MSP430單片機(jī)在水聲應(yīng)答釋放器中的應(yīng)用

楊家庚，孫 昕

（中國人民解放軍91439部隊(duì) 遼寧 大連 116041）

水聲應(yīng)答釋放器是合作目標(biāo)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵控制單元之一。應(yīng)答釋放器長時(shí)間布放在水下，接收水上系統(tǒng)的控制指令，通過單脈沖的接收和發(fā)射完成測(cè)距。水聲應(yīng)答釋放器的功能通常還包括深度（壓力）遙測(cè)、狀態(tài)自檢和自主釋放回收等[1-2]。

海上應(yīng)用條件惡劣，使用要求復(fù)雜，應(yīng)答釋放器往往需要在滿足規(guī)定的應(yīng)答工作時(shí)間之外，具有很長的待機(jī)等待時(shí)間。為此，實(shí)用的應(yīng)答釋放器除了器件的選型和電路低功耗設(shè)計(jì)外，往往都采用值更和工作兩種狀態(tài)來進(jìn)一步降低功耗：在工作狀態(tài)下，開啟DSP運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)可靠的高精度應(yīng)答測(cè)距；在值更狀態(tài)下，關(guān)閉一切不必要的電路，僅僅檢測(cè)水上系統(tǒng)的控制指令，并給出回復(fù)。

由于應(yīng)答釋放器長時(shí)間工作在值更狀態(tài)下，所以值更電路的功耗成為了首要問題，采用低功耗的單片機(jī)MSP430F5438有效解決了系統(tǒng)對(duì)功耗的要求問題[3-4]。

1 應(yīng)答釋放器值更電路硬件設(shè)計(jì)

1.1 MSP430F5438單片機(jī)的性能特點(diǎn)

MSP430F5438是TI公司一種具有超低功耗特性的功能強(qiáng)大的單片機(jī)，具有以下特點(diǎn)[5-6]：

1）超低功耗

MSP430F5438運(yùn)行在1 M時(shí)鐘、2.2 V供電條件下，工作電流為 165 μA，超低功耗。

2）強(qiáng)大的處理能力

MSP430F5438具有18 M系統(tǒng)時(shí)鐘；具有豐富的尋址方式，但只需簡潔的27條指令，片內(nèi)寄存器數(shù)量多，存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)算；有高效的查表處理方法；內(nèi)部中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用靈活方便。

3）豐富的片上外圍模塊

外圍模塊包括：12位A/D、精密模擬比較器、硬件乘法器、兩組頻率可達(dá)8 M的時(shí)鐘模塊、兩個(gè)帶大量捕獲/比較器的16位定時(shí)器、看門狗、兩個(gè)可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問的串行通信接口、數(shù)十個(gè)可實(shí)現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等。

4）大量的存儲(chǔ)空間

MSP430F5438是FLASH型的單片機(jī)，有多達(dá)256 kB FLASH ROM和16KB RAM。

MSP430F5438單片機(jī)的強(qiáng)大功能和超低功耗為實(shí)現(xiàn)應(yīng)答釋放器的各項(xiàng)功能提供了基礎(chǔ)。

1.2 值更電路硬件框圖

值更電路的作用是接收遙控指令，并根據(jù)遙控指令做出相應(yīng)的反應(yīng)。水面遙控指令主要有：開機(jī)、待機(jī)、釋放、自檢等。其中，開機(jī)是將應(yīng)答釋放器的DSP電路加電，準(zhǔn)備進(jìn)行高精度應(yīng)答測(cè)距；待機(jī)是將應(yīng)答釋放器的DSP電路關(guān)閉，重新返回低功耗值更狀態(tài)；釋放指令打開釋放勾，解脫沉塊，使收發(fā)機(jī)上浮回收；自檢指令使收發(fā)機(jī)進(jìn)行壓力（深度）檢測(cè)和電源檢測(cè)，通過水聲通信上傳。因此，除了外部信號(hào)輸入、指令發(fā)射控制和JTAG調(diào)試端口外，MSP430F5438單片機(jī)還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各類電源的監(jiān)控和管理、壓力數(shù)據(jù)的采集、釋放機(jī)構(gòu)的控制等。另外，RS232端口用于實(shí)驗(yàn)室和水面調(diào)試時(shí)與PC機(jī)的通信，I2C實(shí)現(xiàn)與DSP工作電路的數(shù)據(jù)通信。值更電路的硬件框圖如圖1所示。

圖1 值更電路硬件框圖Fig.1 Hardware diagram of watching circuit

1.3 數(shù)據(jù)輸入端口分配

外部信號(hào)采集、電源監(jiān)控和壓力傳感器數(shù)據(jù)都是經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后送到MCU進(jìn)行處理的?？紤]到系統(tǒng)的功耗和復(fù)雜程度，ADC選用MCU內(nèi)部集成的12 bit的ADC，電氣連接關(guān)系如表1所示。

