（电路与系统专业论文）嵌入式微波x波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现.pdf

嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 为平台，设计相应的客户端软件。实验者通过软件进行远程实验操作，实现微波 测量线在远程实验中的应用。论文首先对微波自动测量线，远程教学及嵌入式系 统的研究状况及应用前景进行分析，然后完成微波自动测量线及其远程控制系统 的结构设计，搭建硬件电路，移植构建i t c o s i i 操作系统平台，编写基于a r m 芯片l p c 2 2 1 0 的程序代码，并根据系统特点设计嵌入式t c p i p 协议，实现系统 的自动测量及远程控制。 。 本系统采用嵌入式技术，实现微波测量线的自动测量，同时将其接入i n t e m e t 实现远程控制。自动测量可以将测量线探头的水平位移精度提高到0 0 1 2 7 m m ， 并将完成一次终端负载测量的时间缩短至2 分钟。客户端软件可以在测量结束时 迅速计算出波导波长、驻波相位、驻波比、反射系数、电刻度、阻抗、导纳等微 波参数，并将结果显示在史密斯圆图中。此外，将嵌入式系统与i n t e m e t 相连可 实现对远程设备的控制，完成远程实验操作，实现微波测量线自动测量与远程控 制的结合。 关键词：嵌入式系统，微波测量线，自动测量，远程控制，l - t c o s i i 嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 d e sig na n dim p l e m e n t a t10 no fe m b e d d e dx - b a n d c r o w a v e a u t o m a ticm e a s u rin gl in ea n dr e m o t ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t m a j o r ：c i r c u i t sa n ds y s t e m s n a m e ：y ub i n g x i o n g s u p e r v i s o r ：p r o f s u nf a n d i a n w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe m b e d d e d t e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , a u t o m a t i o na n dn e t w o r k i n go f t e a c h i n gh a sb e c o m eau s e f u l s u p p l e m e n tt ot r a d i t i o n a lt e a c h i n g e x p e r i m e n t a lt e a c h i n go ft r a d i t i o n a lm i c r o w a v e m e a s u r i n gl i n e ，t h ee x p e r i m e n t e rm u s tb ew i t ht h el a b o r a t o r ye q u i p m e n tw e r ei nt h e s a m ep l a c e ，a n db ym a n u a lm e a s u r e m e n t m a n u a lm e a s u r e m e n ti sn o to n l yt r o u b l et o o p e r a t e , b u ta l s om e a s u r e m e n te l r o ra n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti sn o ts a t i s f a c t o r y a u t o m a t i cm e a s u r e m e n th a sr e v o l u t i o n a r yc h a n g e si na p p l i c a t i o n st h a nt h et r a d i t i o n a l m a n u a lm e a s u r e m e n t a u t o m a t i cm e a s u r e m e n ti n c r e a s e s p e e da n da c c u r a c yi n m e a s u r e m e n t ，w h i l ef a s td a t ap r o c e s s i n gc a l li m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ee x p e r i m e n t r e m o t ee d u c a t i o ni st h em a i nf o r mo fn e wt e c h n o l o g y , i t sr e s o u r c es h a r i n ga n d i n f o r m a t i o ni n t e r a c t i v ef e a t u r e sm a k et h et r a d i t i o n a lm o d eo fe d u c a t i o nc o n t i n u et o c h a n g e t h er e m o t ee x p