粟向軍，榮 軍，陳 松，譚 榮

（湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽(yáng) 414006）

在地質(zhì)勘探中，常常通過(guò)人工辦法產(chǎn)生地震，并采用同軸電纜傳輸同步信號(hào)，啟動(dòng)幾公里外的“地震波分析儀”，從而了解地質(zhì)情況、地下資源分布等信息，因此需要用到有線同步觸發(fā)裝置［1-2］。目前市面上銷(xiāo)售的這些裝置很多缺陷與不足，比如有些裝置采用GPS的同步對(duì)時(shí)技術(shù)具有硬件電路體積大、成本高以及算法復(fù)雜等缺點(diǎn)；另外有些裝置在發(fā)射和接收模式選擇上采用藍(lán)牙技術(shù)，但是藍(lán)牙技術(shù)的缺點(diǎn)就是穿透能力差以及傳輸距離短［3-4］。針對(duì)以上無(wú)線同步觸發(fā)裝置具有通信距離短以及成本高的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的遠(yuǎn)距離無(wú)線同步觸發(fā)裝置，該系統(tǒng)具有通信距離遠(yuǎn)、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單以及生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及結(jié)構(gòu)框圖

簡(jiǎn)易數(shù)字控制的遠(yuǎn)距離無(wú)線同步觸發(fā)裝置選用對(duì)講機(jī)作為載體，通過(guò)對(duì)講機(jī)發(fā)射鏈接信號(hào)建立鏈路，然后再次發(fā)射觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)對(duì)講機(jī)解調(diào)，然后濾波分離出來(lái)，通過(guò)低頻鎖相芯片進(jìn)行選頻，最后微處理器STM32F103RCT6通過(guò)檢測(cè)鎖相芯片的電平變化，及時(shí)檢測(cè)出觸發(fā)信號(hào)。此外，在發(fā)射和接收模式的選擇上利用現(xiàn)有的對(duì)講機(jī)，拆開(kāi)取出其核心部分，然后通過(guò)MCU控制其內(nèi)部連接方式，改變其工作模式，使其能受控的信號(hào)處于發(fā)射模式或接收模式。該裝置系統(tǒng)框圖包括發(fā)射部分框圖和接收框圖分別如圖1和圖2所示。如圖1所示的系統(tǒng)發(fā)射部分在正常情況下不按模式選擇開(kāi)關(guān)，如果在5 min之內(nèi)發(fā)射端無(wú)任何其他動(dòng)作，則發(fā)射機(jī)停止發(fā)射，并處于待機(jī)狀態(tài)。下次鏈路的建立由發(fā)射端觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)（上升沿或下降沿均可），等鏈路建立1 s之后，發(fā)射端才能接收到發(fā)射端的觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)后發(fā)射500 Hz與3 kHz疊加信號(hào)，5 s后停止功率發(fā)射，等待下次外觸發(fā)啟動(dòng)（等待時(shí)間大于10 s，同時(shí)發(fā)射端只有確定鏈路已經(jīng)建立的情況下才能觸發(fā)）。之所以要發(fā)送500 Hz鏈路信號(hào)是為了減少誤觸發(fā)。

圖1 系統(tǒng)發(fā)射部分框圖

圖2 系統(tǒng)接收部分框圖

如圖2所示的系統(tǒng)接收部分如果按下模式選擇開(kāi)關(guān)，選擇接收模式，調(diào)準(zhǔn)好對(duì)講機(jī)收發(fā)頻率，當(dāng)接收端收到500 Hz鏈路信號(hào)時(shí)，鏈路燈亮，一旦接收到500 Hz加3 kHz觸發(fā)信號(hào)后，立刻輸出1 ms的低電平觸發(fā)信號(hào)，然后恢復(fù)高電平，同時(shí)接收端觸發(fā)燈閃爍10 s后復(fù)位，用于模擬地震分析儀響應(yīng)。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射站硬件電路設(shè)計(jì)

