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摘要：針對(duì)目前提出的高靈敏度無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制系統(tǒng)控制信號(hào)接收有效率低、控制強(qiáng)度差，設(shè)計(jì)了一種新的高靈敏度無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制系統(tǒng)。前端控制系統(tǒng)的硬件區(qū)域由CPCI總線接口、射頻開(kāi)關(guān)控制器、RS485總線、嵌入式微處理器、芯片、電源、異步通信裝置、板卡構(gòu)成，通過(guò)無(wú)線通信、無(wú)線傳感、控制三步實(shí)現(xiàn)軟件前端控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高靈敏度無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制系統(tǒng)能夠有效提高信號(hào)接收有效率，增強(qiáng)控制強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：射頻前端；控制系統(tǒng)；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；前端控制；前端設(shè)備；射頻技術(shù)

0引言

隨著科技的發(fā)展，智能手機(jī)已經(jīng)深入人們的生活，智能手機(jī)與連線手機(jī)最重要的區(qū)別就是無(wú)線通信和有線通信，傳統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端對(duì)于信號(hào)的接收和發(fā)送存在一定的障礙，在一些地方就接收不到信號(hào)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種收集外界通信信息的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，包括射頻前端、射頻收發(fā)、基帶信號(hào)處理器三大模塊，其中射頻前端是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，主要任務(wù)是完成信號(hào)的接收與發(fā)送[1⁃3]。傳統(tǒng)的射頻前端對(duì)于外界信號(hào)不能全部收集到，為了提高射頻前端對(duì)外界信號(hào)的靈敏度，本文設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制系統(tǒng)。

1射頻前端控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

射頻前端控制系統(tǒng)的硬件部分是提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)感知信號(hào)靈敏度的關(guān)鍵，只有較高的硬件設(shè)備才能承載復(fù)雜的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。本文選用的CPIP的總線接口容量為6U，適配在64位的前端控制系統(tǒng)中，CPIP接口向外連接自定義傳輸線和插槽，CPIP接口按照信號(hào)級(jí)別直接連接在射頻前端控制系統(tǒng)的總線接口上，此連接方式減少了其他輔助連接線的應(yīng)用，提高了無(wú)線通信的速度。CPIP接口覆蓋抗干擾射頻信號(hào)，最大傳輸速度可以達(dá)到528MB/s，提高了射頻前端控制能力和信號(hào)接收靈敏度[4⁃5]。為了加強(qiáng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端的使用時(shí)長(zhǎng)，本文選擇采點(diǎn)式化學(xué)電源作為控制系統(tǒng)的電源。采點(diǎn)式化學(xué)電源供電方式有：吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能、吸收熱能轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)能、自身充電，三種電能提供的途徑保證了電源的持久性，延長(zhǎng)了電源的使用周期，不會(huì)突發(fā)電源沒(méi)電的情況。采點(diǎn)式化學(xué)電源的能量密度大，存電能力超強(qiáng)，可以保存電能無(wú)消耗15天，為前端控制系統(tǒng)的運(yùn)行提供了基礎(chǔ)[6⁃7]。采點(diǎn)式電源一旦自身不存在電能，處理方法為填埋，不會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。射頻前端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器是其重要的組成部分。本文為了減少外界光傳播、外界信號(hào)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)接收及發(fā)送的干擾，本次硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用電磁波作為傳輸信道。PI09無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器由各種外部元件、電容、濾波器、信號(hào)采集器組成，此型號(hào)的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器體積小、電能利用率高、成本低，但是可以滿足較高配置的前端控制系統(tǒng)[8⁃9]。具體數(shù)據(jù)收發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。射頻前端控制系統(tǒng)的射頻開(kāi)關(guān)需要高度的靈敏性，在特殊情況下快速地關(guān)閉或者開(kāi)啟前端控制系統(tǒng)，防止意外的發(fā)生。本文選擇的射頻控制開(kāi)關(guān)采用12D擴(kuò)展芯片為運(yùn)行基礎(chǔ)，20根W2絕緣信號(hào)線相互連通構(gòu)成。12D擴(kuò)展芯片體積小，占用控制系統(tǒng)的資源小，很小的電流就可以使芯片運(yùn)行，提高了射頻控制開(kāi)關(guān)的靈敏度。W2絕緣導(dǎo)線具有檢驗(yàn)電流的能力，如果電流相反，則導(dǎo)線不會(huì)運(yùn)輸電流使系統(tǒng)運(yùn)行，減少了事故的發(fā)生。一個(gè)前端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的板卡主要涉及兩種類型，一種為信號(hào)處理板卡，一種為射頻板卡。在射頻前端控制系統(tǒng)的內(nèi)部是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，存在大量的數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、數(shù)字轉(zhuǎn)換頻率，本文選用的信號(hào)處理板卡可以排除異類的信號(hào)干擾，有規(guī)律地對(duì)無(wú)線通信信號(hào)進(jìn)行傳輸。射頻板卡的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到每毫秒百字節(jié)，提高了網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度[10⁃11]。總線是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信的連接線，主要分為半雙工網(wǎng)絡(luò)總線和全雙工網(wǎng)絡(luò)總線兩種類型。半雙工網(wǎng)絡(luò)總線通信數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都共同利用一條差分線完成，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)接收和發(fā)送不能同時(shí)進(jìn)行，浪費(fèi)通信信息的傳輸時(shí)間，因此本文選擇全雙工的RS485總線[12⁃14]。RS485總線具備兩條差分線，射頻前端控制系統(tǒng)發(fā)出相對(duì)應(yīng)的指令，就可以通過(guò)相對(duì)應(yīng)的差分線完成，RS485總線雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性以及高效性。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域協(xié)調(diào)無(wú)線通信信號(hào)的處理，是通過(guò)嵌入式微處理器完成的。嵌入式微處理器是32位的處理器，具有較高的性能，內(nèi)部芯片采用體積小、耗能慢的硅芯片。嵌入式微處理器的脈寬輸出量可高達(dá)100KM，其單片機(jī)的性能指標(biāo)超過(guò)普通的單片機(jī)性能，這樣有利于高效地執(zhí)行射頻前端控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，加強(qiáng)前端控制系統(tǒng)的靈敏度。具體嵌入式微處理器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2射頻前端控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