e r i m e n t e rc a l la c h i e v ef r o mar e m o t ec o m p u t e ro i lt h ei n t e r n e t t h r o u g hr e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n , a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t s ，r e m o t ec o n t r o l ，v i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g yf o ro b s e r v a t i o na n do t h e ra c t i v i t i 髓b u tn o tr e a c ht h el a b o r a t o r y r e m o t ee x p e r i m e n ti m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h ee x p e r i m e n t a ls t a i f , a n dh a sb e c o m e a ni m p o r t a n td i r e c t i o nf o r f u t u r ed e v e l o p m e n ti nr e m o t ee d u c a t i o n t h es u b j e c ti nt h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n ts t a t u so fe m b e d d e ds y s t e m sr e s e a r c h i i i 9m 62 帆8m 6帆7 叭1y 嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 a n dr e a l i z a t i o no fi n t e m e ta c c e s sm e t h o d s ，d e s i g nas e to fx b a n dm i c r o w a v e m e a s u r i n gl i n ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n dr e m o t ec o n t r o ls y s t e ma n di m p l e m e n t e d s u c c e s s f u l l y t h es y s t e mu s e sc sm o d e ，t h es i g n a ls o u r c ew h i c hi s t h ex - b a n d m i c r o w a v es i g n a l sa n dt h es e r v e r - s i d ec o n t r o lo b j e c tw h i c hi sm i c r o w a v em e a s u r i n g l i n e ，u s i n g ”a r m + i ，t c o s - i i + t c p i p ”s t r u c t u r ed e s i g n ，p u tf o r w a r dt h ea r m c h i p a s t h eg o r e , j - t c o s i io p e r a t i n gs y s t e ma sp l a t f o r m ，t c p i pa sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s ，r e a l i z et h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n to fm i c r o w a v em e a s u r i n gl i n e a n d i n t e m e ta c c e s s a n dt h e nb u i l dt h ee m b e d d e dw e bs o lv e r c l i e n t - s i d eu s e sv i s u a lc + + a st h ep l a t f o r m ，d e s i g nc l i e n ts o f l n v a r e f o rr e m o t ee x p e r i m e n t e rf o re x p e r i m e n t a l o p e r a t i o n ，e n a b l i n gm e a s u r i n g l i n ei n t h er e m o t ee x p e r i m e n t t h ep a p e r f i r s t d i s c u s s e dm i c r o w a v ea u t o m a t i cm e a s u r i n gl i n e ，r e m o t ee d u c a t i o na n de m b e d d e d s y s t e m so fd e v d o p m e n ta n df u t u r ea p p l i c a t i o n s ，a n dt h e nc o m p l e t e dt h ee m b e d d e d m i c r o w a v em e a s u r i n gl i n ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n dr e m o t ec o n t r o ls y s t e md e s i g n ， b u i l dh a r d w a r ec i r c u i t ，t r a n s p l a n t a t i o ni _ l c o s - i io p e r a t i n gs y s t e m ，w r i t ep r o g r a m c o d eb a s e do na r ml p c 2 210 ，a n dd e s i g ne m b e d d e dt c p i pp r o t o c o la c c o r d i n gt o t h es y s t e mt oa c h i e v et h es y s t e m sa u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n dr e m o t ec o n t r 0 1 t h i se x p e r i m e n t a ls y s t e mu s i n ge m b e d d e dt e c h n o l o g ya c h i e v e st h ea u t o m a t i c m e a s u r e m e n to fm i c r o w a v em e a s u r i n gl i n e ，w h i l e st h e i ra c c e s st oi n t e m e tf o rr e m o t e c o n t r 0 1 a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t sc a nm e a s u r et h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h e p r o b el i n ea c c u r a c yu pt o 0 0 12 7 r a m ，a n dt h ec o m p l e t i o no fat e r m i n a ll o a d m e a s u r e m e n tt i m et o2m i n u t e s c l i e n ts o f t w a r ec a nb eq u i c k l ym e a s u r e dt oc a l c u l a t e m i c r o w a v ep a r a m e t e r sl i k e st h ew a v e l e n g t h , s t a n d i n gw a v ep h a s e ，v s w r ，r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t ，e l e c t r i c a lc a l i b r a t i o n ，i m p e d a n c e ，a d m i t t a n c e ，a n dd i s p l a yt h er e s u l t si nt h e s m i t hc h a r t , w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h ee x p e r i m e n t a le f f i c i e n c y i na d d i t i o n ，t h e e m b e d d e ds y s t e m si sc o n n e c t e dw i t ht h ei n t e m e tc a r lr e a l i z ea u t o m a t i cc o n t r o lo f r e m o t ee q u i p m e n tt oc o m p l e t et h er e m o t ee x p e r i m e n t ，a n dt h e nr e a l i z et h em i c r o w a v e m e a s u r i n gl i n eo fa u t o m a t i cm e a s u r e m e n t c o m b i n e dw i t ht h er e m o t ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m s ，m i c r o w a v em e a s u r i n gl i n e ，a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t ) 嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 目录 摘j 暮i a b s t r a c t i i i l 绪论。1 1 1 课题的研究背景：_ _ 1 1 2 课题的研究现状：。：1 1 2 1 微波自动测量线的研究现状k 。1 1 2 2 远程实验的研究现状3 1 2 3 嵌入式系统的研究现状：4 1 3 本文的研究内容一：6 2 系统的整体设计7 2 1 微波测量线测量的原理及方法一：7 2 1 1 微波测量线测量的基本原理8 2 1 2 微波测量线测量的方法：1 1 2 2 远程控制系统的基本原理。