發(fā)射站電路設(shè)計(jì)包括發(fā)射模式選擇電路、發(fā)射模式控制電路以及發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生電路3部分構(gòu)成。

2.1.1 發(fā)射模式選擇電路設(shè)計(jì)

圖3 發(fā)射模式控制電路

發(fā)射模式選擇電路如圖3所示，利用自鎖開(kāi)關(guān)，選擇發(fā)射或接收模式，正常情況系統(tǒng)處于發(fā)射模式，此時(shí)發(fā)射燈LED0亮；當(dāng)發(fā)射端有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，其通過(guò)開(kāi)關(guān)pin4與pin6腳相接，然后經(jīng)觸發(fā)電路，由微處理器進(jìn)行模式檢測(cè)［5］。

2.1.2 發(fā)射模式控制電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)采用的是對(duì)講機(jī)作為發(fā)射模塊，通過(guò)分析對(duì)講機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)使內(nèi)部發(fā)射引腳線連接到地時(shí)，對(duì)講機(jī)便可以發(fā)射信號(hào)，因此選擇用微處理器STM32F103RCT6來(lái)控制三極管，使對(duì)講機(jī)的發(fā)射使能腳短接到地，這樣系統(tǒng)便通過(guò)外部觸發(fā)信號(hào)，自動(dòng)改變對(duì)講機(jī)的模式，其發(fā)射模式控制硬件電路如圖4所示。

圖4 發(fā)射模式控制電路

2.1.3 發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

正常情況下，系統(tǒng)上電，微處理器STM32F103RCT6輸出3 kHz的正弦鏈接信號(hào)，經(jīng)無(wú)源低通濾波器與隔直電容接入發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)射；當(dāng)微處理器檢測(cè)到觸發(fā)端信號(hào)時(shí)，其立馬輸出500 Hz以及3 KHz的疊加波。其中濾波器的截止頻率，f=1 2πRC，其中R為2.7 kΩ，C為10 nF，DA輸出濾波硬件電路如圖5所示。

圖5 DA輸出濾波電路

2.2 接收站硬件電路設(shè)計(jì)

接收站硬件電路設(shè)計(jì)包括接收端濾波電路、500 Hz鎖相電路以及3 kHz觸發(fā)電路設(shè)計(jì)3部分。

2.2.1 接收端濾波電路設(shè)計(jì)

接收端濾波硬件電路如圖6所示，當(dāng)對(duì)講機(jī)接收到信號(hào)后，濾波電路就立即進(jìn)行信號(hào)分離和放大，其中對(duì)于分離500 Hz信號(hào)的這路，采用的是四階無(wú)源低通濾波，設(shè)置的理論截止頻率是1.6 kHz，為了提高無(wú)源濾波器的帶負(fù)載能力，使用的電阻采用的升序排列，而電容采用降序排列。信號(hào)最后經(jīng)反相放大輸出至鎖相電路進(jìn)行鎖定。其中放大電路采用的是單電源供電模式，其放大倍數(shù)為Av=-R5/R10，電阻R13的作用是減少電路級(jí)間相互影響與干擾。另外，對(duì)于分離3 kHz信號(hào)的這路，采用的是無(wú)源四階高通濾波器，理論設(shè)置的截止頻率為1.6 kHz，其中電容的設(shè)計(jì)依舊采用降序，電阻采用升序排列，以提高器帶負(fù)載能力，放大電路部分也是使用單電源反相放大［6-7］。

圖6 接收端濾波分離電路

2.2.2 500 Hz鎖相電路設(shè)計(jì)