表1 值更電路數(shù)據(jù)輸入端口電氣連接關(guān)系表Tab.1 Electric connect relation of I/O port in watching circuit

其中，信號(hào)是由外部寬帶接入，經(jīng)片內(nèi)ADC后進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部，做兩路窄帶濾波后，分別針對(duì)RZ-BFSK數(shù)字通信方式的兩路遙控指令頻點(diǎn)。電源電壓經(jīng)過一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)之后，送到MCU，在電源電壓低到閾值時(shí)給出電源不足報(bào)警信號(hào)。

1.4 電源管理接口設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)水聲應(yīng)答釋放器的低功耗，對(duì)工作模塊電源、釋放機(jī)構(gòu)電源、壓力傳感器電源和功放電源實(shí)行嚴(yán)格管理，系統(tǒng)只有在收到指令后，才開啟相應(yīng)模塊的電源。電源控制采用電平觸發(fā)模式，其電氣連接關(guān)系如表2所示。

表2 電源管理接口電氣連接關(guān)系表Tab.2 Electric connect relation of power supply management I/O port

1.5 其 他

為提高系統(tǒng)可靠性，增加基于MAX6369的低功耗硬件看門狗，在3.3 V電源時(shí)供電電流8 μA；為了提高發(fā)射機(jī)的效率，功率放大器工作在D類模式下，采用對(duì)稱方波驅(qū)動(dòng)，由MCU直接產(chǎn)生，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度；為在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)水聲應(yīng)答釋放器調(diào)試和參數(shù)設(shè)置，設(shè)計(jì)了RS232數(shù)據(jù)傳輸接口。

2 水聲應(yīng)答釋放器值更電路軟件設(shè)計(jì)

2.1 值更電路軟件流程

應(yīng)答釋放器的值更管理功能包括：水聲通信命令碼組檢測(cè)、水聲通信命令解釋、水聲通信編碼發(fā)射、電源管理、釋放機(jī)構(gòu)管理和設(shè)置DSP參數(shù)等。軟件流程如圖2所示。

圖2 值更電路軟件流程Fig.2 Flow chart of watching circuit

以下為主程序的部分初始化代碼

2.2 水聲命令檢測(cè)

對(duì)于應(yīng)答釋放器的值更電路，最大的挑戰(zhàn)在于對(duì)水聲命令的可靠檢測(cè)和水聲通信脈沖的確認(rèn)。在MSP430F5438中對(duì)信號(hào)的檢測(cè)采用Notch濾波器能量檢測(cè)法[7-9]。其算法為：

信號(hào)包絡(luò)輸出幅度：

噪聲門限采用自適應(yīng)門限。

由于MSP430F5438的核時(shí)鐘頻率為18 MkHz，處理性能比DSP專用數(shù)字處理芯片差很多，采取以下措施使其實(shí)現(xiàn)兩路Notch濾波檢測(cè)：

1）采用求絕對(duì)值的方法來代替包絡(luò)輸出，同時(shí)避免了計(jì)算溢出；

2）用濾波器平滑算法代替均值平滑算法；

3）對(duì)其中一路信號(hào)采用4倍采樣。

2.3 水聲命令脈沖挑選

由于水聲多途的影響，包含規(guī)定碼元的命令信號(hào)通過水聲信道后到達(dá)水聲收發(fā)機(jī)時(shí)往往會(huì)多于規(guī)定的脈沖，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)碼間干擾。因此需要對(duì)采集的脈沖信息進(jìn)行挑選，然后再判定屬于哪路命令。

設(shè)得到的脈沖序列用 p（0）、p（1）、p（2）、…、p（N）來表示，如果是一個(gè)正確的命令，那么各個(gè)脈沖起點(diǎn)與第一個(gè)脈沖起點(diǎn)存在下述關(guān)系：

考慮到傳播途徑對(duì)信號(hào)的影響，上式變?yōu)椋?/p>

即：

根據(jù)碼元間距和奇偶校驗(yàn)位來挑選水聲通信命令脈沖的流程如圖3所示。

圖3 水聲通信命令脈沖挑選流程圖Fig.3 Flow chart of selecting acoustic command

3 結(jié) 論

基于MSP430F5438微處理器的應(yīng)答釋放器值更電路設(shè)計(jì)，通過科學(xué)合理的電源管理、簡潔高效的水聲信號(hào)處理和命令檢測(cè)軟件，達(dá)到了低功耗、高可靠的值更功能，經(jīng)使用驗(yàn)證待機(jī)時(shí)間大于30天。同時(shí)，其發(fā)射控制和釋放回收功能在應(yīng)答釋放器的實(shí)際使用中也得到了充分的驗(yàn)證。

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