：1 2 2 3 系统的结构设计1 3 2 3 1 系统的整体结构_ 1 3 2 3 2 控制对象的改造1 4 2 3 3 控制服务器的设计1 4 2 3 4 客户端的规划1 5 3 系统的硬件设计1 6 3 1 微处理器系统电路的设计一1 6 3 1 1 微处理器的选型1 6 3 1 2 电源电路一k 18 3 1 3 复位电路1 9 3 1 4 系统时钟电路2 0 3 1 5 系统存储器电路2 0 3 2i v 转换电路的设计。2 l 3 2 1 微电流测量原理2 l 3 2 2 微电流i 转换电路。2 2 3 3 电压放大及调零电路的设计2 3 3 4 滤波电路的设计2 4 3 4 1 二阶压控型低通有源滤波器的特性2 5 3 4 2r c 低通滤波器的特性2 6 3 4 3 系统滤波电路2 7 3 5 步进电机驱动电路的设计2 8 3 6 位置传感器电路的设计3 0 3 7 触摸显示屏电路的设计3l 3 8 以太网接口电路的设计3 4 v 、 嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 4 系统的软件设计3 6 4 1 嵌入式操作系统的移植3 6 4 2 任务函数的设计。4 1 4 2 1 启动任务t a s k s t a r t ( v o i d * p d a t a ) 4 2 4 2 2t c p 通信任务t a s k t c p m e s s a g e ( v o i d * p a a t a ) 。4 2 4 2 3t c p 侦错任务t a s k t c p e r r c h e c k ( v o i d * p d a t a ) 一4 3 4 2 4 步进电机控制任务t a s k m o t o r c t r l ( v o i d * p d a t a ) 4 3 4 2 5l c d 显示任务t a s k l c d d i s p l a y ( v o i d 幸p d a t a ) ：“：4 4 4 2 6 触摸屏响应任务t a s k t o u c h p a d ( v o i d * p a a t a ) ：4 4 4 2 7a d 转换任务t a s k a d c o n v e r t ( v o i d * p d a t a ) 4 4 5 客户端软件的设计4 6 5 1 史密斯圆图的设计。：4 6 5 2 远程控制软件的设计。4 8 6 实验结果及分析。j 4 9 6 1 步进电机步距测量及分析j 4 9 6 2 微电流转换电路分析j 5 0 6 3 波导传输线特性参量测量结果及分析：5 4 64 史密斯圆图求解结果及分析：。5 8 6 5 远程连接测试及分析6 0 6 6 远程控制实验结果及分析6 2 7 结论和展望6 8 7 1 结论。6 8 7 2 展望6 8 参考文献一7 0 致谢7 2 作者攻读学位期间发表的学术论文目录7 3 嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 l 绪论 1 1 课题的研究背景 随着嵌入式技术、计算机控制技术和网络技术的不断发展，自动化和网络化 的教学方式己经成为传统教学的有益补充【1 1 。实验是教学活动中二个必不可少的 环节；许多科目，特别是工科这类实践性较强的学科都是以实验为基础的。传统 微波测量线实验教学中，实验者不仅必须与实验设备同处一地，而且需要通过手 动测量。手动测量存在测量误差大、实验效率低、操作繁琐等问题，实验效果不 理想。我国高等院校和研究机构从2 0 世纪8 0 年代开始自行研制微波自动测量线 实验系统【2 。3 1 。自动测量在应用上比传统手动测量有了明显的变化。自动测量大 大提高了实验效率，增加了实验精度，并且可快速进行数据处理，解决了手动测 量带来的很多不足，这将带动微波测量向着自动化的方向发展。 远程教育是新技术应用的主要形式，其资源共享和信息互动的特点使得传统 的教育模式发生改变，大大提高了人们的工作效率和学习效率。世界各国都把远 程教育作为教育发展的一项重要内容，相继建立了国家级的教育网络。至2 0 世 纪末，美国已有4 4 的高等学校向社会提供各类远程教育。我国也非常重视远程 教育的发展，先后制定发展我国现代远程教育的方针政策，并大力建设网络教育 。学院试点，确定了3 1 所试点院校拥有发放国家承认的学历文凭自主权，从根本 上促进了高校远程教育的发展睁5 1 。远程实验教学将设备集中在一个实验室，分 布在各地的使用者只要通过网络和一定的授权，就可以进行实验，摆脱了时间与 空间的限制，而且易维护管理，已经成为远程教育未来发展的一个重要方向。 1 2 课题的研究现状 1 2 1 微波自动测量线的研究现状 微波测量实验是电子通信类专业的基础实验，同时也是近代物理实验的重要 组成部分【6 】。从某种意义上说，没有微波测量就没有今天高度发展的微波理论和 微波技术与应用。微波信号可测量的参量有很多，其中功率测量、频率测量和驻 波测量是最常测量的三种基本参量。其它的二级参量均可通过这三种参量的测量 加以解决。 微波测量线是测量微波传输系统中电场强弱和分布的实验仪器。微波测量线 嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 作为微波测量中应用极为普遍的测量部件，是微波测量中对驻波测量的常用器 件。微波测量线在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。 由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成 电流信号输出。通过测量该电流信号，就可以反映微波传输过程中电场强弱和分 布。微波测量线的传统使用方法是通过手工进行，操作繁琐、测量时间长、测量 精确度低且容易出错。近年来已有很多的研究人员在测量线的自动测量方面作了 不少工作，些高等院校和研究机构也开始自行研制自动测量线系统，有很多研 究人员针对如何简化和提高实验效率展开了深入研究【7 - 8 1 。