500 Hz鎖相電路如圖7所示，500 Hz信號(hào)經(jīng)過(guò)分離電路分離后，經(jīng)過(guò)隔直電容進(jìn)入低頻鎖相電路，調(diào)節(jié)R16，使得電路的鎖相頻率為500 Hz，此時(shí)用示波器觀察pin6腳，會(huì)有500 Hz的震蕩方波出現(xiàn)。此時(shí)當(dāng)芯片沒(méi)有鎖定時(shí)，輸出電平為高電平，一旦500 Hz信號(hào)進(jìn)入后，NE567立馬鎖定并輸出低電平，此時(shí)鎖定燈亮；同時(shí)該pin腳鏈接微處理器STM32F103RCT6，當(dāng)微處理器STM32F103RCT6檢測(cè)到電平為低時(shí)，判定通信鏈路建立，并立即做出相應(yīng)的響應(yīng)。

圖7 500 Hz鎖相電路

2.2.3 3 KHz觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

3 kHz觸發(fā)電路如圖8所示，主要由3個(gè)比較器組成，均采用單電源供電，采用的比較器是LM339，其中R38與R45是用來(lái)提供靜態(tài)偏置的，pin4腳的電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)R31使得其電壓為2.1 V，對(duì)于pin7腳通過(guò)調(diào)節(jié)R40，使得其電壓為2.9 V，pin9腳是用來(lái)給U5C提供偏置的，整個(gè)電路相當(dāng)于當(dāng)正弦波的峰峰值大于0.8Vpp時(shí)，pin14腳便有電平的跳動(dòng)。當(dāng)分離后輸入的3 KHz正弦波幅度小于0.8Vpp時(shí)，pin14腳無(wú)電平跳動(dòng)，一旦大于0.8Vpp時(shí)，pin14立馬有電平跳動(dòng)，同時(shí)該腳接到微處理器STM32F103RCT6的引腳，用于檢測(cè)觸發(fā)信號(hào)，一旦檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)，接收端立即響應(yīng)。同時(shí)由于LM339是一款集電極開(kāi)路的比較器，因此輸出端均需加上拉電阻。

圖8 3 kHz觸發(fā)電路

2.3 接收終端響應(yīng)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)微處理器STM32F103RCT6接收端響應(yīng)硬件電路如圖9所示。當(dāng)其檢測(cè)到3 kHz觸發(fā)信號(hào)時(shí)，微處理器立即發(fā)出控制信號(hào)，控制模擬開(kāi)關(guān)TS5A3166，使它的pin2腳與pin1腳連接，該信號(hào)用于控制地質(zhì)采集裝置做出的響應(yīng)。其中正常情況pin4腳輸入低電平，pin2和pin1是斷開(kāi)的，一旦輸入高電平，這兩個(gè)腳便立刻短接，產(chǎn)生一個(gè)跳變沿。

圖9 接收端響應(yīng)電

2.4 系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文采用uVision4為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的思想是采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，主要包括計(jì)時(shí)模塊、發(fā)送模式模塊、接收模式模塊、觸發(fā)信號(hào)處理模塊以及信號(hào)產(chǎn)生模塊程序設(shè)計(jì)等，系統(tǒng)流程圖如10所示［8-9］。

