飞机数据采集系统无线发射模块的设计
数据采集 电 子 测 量 技 术
EL ECTRONIC MEASUREMEN T TECHNOLO GY
第 31 卷 第 12 期
2008 年 12 月
飞机数据采集系统无线发射模块的设计
左祁 丁国清
(上海交通大学仪器科学与工程系 上海 200240)
摘 要 : 随着人类社会的发展与进步 ,无线通信在测量技术中的应用也越来越频繁。本文设计了一种新的应用于数
据采集系统中的无线发射模块 ,该模块能够使得数据采集系统完成数据收集并与飞机分离后能够被准确快速确定其
方位。该数据采集系统由核心控制模块、数据采集模块、数据存储模块和无线发射模块四个主要模块组成。并着重介
绍了该无线发射模块的 6 个主要组成部分的具体实现方法及芯片性能。最后通过相应的测试数据验证了系统的可行
性 ,并提出了需要改进与提高的方面。
关键词 : 飞机 ; 数据采集 ; 无线发射
中图分类号 : TP2 文献标识码 : A
Design of wireless transmission module for data acquisition system of plane
Zuo Qiyuan Ding Guoqing
(Department of Instrument Science & Engineering , Shanghai Jiao Tong University , Shanghai 200240)
Abstract : With the development and progress of human society , the wireless communications are used more and more
frequently in measurement technology. This paper presents a new wireless transmission module for the data acquisition
system of the plane , in order to make the data acquisition system be located more easily and precisely after finishing
data acquisition and dropping from the plane. The data acquisition system consists of four parts : the core control
module , data acquisition modules , data storage modules and wireless transmission module. The construction schemes
of the data acquisition system are given in the paper , and the detail design method and chip performance of the 6 main
parts of the wireless transmission module are emphasis discussed. Finally , test data is given to verify the feasibility of
the system , and the places where need to be improved and enhanced are also given.
Keywords : Plane ; data acquisition ; wireless transmission
0 引 言
随着人类社会的发展与进步 ,测量技术日益向高速
化、智能化、信息化、网络化发展。与此同时 ,测量技术对
通信技术的要求也越来越高 ,在参数测量精确 ,数据保存
完整的基础之上 ,还要求能够做到准确的传输。无线通信
以其不需要铺设明线、使用便捷等优点 ,在现代通信领域
占据着重要地位。测量和控制信号的无线传输经历了
FM/ AM 的模拟方式到数字方式的发展 ,早期的遥控遥测
系统较多采用了模拟传输方式来实现测量信号的获取和
控制信号的传递。虽然用这种方式可以完成较远距离的
无线数据传输 ,但其传输速率、功耗、网络功能方面受到一
定的限制 ,随着科学技术的进一步发展 ,出现了包括红外