在当前所研制的微波 测量线自动测量系统中，大部分的基本原理是：使用步进电机带动测量线探针的 移动及可调短路活塞的移动，使检波器件的输出通过模数转换产生数字化的检测 信号，最后对这些信号进行处理显示。虽然测量精度与手动测量相当，但是测量 速度是手动测量的数十倍甚至上百倍。 目前，在对微波测量线的自动化测量研究方面，大致可以划分为两类：第一 类是用单片机对整个测量过程进行控制和处理，如华中科技大学电子与信息工程 系设计的小型智能微波测量线系统【9 】。此种方法的特点就是成本低、软硬件简单。 但由于单片机的存储容量小，支持软件很少，很难进行复杂的数据处理，需要借 助p c 完成数据处理及显示。第二类是直接采用微型计算机控制及数据采集，如 山东大学信息科学与工程学院设计的微波测量线c a t 系统 1 0 l 。该设计方法的优 点是不仅可利用微型计算机的显示终端，键盘，存储器及打印机等，还可以利用 微机中的各种软件，因而使用方便灵活，操作简便，同时还可对采集到的数据进 行各种复杂的处理，但其缺点就是必须用一台微型计算机作为控制器配合下位端 的微控制器来完成数据采集，成本较高。 对于当前设计的微波自动测量线系统，还存在着一些有待改进的地方。其一， 测量线系统使用一台专业微型计算机作为测量线控制器显然没能充分发挥它的 性能，而仅仅使用单片机又不能使系统完成复杂的数据处理及存储：其二，微波 测量线实验系统的数据处理功能还比较弱，大都停留在数据采集及简单显示，还 缺少将测得数据的运算，如将波导波长、驻波相位等测得参数表达为驻波比、反 射系数、电刻度、阻抗及导纳等，更是很少能将测得数据在史密斯圆图上体现出 来。此外，由于微波设备比较精密，价格也比较高，一般是在高校或者大型科研 2 嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 机构才有。为了使用微波实验设备，使用者都限制在实验室进行。对于距离拥有 微波实验设备的高校或者科研机构较远的人员来说，为了完成一次实验，就必需 长途跋涉到距离遥远的实验室去，给实验者带来很多麻烦。 1 2 2 远程实验的研究现状 进入2 0 世纪9 0 年代后，由于嵌入式技术、计算机技术与i n t e r n e t 技术的飞 速发展，。引起了人们生活、工作和学习上的重大变化。基于i n t e r a c t 的现代远程 教育由于其模式的优越性，可以突破时间和空间的限制，从而可以全方位的给社 会各阶层人士进行继续教育或终身教育【l i 】。远程实验室的研究伴随着近几年 i n t e m e t 的成熟而开始逐步投入应用，国内外的远程实验室的研究也得到了发展。 目前，远程实验主要用于控制学科领域并逐渐向其它领域拓展。 美国t e n n e s s e ea tc h a t t a n o o g a 大学t c ) 设计的网上工程实验室【1 2 】提供了一 系列远程控制实验，如压力控制、水位控制、温度控制、速度控制等等实验。这 个远程实验室所建立的系统是由一台w e b 服务器和5 台客户机组成。每台客户 机上都运行着用l a b v i e w 编写的软件，并与一套实际的实验设备建立连接。当 用户通过i n t e m e t 访问w 曲服务器时，首先选择相应的控制参数，然后w e b 服 务器把这些参数写入文件传送给相应的客户机。当客户机收到这些参数后，再通 过数据采集卡来控制相连的实验设备进而完成实验，并把实验数据传回给w e b 服务器。最后，w e b 服务器根据这些数据生成实验结果返回给进行实验的用户 美国德克萨斯州立大学的n i t i ns w a m y 等人建立了一个远程实验室【1 3 1 。该实 验室所建立的实验系统的控制对象是一个倒立摆，主要提供给校内学生进行远程 实验。倒立摆由一台专门的服务器通过m a t l a b s i m u l i n k 控制。该实验系统采用 的远程连接技术是m s n n e t m e e t i n g 。学生通过n e t m e e t i n g 连接到倒立摆的控制 服务器，然后对相应的控制器进行修改，以获得需要的控制器结构，控制信号经 由串口控制倒立摆的运动。实验结果由视频及音频装置传回到客户端。 中国科技大学物理系研制了一套基于i n t c r n c t 的扫描探针显微镜( s p m ) 远程 系鲥1 4 】。该系统由四个部分组成：客户端、服务器、s p m 仪器端和视频监视系 统。其客户端分为两种类型，一类是主控操作人员程序端，另一类是观众客户端。 用户对设备进行远程操作，采用t c p i p 协议的c s 架构对s p m 进行操作运行。 普通用户通过基于h t t p 协议和c g i 的浏览器观看实验过程。服务器和s p m 仪 3 嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 器端通过自行设计的d s p 控制器组成一套完整的s p m 反馈系统。 综上所述，目前国内外在远程实验方面已经进行了若干有益的研究和探索， 建立了许多远程实验系统并投入使用。然而，远程实验发展到今天，绝大多数仍 然处于探索研究阶段，并未真正得以广泛应用，其原因在于系统的可靠性、实用 性、远程用户操作的方便性、实时性等方面还有待进一步提高。此外，面向开放 的i n t e r n e t 所建立的远程实验系统，在维护方法、管理方法、设备的安全性、网 络的安全性等方面研究较少。因此，建立通用可靠的远程实验系统还需要进一步 的探索和完善。 