1、引言

　　隨著科學技術的飛速發(fā)展，航空航天設備、軍用武器系統(tǒng)等高技術產品的復雜程度日益提高，傳統(tǒng)的人工檢測維護手段已經無法滿足現代化裝備的支持保障要求，自動測試系統(tǒng)(ATS)正逐步成為復雜系統(tǒng)與設備可靠運行的必要保證。

　　一套微波自動測試系統(tǒng)主要包括主控計算機、程控電源、信號源、頻譜儀、頻率計、功率計和網絡分析儀等。由于微波被測信號的幅度動態(tài)范圍很寬，而組成自動測試系統(tǒng)的儀器的種類繁多，每種儀器都有各自的功率測量范圍。如果采用手動方式調整被測信號的幅度，不但會影響測量速度，而且在精密測量中，還會造成測試數據的一致性很差，甚至產生錯誤數據。為了解決這些微波測量中遇到的實際問題，我們設計了微波功率調整模塊，將被測信號連接到微波功率調整模塊的輸入端，而輸出端與測量儀器相連。通過主控計算機程控微波功率調整模塊，對輸入信號的功率進行調整。與手動調整相比，這大大提高了測試速度，具有很高的可靠性和靈活性。通過對自動、手動測試數據的分析比較發(fā)現，自動測量準確度也提高了一個數量級。

　　在當今的“后PC”時代，嵌入式系統(tǒng)以其高集成度、體積小、功耗低、可靠性高等特點，廣泛應用于工業(yè)控制、無線通信、網絡應用等方方面面。基于該系統(tǒng)設計的微波功率調理模塊極大的提高自動控制測量效率。同時，為了將微波功率調理模塊方便、可靠、靈活的融入到各種不同自動測試系統(tǒng)中，我們采用USB總線、LAN總線和RS232總線控制。三種總線都是標準的計算機總線，針對不同的微波測試系統(tǒng)，既方便集成，又占用最少的資源。

　　2、模塊電路原理設計

　　微波功率調理模塊主要由三部分組成：微波組件單元，ARM芯片最小系統(tǒng)單元和接口單元。其他輔助電路包括驅動電路、指示電路和電源電路。原理框圖如圖1所示。輸入的被測信號經過微波組件單元的調理，輸出功率滿足后續(xù)電路測試需要。ARM芯片最小系統(tǒng)是整個模塊的“大腦”，它接收上位機發(fā)出的指令并判斷、解釋，如果滿足預定的握手協議，根據指令要求控制微波組件的放大、衰減量;如果不滿足預置的握手協議，返回錯誤信息，等待下一次指令到來。接口電路包括USB接口、LAN接口和RS232接口，它是上位機和ARM芯片通訊的“橋梁”。多樣性的接口既可以滿足不同系統(tǒng)的搭建，又可以在允許的范圍內盡可能的少占用系統(tǒng)資源。

　　圖1 微波功率調理模塊電路原理框圖

　　3、微波組件單元設計

　　微波組件單元是整個模塊的主功能單元，它包括一個-90dB的程控步進衰減器和一個+30dB的程控步進放大器，兩者之間采用串聯關系。具體連接關系如圖2所示。

　　圖2 微波組件單元電路原理框圖

　　衰減器的四個衰減檔分別為-10dB、-20dB、-30dB和-30dB。他們之間靈活組合，就可以形成一個步進量為10dB，總衰減量為-90dB的步進衰減器。放大器的三個放大檔分別為+10dB，總放大量為+30dB。由于二者之間采用串聯工作方式，所以整個微波組件的功率調節(jié)范圍為-90dB～+30dB，步進量位10dB。

　　由于微波組件的控制電路與TTL不兼容，他們之間需要通過驅動電路來進行轉換。驅動電路可以采用已經封裝好的驅動模塊成品，也可以采用集成電路設計。考慮成本因素我們決定采用集成電路設計方案。驅動電路主要包括74ALS175D和ULN2803A兩片集成電路。輸入的TTL控制信號驅動74ALS175N，輸出一組相位兩兩相反的控制信號。這一組控制信號輸入到ULN2803A，通過與微波組件內部控制電路相配合，形成內部電磁場控制衰減、放大各檔的旁路開關，從而達到自動調節(jié)衰減量的目的。

　　4、ARM芯片最小系統(tǒng)設計

　　4.1 S3C2410芯片特點簡介

　　S3C2410處理器為ARM920T內核，它是16/32位RISC CPU，擁有獨立的16KB指令和16KB數據CACHE、MMU虛擬內存管理單元、NAND Flash bootloader和系統(tǒng)管理單元(SDRAM控制器等)，其它功能還包括3通道UART、4通道DMA、專用I/O口、RTC(實時時鐘)和8通道10位精度ADC。S3C2410外圍接口豐富，有觸摸屏控制器，I2C總線接口，I2S數字音頻總線接口，USB主機，USB設備，SD/MMC卡控制器，2通道SPI和PLL鎖相環(huán)。由于處理器工作頻率最高達到203MHz，能夠使處理器輕松運行WinCE, Linux等操作系統(tǒng)以及進行較為復雜的信息處理。