线 ,IEEE802. 11 和蓝牙在内的几种各具特色的无线网络
系统 ,它们都是无线网络传输的协议 ,用以支持无线数据
的传输与组网 ,具有不同的适应范围。
1 无线发射系统的原理及结构
飞机飞行的数据采集系统主要有核心控制模块、数据
采集模块、数据存储模块和无线发射模块 4 个主要模块组
成。数据采集系统首先由目标及数据回放处理计算机确
认飞机状态及是否开始采集数据 ,然后通过控制模块控制
传感器采集相应数据并存储到数据存储模块中去。待与
飞机分离并停止飞行后 ,通过无线发射模块向外发射定位
信号 ,以便能够及时发现搭载在飞机上的数据采集模块 ,
从而获得其中的飞机运行数据。由于传输距离和性能的
要求 ,因此与常见的基于 nRF2401 无线芯片模块[1] 系统有
所不同。图 1 为数据采集系统总体设计框图。
由于飞机是在高速过程中运行 ,因此无法进行实时传
输。考虑到数据的保密性和完整性 ,待飞机停止运行后 ,
启动无线发射模块用于传输身份认证及定位信号。在取
得了数据采集系统中的存储参数后通过相应的解码程序
才能读取到数据。这样便要求该系统的无线发射模块以
·89·
左祁 等 :飞机数据采集系统无线发射模块的设计 第 12 期
定位为主 ,兼顾简易数据传输 ,从而与常规的无线发射系
统有所不同。图 2 为无线发射模块的系统框图。
2 无线发射模块各部分方案介绍
2. 1 Generator
波形发生电路的核心部件是集成化波形发生芯片
MAX038。MAX038 是美国 MAXIM 公司推出的一种高
频精密波形发生器件 ,只需连接少量的外部器件 ,就可产
生 0. 1 Hz～40 M Hz 的三角波、正弦波和方波。
2. 2 Synthesizer
所选用的 AD809 芯片根据 TTL/ CMOS/ ECL / PECL
的基准频率 19. 44 M Hz 或 9. 72 M Hz 产生 155. 52 M Hz
ECL/ PECL 的输出时钟。AD809 芯片的功能可支持一个
分配的定时结构 ,该结构可把底板或 PCB19. 44 M Hz 或
9. 72 M Hz的基准定时信号分配到 155. 52 M Hz 的并联端
口。AD809 芯片能应用于单个或多个端口产生发射位时
钟。设备具有低抖动低功耗和宽工作温度范围等特点 ,因
此它适宜用作环路系统中的 SON ET/ SD H/ Fiber 产生
155. 52 M Hz 的位时钟。
AD809 芯片的设计能确保当输入端的输入信号时输出
时钟频率具有低偏差(大约 20 %) 的特性。AD809 芯片工作
在单一电源电压 + 5 V 或 - 5. 2 V ,其消耗功率为 90 mW。
2. 3 Mixer
AD831 由混频器、限幅放大器、低噪声输出放大器和偏
置电路等组成 ,主要用于 HF 和 V HF 接收机中射频到中频
的频率转换等场合。AD831 采用双差分模拟乘法器混频电
路 ,具有 + 24 dBm 三阶交叉点 ,且三阶互调失真小 ,同时有
+ 10 dBm 的 1 dB 压缩点 ,线性动态范围大 ,它的本振输入
信号仅需要 - 10 dBm。同无放大器的混频器相比 ,它不仅
省去了对大功率本振驱动器的要求 ,而且避免了由大功率
本振带来的屏蔽、隔离等问题 ,因而大大降低了系统费用 ;
AD831 的本振和射频输入频率均可达到 500 MHz ,中频输
出方式有两种差分电流输出和单端电压输出 ,在采用差分
电流输出时 ,输出频率可达 250 MHz ;采用单端电压输出
时 ,输出频率大于 200 MHz。AD831 既可用双电源供电也
可以用单电源供电 ,双电源供电时所有端口均可采用直流
耦合 ,因而可由用户根据需要通过外围电路控制电源功耗。
2. 4 VCO
MAX2751 是独立工作于 2. 4 GHz 频率的压控振荡
器 ,将元器件集成在一个芯片上 ,使外围器件缩减为几个
旁路电容。该器件随输入控制电压的变化而提供相应的
压控缓冲输出。输入控制电压为 0. 4～2. 4 V ,振荡器的频
率变化范围对应于出厂设置的限制标准。输出信号通过
一个放大级(必须做到 50 Ω匹配) 可以实现较大功率输出
并保持元件适应环境变化的独立性。
MAX2751 工作于 2. 7～5. 5 V 的电压。振荡器的内
部供电使得压控振荡器无需外部 LDO 调节器。同时该系
列器件也设有数控关闭模式 ,当电源系列电流不足 1 μA
时 ,进入高级电源管理模式 ,器件自动关闭。
2. 5 Upconverter