射頻前端控制系統(tǒng)的軟件區(qū)域是實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)高靈敏性的體現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的前端控制系統(tǒng)的軟件區(qū)域由無(wú)線通信、無(wú)線傳感、控制三步組成。軟件區(qū)域的無(wú)線通信模塊主要承擔(dān)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)，通信模塊由射頻和基帶組成，射頻部分為無(wú)線傳感通信模塊與硬件區(qū)域的處理器提供傳輸接口，基帶部分是將信號(hào)傳輸給射頻控制硬件區(qū)域的通信信道，與CPCI接口相同，保證射頻前端控制系統(tǒng)的運(yùn)行。無(wú)線通信模塊將硬件區(qū)域接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)在模塊記憶中留下備份，然后將通信信號(hào)通過(guò)通信信道傳輸?shù)交静糠郑緦?duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取與分析，最后將處理好的信號(hào)指令發(fā)送到無(wú)線傳感器模塊中。具體過(guò)程如圖3所示。無(wú)線傳感模塊的工作任務(wù)是采集無(wú)線通信數(shù)據(jù)，根據(jù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，控制射頻前端的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的速度與靈敏度。無(wú)線傳感模塊代替的是傳統(tǒng)前端控制系統(tǒng)的有線通信模塊。無(wú)線傳感模塊包括接口、無(wú)線通信兩部分，該模塊對(duì)無(wú)線通信信號(hào)的傳輸距離長(zhǎng)，因此保證了前端控制系統(tǒng)對(duì)通信信號(hào)查找能力的敏感性。電源模塊為射頻前端控制系統(tǒng)軟件區(qū)域運(yùn)行提供基礎(chǔ)，電源采用24V，15A的大功率電源，為硬件區(qū)域微處理器運(yùn)行提供動(dòng)力[15]。