圖10 程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

簡(jiǎn)易數(shù)字控制遠(yuǎn)距離無(wú)線同步觸發(fā)裝置的實(shí)物圖如圖11所示，經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的測(cè)試，該裝置在直線傳播（無(wú)障礙物）時(shí)，收發(fā)距離最遠(yuǎn)為10 km；在市內(nèi)等建筑物較多的地方，信號(hào)衰減比較大，其最小通信距離可達(dá)2 km以上。頻率范圍覆蓋測(cè)試：UV四段全面覆蓋，其中V1段頻率范圍為136 MHz～171 MHz；V2段頻率范圍為200 MHz～259 MHz；U1段頻率范圍為 400 MHz～470 MHz；U2段頻率范圍為 470 MHz～519 MHz。說(shuō)明該無(wú)線同步觸發(fā)裝置具有覆蓋頻率范圍廣以及適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。無(wú)線同步觸發(fā)裝置的功率損耗測(cè)試如下：發(fā)射機(jī)功耗小于8 W，接收機(jī)功耗小于1 W；說(shuō)明該裝置能耗比較小，可以滿足在野外長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。在重要的觸發(fā)指標(biāo)測(cè)試中，其中觸發(fā)時(shí)延精度：小于0.2 ms；相對(duì)變化量小于0.7 ms，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 簡(jiǎn)易無(wú)線同步觸發(fā)裝置的實(shí)物圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易的遠(yuǎn)距離無(wú)線同步觸發(fā)裝置，該裝置選用對(duì)講機(jī)作為載體，通過(guò)對(duì)講機(jī)發(fā)射鏈接信號(hào)建立鏈路，然后再次發(fā)射觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)對(duì)講機(jī)解調(diào)，然后濾波分離出來(lái)，通過(guò)低頻鎖相芯片進(jìn)行選頻，最后微處理器通過(guò)檢測(cè)鎖相芯片的電平變化，及時(shí)檢測(cè)出觸發(fā)信號(hào)。此外，在發(fā)射和接收模式的選擇上利用現(xiàn)有的對(duì)講機(jī)，拆開(kāi)取出其核心部分，然后通過(guò)微處理器控制其內(nèi)部連接方式，改變其工作模式，使其能受控的信號(hào)處于發(fā)射模式或接收模式。采用這樣的收發(fā)模式的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)講機(jī)是不受網(wǎng)絡(luò)所限制的，在網(wǎng)絡(luò)所未覆蓋到的一些地方，對(duì)講機(jī)可以讓操作人輕松溝通，同時(shí)對(duì)講機(jī)具備一對(duì)一與一對(duì)多的通話方式。同時(shí)在直線傳播（無(wú)障礙物）時(shí)，收發(fā)距離最遠(yuǎn)距離達(dá)到10 km。本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易數(shù)字控制遠(yuǎn)距離無(wú)線同步觸發(fā)裝置具有設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及性比價(jià)高等優(yōu)點(diǎn)。

［1］李春熙.某隧道地質(zhì)災(zāi)害的超前預(yù)報(bào)［J］.中國(guó)科技信息.2012，10（21）：130-170.

［2］徐涵.基于藍(lán)牙的心電采集和傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.東華大學(xué)，2013.

［3］劉超進(jìn)，楊寧，聶尉.采煤機(jī)用無(wú)線遙控信號(hào)發(fā)射接收裝置設(shè)計(jì)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，4（42）：218-220.

［4］程海兵，毛善君，劉永立，等.煤礦井下供電自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，39（2）：69-72.

［5］Peter Spies，Philip Babel.Wireless Energy Transmission System for Low-Power Devices［C］//Proc IEEE Sensors.2008：33-36.

［6］郭云林，陳松.通信電子電路設(shè)計(jì)［M］.華中科技大學(xué)出版社，2010：156-160.

［7］黃輝，黃學(xué)良，譚林林，等.基于磁場(chǎng)諧振耦合的無(wú)線電力傳輸發(fā)射及接收裝置的研究［J］.電工電能新技術(shù)，2011，30（1）：32-35.

［8］肖雪峰，肖伸平，彭瓊林，等.基于嵌入式操作系統(tǒng)的數(shù)字音頻播放器優(yōu)化控制［J］.計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2013，32（1）：117-120.

［9］榮 軍，何 飛，張國(guó)云，等.簡(jiǎn)易數(shù)字控制晶體管測(cè)試儀的設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2015，38（2）：377-381.

粟向軍（1964-），男（漢族），湖南邵陽(yáng)人，碩士，教授，湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，410006，主要從事通信仿真技術(shù)研究。

榮 軍（1978-），男，漢族，湖南岳陽(yáng)人，碩士，講師，主要從事開(kāi)關(guān)電源以及學(xué)生考賽指導(dǎo)工作，rj1219@163.com。