MAX2663 是微型、低成本、低噪声上变频器设计用于
低电压工作 ,适用于手提消费类设备中。IF 输入端口信号
通过双平衡混频器与本振端口信号混频。这几款上变频
器中频输入频率可工作在 40 M Hz 至 500 M Hz 之间 ,上变
频到输出频率 2. 5 GHz。该款射频芯片提供宽范围的供
电电流和输出交调电平值用于优化系统性能。供电电流
在指定的电压范围内为常量。另外每款芯片均具有关断
模式 ,在该模式中工作电流典型值低于 1 mA 。
2. 6 Amplifier
SPA22318 是由美国思远达微电子公司生产的一款低成
本的塑料封装异质结双极性晶体管( HBT) 放大器。该激励
大器专为频段在 1960 MHz 至 2140 MHz 之间的设备所设
计。它的高线性使其成为一款理想的多用途数字芯片。
3 实验结果及数据
由于本系统对中心频率 2. 4～2. 5 GHz 的功率增益要
求比较高 ,因此主要测试数据即为 2. 45 GHz 附近的功率
增益数据。表 1 为各频段功率增益测量数值。
表 1 中心频段增益测量数据表
频率/ GHz 增益/ dB 频率/ GHz 增益/ dB
2. 20 12. 1 2. 52 14. 5
2. 24 12. 3 2. 56 14. 1
2. 28 12. 6 2. 60 13. 6
2. 32 13. 2 2. 64 13. 2
2. 36 13. 8 2. 68 12. 7
2. 40 14. 5 2. 72 12. 3
2. 44 14. 6 2. 76 11. 7
2. 48 14. 7 2. 80 11. 3
(下转第 109 页)
·99·
丁彦闯 等 :基于 nRF2401 的分布式测温系统设计 第 12 期
下各测量 10 次 ,取平均值 ,测试的数据见表 2。
表 2 无线温度采集模块测试
距离 测量温度值 温度 10 次平均值
1 m 21. 3 21. 3
5 m 21. 3 21. 3
10 m 21. 3 21. 3
室内相距 10 m 范围内 ,传输的准确率可达 99. 9 %以
上 ,在室外空旷的情况下 ,相距 50 m 范围内传输的准确率
可达 98 %以上 ,达到了预期的效果。
4 结 论
本系统采用多路温度传感器进行数据采集 ,利用无线
收发芯 片 实 现 下 位 机 与 上 位 机 的 远 程 通 信 , 并 通 过
PL2303 HX 实现 USB2. 0 接口。该系统与传统的数据采集
系统相比 ,具有不受地理环境、气候、时间的影响等优势 ,
更具有工程造价和人力资源成本低 ,传输数据不受地域的
影响 ,可靠性高 ,免维护等优点。
参 考 文 献
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作 者 简 介
丁彦闯 ,男 ,1970 年 8 月出生 ,副教授 ,研究方向为智
能仪器与测控技术。
E2mail : dingyc @djtu. edu. cn
(上接第 99 页)
由以上数据可知 ,在 2. 48 GHz 附近增益达到最大 ,而
且随着中心频率向两边变化 ,增益也随之较快地减小 ,总体
上说数据与期望情况相同 ,故系统基本满足了设计要求。
图 3 为相应的数据曲线图。
图 3 中心频段增益测量数据图
4 结 论
本无线发射模块采用与信号采集系统的集成设计 ,最
大限度地减小模块尺寸、降低硬件成本 , 增加了产品的环
境适应能力 ,而且适合嵌入式系统。本系统应用于飞机的
定位和简易的数据传输 ,可根据事先设定的特殊频率及时
定位目标。但是在如何增加通讯距离 ,降低模块的发射功
率方面还需要进一步研究和改进。
参 考 文 献
[1 ] 吕涛 ,周燕媚 ,郑启亮 ,等. 基于 2. 4 G 的检测数据无
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[8 ] 张伟 , 陈平. 车载式数据采集与无线传输系统的研
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作 者 简 介
左祁 ,男 ,1982 年 9 月出生 ,硕士研究生 ,精密仪器
及机械。
E2mail : zuoqiyuan @sjtu. edu. cn
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飞机数据采集系统无线发射模块的设计.pdf