　　4.2 最小系統(tǒng)總線設計

　　S3C2410具有完備的數據、地址總線，尋址空間達到1GBit，能直接驅動各種外設。但由于總線邏輯電平為3.3V，和5V電源的TTL邏輯接口不兼容，加之考慮到日后系統(tǒng)擴展對驅動能力方面要求留有余量，總線上需要緩沖驅動器。本模塊選用74LVC16245來驅動大部分外部設備，如硬盤、CF卡、功能模塊等。而高速器件如SDRAM、網卡等外設或接口仍然和本地總線相連。對于一些專用設備的總線，如SPI, I2C, I2S, USB、由于總線驅動能力符合規(guī)范標準，且不會出現電平沖突問題，不需要緩沖，直接相連。具體框圖如圖3所示。

　　圖3 最小系統(tǒng)總線設計框圖

　　4.3 存儲器電路設計

　　4.3.1 與 SDRAM接口電路設計

　　S3C2410處理器內部帶有內存控制器，因此將SDRAM和S3C2410處理器相連是比較簡單的。由于S3C2410具有32位數據帶寬，而市面上大多SDRAM全部是16位數據帶寬。為了充分發(fā)揮S3C2410的帶寬性能，使用2片16位SDRAM拼接出32位帶寬。在處理器的存儲空間中，字節(jié)是表示存儲容量的唯一單位。而SDRAM為32位的時候，它的每一個存儲單元都包含4字節(jié)。因此，SDRAM的A0接到S3C2410的A2上，其他數據線依此類推。SDRAM的BA腳選中內部存儲的塊區(qū)，其實就是SDRAM地址的最高位，接到S3C2410的A24～A25上。由于32位帶寬存儲單元的SDRAM以4字節(jié)為尋址單位，內存訪問會忽略A0, A1地址。

　　4.3.2 與FlashROM接口電路設計

　　嵌入式系統(tǒng)中，程序代碼、文件系統(tǒng)和部分用戶設置參數都是存放在非易失性存儲器中的。雖然Flash存儲設備存在許多標準，但常用于嵌入式系統(tǒng)的只有NAND Flash和NOR Flash兩種。其中NOR Flash的特點是具有獨立的數據總線和地址總線，它的讀時序和SRAM完全一致。所以可以直接存放程序代碼，程序也可直接在Flash上運行。NAND Flash的高低位地址、數據復用同一接口，程序需先下載至RAM中才能運行。S3C2410中集成了NAND Flash控制器，它可以在啟動時將NAND Flash中的4KB啟動代碼硬件拷貝到內部SRAM啟動緩沖區(qū)(Stepping-Stone)中運行。從S3C2410的內部硬件構成可知，它可以自動完成拷貝、ECC校驗編解碼、錯誤處理等所有工作，NAND Flash的非線性特征己經被完全屏蔽了。由于配有硬件ECC校驗器，不但極大的提高了Flash的讀寫效率。而且使NAND Flash的硬件接口設計變得十分簡單。由于篇幅所限，這里就不給出具體的電路圖了。

　　5、接口電路設計

　　微波功率調理模塊包括RS232接口、USB接口和LAN接口。三種接口均是標準的計算機接口，便于系統(tǒng)集成。RS232是應用最早、也是目前應用最為廣泛的標準串行總線接口之一。雖然RS232接口的傳輸速度慢，有效距離近，但是它占用的系統(tǒng)資源少，接口成本低，所以模塊中標配了RS232接口。USB接口傳輸速度快、功耗低，具有良好的兼容性，是現在廣泛應用的一種串行計算機總線。由于它“即插即用”，無需關機、重啟就可以實現連接，在系統(tǒng)集成中尤其方便。LAN接口可以方便的實現遠程、大量數據的、傳輸，在遠程控制應用中具有不可比擬的優(yōu)勢。當模塊需要工作在惡劣環(huán)境時，LAN接口的這種遠程控制功能就必不可少。

　　5.1 RS232接口電路設計

　　S3C2410內部具有3個獨立的UART控制器，每個控制器都可以工作在中斷模式或DMA模式，也就是說UART控制器可以在CPU與UART控制器傳送數據的時候產生中斷或DMA請求。并且每個DART均具有16字節(jié)的FIFO(先入先出寄存器)，支持的最高波特率可達到230.4Kbps。若用RS-232總線進行通信，則需外接電路實現電平轉換。在發(fā)送端需要用驅動電路將TTL電平轉換成RS-232C電平，在接收端需要用接收電路將RS-232C電平轉換為TTL電平，電平轉換器采用MAX232芯片。 MAX232芯片是MAXIM公司專為RS-232收發(fā)設計的一款集成電路。它結構簡單，只需要將對應接口與之相連，單一的+5V供電和5個1.0μF的電容就可以實現電平之間的轉換。

　　5.2 USB接口電路設計

　　USB的全名為Universal Serial Bus，即“通用串行總線”。S3C2410內置USB Device控制器。USB接口總共4根線:電源、地、差分數據線，硬件上只需要將對應的線聯接即可。電路如圖4所示。

　　圖4 USB接口電路連接關系

　　5.3 LAN接口電路設計

　　以太網既是一種計算機接入局域網絡的連接標準，又是一種網絡互聯設備數據共享的通信協議。

　　網絡接口可用的芯片種類比較多，本模塊采用的接口芯片是Ax88796。Ax88796是臺灣Asix公司推出的NE2000兼容快速以太網控制器。其內部集成10/100 Mb/s自適應的物理層收發(fā)器和8K×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多種CPU總線類型。Ax88796的CPU[1：0]兩個輸入引腳用來設置與不同CPU總線連接時Ax88796的工作模式。包括摩托羅拉控制器總線模式、X86總線模式、ISA模式。S3C2410的讀寫線分離，屬于X86模式，所以這里AX88796也接成X86模式。數據線、地址線和S3C24