1 2 3 嵌入式系统的研究现状 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应 _ 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系纠1 5 】。 进入2 1 世纪后，随着全球数字化、信息化的进程不断加快，嵌入式系统被广泛 应用于消费电子、信息家电、网络通信、工业控制、军事国防等领域。随着全球 信息化建设的快速发展，嵌入式系统的需求必将进一步增长。 纵览嵌入式技术的发展历程，大致可以划分为四个阶段【1 6 1 ： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器构成的系统，具有与监测、伺服、 指示设备相配合的功能。主要特点是：系统结构和功能相对单一，片内资源少， 处理速度慢，存储容量小，但是使用简单、价格便宜。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 主要特点是：系统占用资源少，运行效率高，操作系统具有一定的兼容性和扩展 性，但是c p u 厂商繁多，编程软件及语法不统一，导致通用性较弱。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式芯 片的内核比较统一，嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容 性好；操作系统内核小、效率高，且具有高度的模块化和扩展性；应用软件功能 比较强大，开发应用程序较方便。 第四阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。这是目前正在高速发展的阶段。 现在还有不少嵌入式系统孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制、通信技术结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r a c t 的 结合将引领着嵌入式系统的未来。 4 嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 嵌入式系统是应用于特定环境、针对特定用途设计的专用计算机系统，其软 硬件都须高效率地设计，力争在较少资源上实现较高性能。基于嵌入式系统设计 的微波测量线远程控制系统与以p c 为代表的通用计算机所设计的系统相比，具 有以下显著特点： ( 1 ) 嵌入式系统是专用的计算机系统：嵌入式系统的软硬件均面向特定应 用对象和任务设计，具有很强的专用性和多样性，解决了以p c 为代表的通用计 算机性能发挥不充分的问题。 。 ( 2 ) 嵌入式系统能满足对象系统的控制要求：嵌入式系统配置有与对象系 统相适应的接口电路，如a d 接口、d a 接口、p w m 接口、l c d 接口、u s b 接口、网络接口等，可以不需要再和其它的微处理器配合即可完成系统功能，使 系统做到最精简。 ( 3 ) 嵌入式系统是集成计算机技术与各行业应用于一体的集成系统：嵌入 式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业具体应用相结合后的 产物，这就使它与p c 机一样具有完备的计算机体系架构。 ( 4 ) 嵌入式系统能够应用于实时性要求高的系统：嵌入式系统与p c 机一 样能够在操作系统的支持下，完成实时性高，稳定性强的任务。 随着计算机技术和网络技术的发展，i n t e m e t 的建立极大地推动了社会的信 息化，日益成熟的网络技术应用到嵌入式系统成为必然的发展趋势。近年来，嵌 入式系统不仅应用于路由、网关、移动站点和接入器等网络设备，还应用于信息 家电、消费电子、过程控制、远程实验等各方面。嵌入式系统与网络技术相结合 将逐渐成为一项研究热点。 基于嵌入式的远程控制系统是指将t c p i p 协议集成到嵌入式系统中，使其 成为嵌入式i n t e r n e t 设备，实现网络服务器功能。相比于传统的网络服务器，嵌 入式网络服务器大大简化了系统结构，可以针对各种专用的实验设备而建立，在 降低产品成本的同时，也一样可以将信息采集、设备控制都集成到嵌入式系统中。 利用以太网现有丰富的资源，用a r m 芯片组建基于t c p i p 协议的嵌入式网络 服务器是一种低成本、高可靠性且快捷的技术方案。它将原来孤立的控制单元改 造成能融合进控制网络和信息网络的节点，进而实现远程控制及实验操作。嵌入 式系统与网络技术的结合必将推动远程控制实验系统的发展。 5 嵌入式微波x 波段 1 3 本文的研究内容 针对目前微波测量线系统研究存在的一些不足，本文结合当下流行的嵌入式 技术和计算机网络技术，开发出一套嵌入式微波x 波段自动测量线远程控制系 统。旨在为高校实验室及相关科研机构提供套低成本的、可通用的远程微波测 量线自动测量及其远程控制实验设备。 本课题主要研究如何在普通3 2 位微处理器上实现t c p i p 协议，建立嵌入式 网络服务器，从而将微波测量线接入i n t o n e t ，同时实现微波测量线的自动测量。 系统采用c s 架构，信号源为x 波段的微波信号，服务器端以微波测量线为控制 对象，采用“a r m + p c o s i i + t c p i p 结构进行设计，提出以a r m 芯片为核 心，以i 上c o s i i 操作系统为平台，以t c p i p 为通信协议，实现微波测量线的自 动测量并接入i n t a n e t ，进而构建嵌入式网络服务器。客户端以v i s u a lc 抖为平 台，设计相应的客户端软件，实验者通过软件进行远程实验操作，从而实现测量 线在远程实验中的应用。