基于RS422的远程控制高精度频率源设计

摘要:为了解决普通频率源设备在远程控制方面的问题,本文设计了一种基于RS422通信协议的远程控制高精度频率源,实现了频率源的远程控制和频率源的产生。通过测试表明该频率源具有可靠性强、精度高、易控制等特点,达到了预期的设计目的,可以应用于无线通信领域。

关键词:RS422通信;单片机;远程控制;DDS

Remote control and high precision

frequency source design based on RS422

LIU Zai-dong, ZHU Zhong-ming, SHI Qin-wen, YU Yan-ping

(Information Engineering College,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

Abstract:In order to solve the problem of remote control of the general frequency source device, a remote control frequency source of high precision is designed in this paper based on RS422 communications protocol. It achieves remote control of the frequency source and produces signals. The test shows that this frequency source is characterized by strong reliability, high precision and easy to control. This design meets the expected goals, and can be applied to the wireless communication field.

Keywords:RS422 Communication; Single-chip Microcomputer; Remote Control; DDS

传统的频率源设备主要是在室内环境下工作,在进行操作时都是近距离控制。如果要实现远程控制,那么长距离传输线就会影响信号的质量,尤其是当传输的为RF信号时,这种影响更加明显。而当处于野外工作环境时,由于设备体积大、重量重等缺点,往往给工作带来了很大的不便。为了解决这一问题,本文设计了一种基于RS422通信协议的远程控制高精度频率源,实现了频率源的远程控制和信号的产生,在控制台的控制下使频率源能够在扫频模式和单频模式下工作。基于上述特点,本次设计的远程控制高精度频率源可以广泛应用于无线通信领域。

1系统构成与工作原理

本次设计的远程控制高精度频率源主要由键盘控制、显示、RS422通信和DDS(直接数字式频率合成器)组成。其工作原理如图1所示。

本系统的基本设计思路是:在发射端,用户通过键盘控制模块输入频率源的工作模式和频率点,同时在显示部分会出现用户设置的当前状态,最后数据通过RS422通信模块进行数据传输。在接收端,单片机把接收数据经过处理以后传送给后端的DDS芯片,使其产生期望的输出频率。

2系统的硬件设计

本次设计的远程控制高精度频率源硬件主要包括4个功能模块:键盘控制模块、显示模块、RS422通信模块和DDS(直接数字式频率合成器)模块。

2.1 键盘控制模块和显示模块

按照设计要求,键盘采用4*5的行列式按键,采用行扫描技术。每一个按键对应一个数字键和相关的控制键,具体的键盘扫描如图2所示。

显示模块考虑到野外恶劣的工作环境,选择基于数码管的传统显示方式。这是因为数码管比液晶LCD有更好的高低温显示特性。而在这里采用了动态显示扫描技术,对数码管进行分页显示。接口芯片采用MAX7219,它是专用的数码管驱动芯片,可以通过SPI接口对其进行设置。它的SPI接口时序图如图3。

2.2RS422通信模块

发射与接收模块采用的是RS422串行数据通信接口。RS422采用平衡的差分数据传输方式进行数据传输,具有抗干扰能力强、通讯速率高、通讯距离远、可以与多台从机通讯的特点。它的最大数据传输速率可以达到 10 Mbit/s,最大传送距离为 300 m。如果降低传送速率,传送距离可以达到1200 m。RS422通信接口芯片的选择需要考虑芯片的通信速率是否满足要求,在本次电路设计中选择Maxim公司的MAX491芯片来实现电平转换。MAX491是用于RS422串行通信接口中的低功耗收发器,每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。它采用全双工通信,传送和接收数据的速率能达到2.5 Mbps,最大传输距离可达450 m。

在发射端,控制模块采用MSP430单片机。它是一种超低功耗的微控制器系列,具有16位体系结构以及16位CPU集成寄存器和常数发生器,可使其实现代码效率最大化。MSP430芯片内部还具有6个I/O端口、12位的A/D转换器、1 - 16 kB的Flash存储容量、一个精确模拟比较器、带7个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、DAC12转换、SPI和USART0、USART1等,这些特点可以满足大部分场合的应用。

在接收端,控制模块采用的是C8051单片机,本设计采用的芯片内部具有高速、流水结构的微控制器内核(可达25 MIPS)、通用串行总线(USB)功能控制器、8个灵活的端点管道、768字节片内RAM、10位200 ksps的16通道单端/差分A/D转换器、10位电流输出DAC、硬件实现的SMBus/I2C、4个通用的16位定时器、增强型UART和增强型SPI串行接口、8KB的FLASH存储器、175个端口I/O、高精度内部振荡器等。控制模块与RS422的连接原理图如图4所示。

2.3DDS模块

DDS是直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer),与传统的频率合成器相比,它具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点。 一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分。本次采用的芯片型号是AD9910,由它最后输出期望的输出频率。它具有14-bit的DAC且支持的采样速率达到1 GSPS、32位控制字、32位累加器、在1 kHz的偏移量下相位噪声≤—125 dBc/Hz、串行输入/输出(I/O)控制、自动的线性或任意频率相位和振幅扫描功能、8个频率和相位偏移剖面、集成1024*32位RAM、REF的锁相环时钟倍频器、并行数据通路接口和多芯片同步功能等。AD9910的SPI时序图如图5所示。

3系统的软件平台

本次设计的软件平台采用的是IAR Embedded Workbench和Keil uVision 3.0开发软件。运用流水线和模块化设计,即先设计和调试按键输入和显示模块,依次是发射部分、接收部分和DDS部分,同时把设计划分为各个功能模块,使每个模块单独设计和调试,其优点是有利于以后的维护和管理。具体的软件设计流程如图6所示。

4实验测试结果

本次测试的数据是在100米的有线传输下控制频率源得到的,具体频率源的测试数据反映在如图7所示的频谱图中。

图7中显示带宽为10 MHz,在产生200 MHz时信号功率为17.6 dBm,杂散抑制为70 dBc。满足设计要求。

5结论

本次设计的远程控制高精度频率源采用RS422串行数据通信接口,解决了普通仪器长距离工作的问题。同时在控制台使用了MSP430单片机,不仅简化了整个系统电路的设计,提高了数据转换效率,而且大大的降低了消耗功率。在后端采用DDS更加提升了系统的稳定度和精确度,经过实验测试表明此频率源具有精准度高、可靠性好、功耗低的特点,因此它有着广泛的应用前景。

参考文献

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社.2008

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[4] Maxim Intergrated Products Inc. Low-Power, Slew-Rate-Limited RS485/RS422

Transceivers [ EB ]. .cn/qkpdf/jcdl/jcdl201007/jcdl20100711.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文

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