3實(shí)驗(yàn)研究

在完成以上控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，對(duì)高靈敏度無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。調(diào)整實(shí)驗(yàn)中的電荷泵狀態(tài)，并設(shè)置電荷泵模型如圖4所示。本文實(shí)驗(yàn)研究在控制平臺(tái)內(nèi)部進(jìn)行，電路板集中采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，防止實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異產(chǎn)生。選用機(jī)箱接口連接不同的控制數(shù)據(jù)，將電荷泵連線與機(jī)箱背部相連接，該連接口符合CPCI標(biāo)準(zhǔn)。由于傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端信道采用RS485的串口連接方式，為此，本文在進(jìn)行控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的同時(shí)應(yīng)轉(zhuǎn)化串口連接方式，將需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)信息操作系統(tǒng)控件統(tǒng)一調(diào)節(jié)到相同的操作高度中，避免操作失誤的產(chǎn)生。同時(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)控制背板，控制背板能夠成功實(shí)現(xiàn)整體實(shí)驗(yàn)控制操作，并提升控制子系統(tǒng)間的聯(lián)系作用，能夠與前端信道進(jìn)行通信，時(shí)刻聯(lián)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境信息，交換內(nèi)部無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)射的信號(hào)數(shù)據(jù)，并及時(shí)連接系統(tǒng)電源接口。在仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為避免輸入數(shù)量龐大的飛線與數(shù)據(jù)延長(zhǎng)線，將射頻控制背板與無(wú)線傳感信道相通，在聯(lián)通信道中歸納不同頻率信號(hào)對(duì)控制背板的影響程度。為減少數(shù)字信號(hào)與傳感信號(hào)之間干擾現(xiàn)象的數(shù)量，需設(shè)置獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)操作空間，將與空間屬性接近的數(shù)據(jù)錄入該空間內(nèi)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。利用屏蔽盒子結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)部的射頻信號(hào)進(jìn)行檢驗(yàn)，將控制背板與無(wú)線傳感信號(hào)安裝至不同的背板信號(hào)連接通道中。時(shí)刻監(jiān)控通道內(nèi)部的數(shù)據(jù)流通信息，擴(kuò)展PCB板面積，將實(shí)驗(yàn)收發(fā)機(jī)的實(shí)驗(yàn)通道設(shè)置在6U板中，將屏蔽盒子劃分為三個(gè)操作空間層次。其內(nèi)腔剖面結(jié)構(gòu)如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)6U板中設(shè)置5個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)插件位置，將不同的控制插件信息錄入相應(yīng)位置中，等待實(shí)驗(yàn)插件操作。在仿真實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)構(gòu)處理中，本文盡量設(shè)置與射頻信號(hào)的流動(dòng)方向相一致的操作空間，有效控制無(wú)線傳感信號(hào)在通道中的反射現(xiàn)象。縮減操作空間外圍走廊的用線長(zhǎng)度，避免因用線長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的傳感電板尺寸錯(cuò)誤。整齊排放仿真網(wǎng)絡(luò)電路中的功能芯片，有利于防止外界信號(hào)對(duì)內(nèi)部操作系統(tǒng)的干擾。根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中間層射頻信號(hào)向中心射頻信號(hào)發(fā)射的頻率大小預(yù)判前端控制的力度，利用雙面板隔離無(wú)用信號(hào)的傳輸。在多層板中連接網(wǎng)絡(luò)管理信號(hào)，及時(shí)切換信號(hào)傳輸路徑，將控制數(shù)據(jù)集中于相同的實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)布線中，盡量減少傳輸電容在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通道中的分布，避免兩條信號(hào)線的平行設(shè)置，降低不同信號(hào)線之間的干擾程度。利用垂直的走線方式布置信號(hào)線的傳輸方位，按照相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)板材厚度調(diào)配前端信號(hào)線信息，并根據(jù)信號(hào)線最終發(fā)射的控制頻率檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的控制接收有效率，構(gòu)建控制信號(hào)接收有效率對(duì)比圖如圖6所示。根據(jù)圖6可以看出，本文高靈敏度無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制信號(hào)接收有效率均高于其他傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，具有良好的控制效果，可有效防止控制系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)矛盾的出現(xiàn)。