在课题的完成过程中，首先对微波自动测量线，远程实 验及嵌入式系统的研究背景、发展状况、应用前景以及开发时采用的相关方法和 技术等进行研究，如a r m 体系结构、以太网控制原理、t c p i p 协议、微波技术 等，然后通过运用对系统进行设计时相应的开发工具，设计了嵌入式网络服务器， 搭建了硬件电路，编写了基于a r m 芯片l p c 2 2 1 0 的程序代码，控制网络控制 芯片r t l 8 0 1 9 a s ，根据系统实现功能合理化的精简的t c p i p 协议，实现了适用 于a r m 的嵌入式t c p i p 协议，完成了系统的远程控制功能，同时借助步进电 机带动测量线探针的移动及可调短路活塞的移动，使检波器件的输出通过模数转 换产生数字化的检测信号，实现微波自动测量线在远程实验中的应用。最后，完 成对系统的功能测试以及在实验室的小范围试用。 总之，嵌入式微波自动测量线远程控制系统是将嵌入式技术、计算机技术和 网络技术相结合，可以有效地解决因为设备缺乏而在远距离无法进行实验的困 难，实现实验室的资源共享，同时，微波测量线的自动测量也大大提高了实验效 率。因此开发嵌入式微波自动测量线远程控制系统有着很重要的现实意义。 6 嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 2 系统的整体设计 嵌入式微波自动测量线远程控制系统的设计主要包括两个部分。第一部分是 实现微波测量线的自动化测量。该部分的设计采用一个五相步进电机产生精密的 步距带动微波测量线探针的移动，使反映微波场强的检波器件输出信号在经过放 大滤波处理后，通过a r m 芯片内部的模数转换产生数字化的检测信号。这些信 号在心o s 二操作系统相应任务函数的有序处理下，通过网络控制器向客户端 发送出去。第二部分是实现微波测量线的远程控制。该部分采用3 2 位高性能嵌 入式微处理器l p c 2 2 1 0 在r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 平台上进行开发， 实现嵌入式系统中t c p i p 协议的处理。在嵌入式系统中实现t c p i p 协议，从而 实现嵌入式系统接入i n t e r n e t 的远程控制。整个系统采用c s 模式架构建立；分 布在各地的使用者只要通过网络和一定的授权，使用针对该系统设计的相应客户 端软件，就可以进行实验，从而摆脱了时间与空间的限制。 。 2 1 微波测量线测量的原理及方法 探测微波传输系统中电磁场的分布情况，如测量驻波比、阻抗、调匹配等， 是微波测量的重要工作，测量所用基本仪器是微波测量线。测量线由开槽波导、 不调谐探头和滑架组成，其示意图如图2 1 所示。开槽波导中的微波场由不调谐 探头取样，通过滑架上的传动装置使探头移动，同时将探头的输出送到显示装置， 就可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息。 图2 1 微波测量线示意图 7 嵌入式微波x 波段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 在微波的传输过程中，为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响，一般采 用波导作为微波传输线。微波实验中使用的是标准矩形波导管，通常采用的传输 波形是x 波段的t e l o 波。对矩形波导的微波驻波测量是理解微波中最简单波形 t e l o 电磁场分布等传输特性的基础。微波测量线是微波测量中对驻波测量的常用 器件。围绕着微波测量线展开的实验，依据测量线终端负载的不同，波导管具有 不同工作状态。当传输线终端短路、开路或接纯电抗负载时，终端的入射波则全 部被反射。沿线入射波与反射波叠加形成驻波分布，传输线工作于驻波状态。对 驻波的测量可以了解微波传输系统是否处于良好的匹配状态，还可以确定波导波 长、驻波比、驻波相位、阻抗、导纳及反射系数等。因此，驻波测量是微波测量 中是最基本和最重要的测量项目之一，也是微波测量线实验的主要测量内容。 2 1 1 微波测量线测量的基本原理 微波测量线测量主要包括波导波长、驻波比和驻波相位等的测量。 1 、波导波长的测量 波导波长是指在波导管中传播的合成波的两个相邻波峰或波谷之间的距离 【1 7 1 。它在数值上等于相邻两个驻波极值点( 波腹或波节) 距离的两倍。由于驻 波场强在极大值点( 波腹) 附近变化缓慢，而探针位于极小值点( 波节) 处附近 变化最快，此时对场强分布的影响最小，所以实际采用测定驻波极小点的位置来 求出波导波长。为提高测量精度，通常采用“平均法找出两个相邻的最小点位 置d l 和d 2 ，即移动探针在驻波最小点左右找出两个具有相同幅度( 由选频放大 器或检流计读出) 的位置d l 和d 2 ，然后取其平均值，即为所需的最小点位置d l 。 用相同的方法找出相邻的最小点d 2 ，如图2 - 2 所示，可求出最小点位置d l 和d 2 分别为t d l ：生堕 ( 2 1 1 ) 1 2 d ，：d 3 + d 4 ( 2 一卜2 ) 二 2 相邻两个最小点的距离即为半个波导波长，由此可得波导波长为： 以= 2 l d l d 2 l ( 2 一卜3 ) 8 嵌入式微波x 泌段自动测量线及其远程控制系统的设计与实现 e 一乏。k 一 八八 卜| t i l 。 dd 2 d 3文一工 d i 踢 图2 - 2 波导波长测量示意图 2 、驻波比的测量 驻波比的物理意义表示微波功率沿均匀传输线传输时，由于负载不匹配而产 、 生能量反射的程度【1 8 】。驻波比大小为波导中电场最大值与最小值之比，即 p p 2 。- i n l a x 其中e 。嘲、e l l l i l l 分别表示波导中驻波最大值点与驻波最小值点的电场强度。 驻波比的大小通常是衡量一个微波元器件性能优劣