on GPRS network and Bluetooth， the signal generator can be remote controlled by cell phone to output the required signal.

Key words：WT-BLE4.0 module; MSP430F169; phase-locked loop; signal generator