基于MSP430单片机的精密射频功率计设计

杨文龙，陈 强

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)

0 引 言

射频信号功率测量广泛应用在全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)接收系统、3G、4G、数字电视接收系统中[1～2]，一般采用频谱仪和功率计进行测量，虽然说频谱仪能够很好地分析出信号的特征，但其存在着体积较大和价格昂贵等缺点，不适合随身携带或野外测量，无法大规模应用，目前仅在实验室研究应用阶段。功率计按照测量方式不同，可以分为通过式和吸收式[3]。通过式功率计主要用来测量大功率信号，对小功率信号并不敏感，受到自身硬件结构的限制，测量带宽也要比吸收式功率计小很多。吸收式功率计具有带宽高，测量精度好等优点，但也存在着无法测量大功率信号等问题。所以设计出一种测量精度高、功率大、频带宽、并且便于携带的功率计具有研究意义。

本文设计的频率计是对普通吸收式功率计的改善，搭载功率分配器、射频放大器、射频衰减器、射频开关、电压跟随器和AD8362真有效值检波芯片，扩展了其两端的功率测量范围，并配备通信模块，搭建固定的服务器，便于远程访问和控制。

1 系统整体方案设计

射频功率计系统整体框图如图1所示。被测信号经过功率分配器被一分为三，其中两路分别通过放大模块、衰减模块连接到射频开关，剩下一路直通到射频开关。射频开关选择送入AD8362检波模块的信号，检波模块将射频信号的功率信息转换为与之对应的直流电压量进行输出。直流电压经过电压跟随器送入MSP430F149内部的12位AD进行采集。MSP430F149根据电压与功率的关系计算出所测信号的功率大小，最后根据功率的大小确定射频开关送入检波模块的信号，TFT触屏会显示测量结果，并可触摸修改参数；同时所得的结果通过GSM模块使用MQTT协议上传到云服务器，将其存储在MySQL数据库中，从而方便用户在移动端和PC端查看，用户也可以远程对功率计的各项参数进行修改。

图1 总体设计方案框图

2 功率计硬件系统

功率计的硬件主要由MSP430显示和通信部分和信号检波部分组成。

2.1 MSP430显示和通信部分

功率计的硬件主要由MSP430最小系统、触摸屏和GSM通信部分组成。1)MSP430最小系统:选用MSP430F149搭配时钟电路、复位电路和电源电路构成最小系统[4]。时钟电路采用外接8 MHz晶振，复位电路采用按键控制，电源电路采用9V锂电池供电，经AMS117—5.0和AMS117—3.3分别降压到5 V和3.3 V给外设和控制器供电。2)系统采用的TFT触摸屏型号为2.4 in(1in=2.54 cm)的ILI9341电阻触摸屏,分辨率为380×240，显示部分通过8080接口与控制器相连，触摸部分通过SPI接口与控制器相连接[5]。3)GSM通信部分:系统采用SIM900作为通信模块，控制器通过串口与其相连，使用MQTT协议实现与服务器的通信[6]。

2.2 信号检波部分

信号检波部分包括功率分配器、放大模块和衰减模块、射频开关、检波模块和电压跟随器。1)功率分配器:将一路信号能量分成多路输出的器件，本设计采用一分三功率分配器，将信号均分为3份输出，输入输出阻抗都为50 Ω[7]。2)放大模块和衰减模块:放大模块采用ADL5243程控增益射频放大器，工作频率为100 MHz至4 GHz，控制器采用SPI协议实现ADL5243的控制，ADL5243提供以0.5 dB步长最多31.5 dB的增益;衰减模块采用PE4302程控衰减器，最高频率可达4 GHz，通过SPI控制，能够提供以0.5 dB步长最多31.5 dB的衰减。3)射频开关:射频开关采用RF1604单极四掷开关，经过控制器的控制，可选择信号输出到检波模块。4)检波模块:采用AD8362真有效值检波芯片,模块原理图如图2所示，采用变压器进行耦合，使得输入阻抗为50 Ω，工作频率为50 Hz～2.7 GHz，输入功率范围大于60 dB,能将信号功率转换为直流电压量输出，功率每增加1 dBm，电压增加50 mV，并且输出结果与信号波形和调制无关。5)电压跟随器:采用芯片为LM324，呈现高输入阻抗，低输出阻抗的特点，可以减小后级电路对前级电路的影响，使得测量更精确。

图2 AD8362原理图

3 功率计软件设计

软件设计主要包括控制器程序设计、服务器端设计、PC端和移动端程序设计。

3.1 MSP430控制器程序设计

基于IAR，利用C语言编写程序，使用仿真器进行相应程序的烧录。首先控制器会初始化相关外设，然后进行参数设置，放大模块的放大和衰减模块的衰减倍数默认为30 dB,射频开关默认选择衰减通道，防止开始输入大功率信号，检波模块输出电压过大，烧坏430内部AD，从而起到保护硬件的效果。之后控制器读取检波芯片输出的电压，若电压为0，则认为没有输入，射频开关选择衰减通道，若是有电压但过小，则将射频开关选到直通通道，若电压还是过小，则将射频开关切换到放大通道，直到输出的电压合理适中。然后根据电压与功率的关系算出功率的大小，同时将数据上传到服务器。与此同时，控制器一直开启串口中断，等待服务器给其发送指令，根据收到的指令重新设定一些参数，比如放大和衰减的倍数。