由于本文在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)面板進(jìn)行了調(diào)整，強(qiáng)化內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)間的聯(lián)系，并根據(jù)關(guān)聯(lián)信息數(shù)據(jù)調(diào)試不同的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，在收集基礎(chǔ)信號(hào)的前提下，執(zhí)行系統(tǒng)硬件元件操作指令，有效避免因信號(hào)串聯(lián)產(chǎn)生的控制失誤現(xiàn)象，并時(shí)刻管理模型信號(hào)分量，對(duì)于射頻前端的發(fā)射器進(jìn)行元件調(diào)整，打開(kāi)內(nèi)聯(lián)接口，將協(xié)議接口與內(nèi)聯(lián)接口相連接，直接掌握內(nèi)聯(lián)信號(hào)間的流通方向與連接方式，更好地提升系統(tǒng)控制的可靠性，高效接收控制信號(hào)。為更好地驗(yàn)證本文控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制性能，構(gòu)建二次仿真實(shí)驗(yàn)研究，調(diào)整實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑥?qiáng)化背板設(shè)計(jì)。由于背板操作需要連接關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的射頻信號(hào)，為此，需加強(qiáng)對(duì)射頻信號(hào)的收集力度。管理收集的射頻信號(hào)信息，削弱外輻射磁場(chǎng)的信號(hào)干擾強(qiáng)度，并轉(zhuǎn)變信號(hào)傳輸方式。在RS485串口中匹配芯片收發(fā)器將射頻信號(hào)完整傳輸至串口接連處內(nèi)部。設(shè)置共模電壓的承受范圍，承受范圍在-5~15V之間，若超出此限度，則電壓器內(nèi)部無(wú)法進(jìn)行正常無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端數(shù)據(jù)的運(yùn)作與傳輸操作。在完成上述操作后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)試，連接主控制器，擴(kuò)展CPCI接口的信號(hào)連接范圍，將控制信號(hào)信息連接至主控系統(tǒng)中。在接口調(diào)試時(shí)應(yīng)注意對(duì)各接口模塊的控制寄存器的調(diào)節(jié)，選擇正確的寄存器裝置，利用多根前端控制信號(hào)線分辨不同寄存器的控制信號(hào)寄存狀態(tài)，及時(shí)反映異常的數(shù)據(jù)狀態(tài)至實(shí)驗(yàn)清理空間中，防止干擾信號(hào)的侵入影響。在結(jié)束基礎(chǔ)調(diào)試后，根據(jù)調(diào)試結(jié)果判斷控制系統(tǒng)的控制強(qiáng)度，設(shè)置控制強(qiáng)度在0~0.5之間為低控制強(qiáng)度，在0.5~0.8之間為中等控制強(qiáng)度，在0.8~1.0之間為高控制強(qiáng)度，設(shè)置實(shí)驗(yàn)對(duì)比如圖7所示。在圖7中，本文高靈敏度無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制強(qiáng)度始終處于其他兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)之上，控制強(qiáng)度較高，具有較佳的控制效能。本文在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段集中加強(qiáng)對(duì)軟件平臺(tái)程序結(jié)構(gòu)的處理，設(shè)置結(jié)構(gòu)性較為完整的操作平臺(tái)，連接頻段定位系統(tǒng)，將不同的頻段數(shù)據(jù)錄入相應(yīng)的數(shù)據(jù)頻道中。利用后端控制電壓控制增益信號(hào)的大小，及時(shí)調(diào)節(jié)增益信號(hào)的發(fā)射狀態(tài)，在低模方式中進(jìn)行強(qiáng)度管理與信號(hào)檢驗(yàn)，把握控制面板與背板間的關(guān)系，并查找關(guān)系內(nèi)部的隱藏?cái)?shù)據(jù)信號(hào)，挖掘信號(hào)的產(chǎn)生基礎(chǔ)。在獲取了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后將外積電壓由傳輸電容傳輸至系統(tǒng)外部，防止無(wú)關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)的干擾。控制信號(hào)的波動(dòng)范圍，檢驗(yàn)波動(dòng)范圍的成立條件，并構(gòu)建線性指標(biāo)對(duì)控制的范圍進(jìn)行檢驗(yàn)，取得控制強(qiáng)度較高的結(jié)果數(shù)據(jù)。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的高靈敏度無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制系統(tǒng)能夠在不同的操作環(huán)境內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)操作，及時(shí)檢驗(yàn)異常狀況的發(fā)生位置，具有良好的控制力度，可有效控制無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端數(shù)據(jù)信息，研究?jī)r(jià)值較高。

4結(jié)語(yǔ)

本文以前端控制系統(tǒng)的時(shí)效性、靈敏度、高性能為核心，設(shè)計(jì)了高靈敏度無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)。本文對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以提高其本身的靈敏度，增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收、發(fā)送信號(hào)的能力和靈敏度，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)射頻前端控制領(lǐng)域具有重大影響。

作者：王薇 單位：邯鄲學(xué)院