3.2 服务器端设计

采用阿里云的服务器，运行CenTos系统，安装MySQL数据库，开启MQTT服务后，服务器通过不同的主题来区分信息的来源和发送的对象，服务器将功率计的测量结果和参数存储到数据库中，方便远程访问[8]。

3.3 PC端和移动端程序设计

PC端程序采用QT进行编写，QT具有很强的移植性，可以应用到其他嵌入式设备中，移动端程序采用JAVA编写，PC端和移动端都是利用MQTT协议实现与服务器的通信，因为MQTT协议具有通信开销小，开发简单等优点，非常适合物联网设备的使用，利用MQTT协议，PC端和移动端就能实现对功率计测量结果的查看以及参数的设定，非常快速便捷。

4 系统测试结果与分析

经过逐级测试，各个模块都能正常工作，服务器通信也正常，整个工作的重心转移到数据的处理上，通过研究输出电压与功率的关系，验证整个设计的正确性。

4.1 测试结果

经过多次实验与分析，根据输出电压和输入信号的数值，利用Origin软件对U-P关系进行直线拟合和数据分析[10]，最终拟合出如图3所示的输出电压U(V)与输入功率P(dBm)之间的一次关系曲线。

图3 输出与输入关系

图3中通道1,2,3分别为放大、直通和衰减通道的U-P关系图，U与P之间的关系式如下

(1)

根据式(1)可知:当输入信号功率-70 dBm≤P<-40 dBm时，选择放大通道;当输入信号功率-40 dBm≤P<0 dBm时，选择直通通道;当输入信号功率0 dBm≤P≤30 dBm时，选择衰减通道。通过通道的自动切换，使检波模块输出的电压不至于太大，也不至于太小,让电压位于检波芯片最好的线性区域内，以此来得到最好的测量效果。功率计首先选择的是衰减通道，若此时检波模块输出电压U满足0.851V≤U≤2.35V,则根据式(1)0 dBm≤P≤30 dBm的情况，算出此时功率，若不满足，说明输入信号功率P不在0～30 dBm范围内，则通道自动切换到直通通道。直通情况时输出电压U满足0.27V≤U≤2.271V,则根据式(1)-40 dBm≤P<0 dBm的情况，算出此时功率，若不满足，说明输入信号功率P不在-40～0 dBm范围内；若U<0.271 V,则通道自动切换到放大通道；若U≥2.271V,则通道自动切换到衰减通道。放大情况时若检波模块输出电压满足0.154V≤U≤1.654V,则根据式(1)-70 dBm≤P<-40 dBm的情况，算出此时功率；若电压U<0.154V，说明输入信号功率P太小，已经超出了-70 dBm的最小测量值；若电压U≥1.654V,则自动切换到直通通道。功率计就是根据上面一个过程，依照输入功率的大小，自动切换到一个合适的档位，实现对功率的准确测量。经过实验发现，功率每增加1 dBm,输出电压增加50 mV，符合检波芯片的官方手册数据。最后选取了0.1,1.0,2.0,30 GHz的信号，以5 dBm为步长，通过测量，得到了从-70～+30 dBm的测量绝对误差值，图4直观地展示了绝对误差的大小。观察图表，实际测得的信号功率与理论的误差值都在±0.5 dBm范围之内，达到了一定的测量水准。

图4 测量数据误差图

4.2 结果分析

实验结果证明，设计的功率计在100～3 000 MHz范围内，可以测量-70～+30 dBm的信号功率，误差小于0.5 dBm，相较于目前市场上已有的功率计而言，在量程上取得了很大的进展，不需要携带多个量程的功率计去测量多种功率信号。由于硬件误差和算法拟合误差导致实验测量结果存在一些偏差。硬件误差的来源主要是一些元件的性能会受到信号频率的影响，比如放大器和衰减器的效果会因频率的改变会有细微的变化，检波模块会因频率的变化导致输出电压的线性度下降，算法拟合误差主要是拟合出来的U-P关系式不能完全与电压、功率一一对应，只能尽可能逼近。因为程控放大器和衰减器的倍数是固定的，所以参数也是唯一的，如果用户在后期还想继续调整范围获得更好的效果，就需要重新拟合输入和输出关系曲线，因此留了参数修改的接口，用户可以自行修改。目前，5 G正在逐步走进人们的生活，但是市场上的吸收式功率计受制于芯片的带宽还无法测量更高频率的信号。随着以后芯片技术的发展，吸收式射频功率计一定可以做到更大的测量范围。

5 结束语

基于MSP430的精密射频功率计，利用放大器、衰减器和射频开关巧妙地实现了量程的自动切换，扩大了测量范围，并且提高了准确性。使用触摸屏，使得人机交互更加智能便捷。利用GSM模块实现数据上传以及远程操控，搭建服务器使得数据地存储以及访问变得简单。该设计有效地克服了传统吸收式功率计测量范围小、人机交互不智能，数据没有统一存储和无法远程访问的缺点。除此以外，该设计相较于市场上价格成千上万的功率计而言，价格也是一个很大的优势，更容易走进市场。综上所述，设计的功率计是对传统功率计的一次很大的改进，使得功率计能够测量范围更大的信号，适用不同的场景。