基于MSP430F169的水聲遙控發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

郝 雯

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

作為水聲通信技術(shù)的一種應用，水聲遙控技術(shù)的發(fā)展與水聲通信技術(shù)息息相關(guān)。近年來,PSK以及MPSK、DPSK（相移差鍵控）等被用于高通信速率場合中的信道編碼，已成為當前水聲通信領(lǐng)域的主要研究方向之一，被國外很多系統(tǒng)應用。水聲通信技術(shù)近年來由非相干通信向相干通信的方向發(fā)展，并且隨著數(shù)字電路及信號處理芯片計算能力的提高，水聲通信系統(tǒng)的調(diào)制方式、信號處理方法等都逐漸采用各種高端復雜的技術(shù)，比如自適應均衡技術(shù)、空間調(diào)制技術(shù)、分集接收技術(shù)、盲均衡技術(shù)等。近二十年來，水聲遙控技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。我國已經(jīng)能夠以200～400 bit/s的速率在2 kHz帶寬內(nèi)利用時延編碼和實時信道標校技術(shù)實現(xiàn)水聲信號數(shù)字傳輸，它的特點是中低速率，沿水平方向中等作用距離的低誤碼率。

水聲遙控系統(tǒng)主要向著以下幾個方向發(fā)展：1)靈活性好，系統(tǒng)能夠適應海灣、河流入海口等近?；鞚釁^(qū)域和深海遠洋海域。2)體積變小，系統(tǒng)體積小、重量輕，便于攜帶，有利于產(chǎn)品的使用和推廣。3)可靠性高，系統(tǒng)能夠準確的完成遙控指令信號的傳送、接收和判決。對于需要長期在水下作業(yè)的系統(tǒng)，超低功耗已也成為水聲遙控系統(tǒng)的重要研究研究方向，本設(shè)計采用超低功耗的MSP430F169的單片機進行設(shè)計，使系統(tǒng)工作時間增長，減少了由于更換電池而帶來的人力物力的浪費；采用編碼調(diào)制信號并且可以提高系統(tǒng)功能的可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

遙控發(fā)射系統(tǒng)硬件部分由信號產(chǎn)生電路，D類功放電路等組成；信號產(chǎn)生電路主要采用以MSP430 F169為核心的最小系統(tǒng)電路，MSP430 F169最小系統(tǒng)主要由主控MCU、電源、復位電路、時鐘電路、JTAG調(diào)試電路等模塊組成。電源模塊為MCU及各外圍模塊提供電源，時鐘模塊為MCU提供時鐘源，JTAG接口用于單片機的程序調(diào)試和仿真。D類（丁類）功率放大器也稱數(shù)字功放，它是用音頻信號的幅度去線性調(diào)制高頻脈沖的寬度，與模擬功放的主要差別在于功率管的工作狀態(tài)，它采用PWM（脈寬調(diào)制）原理設(shè)計，功率管工作在開關(guān)狀態(tài)。

2 MSP430最小系統(tǒng)電路設(shè)計

MSP430F16x系列是TI的MSP430F1x系列（FLASH存儲器型）單片機中功能最強大的子系列。MSP430F16x具有更大的程序和數(shù)據(jù)存儲區(qū)、更多的外圍模塊[1]，其片內(nèi)甚至還包括一個硬件乘法器。與此同時該系列單片機的開發(fā)工具簡便，內(nèi)置DMA和D/A轉(zhuǎn)換模塊，其具有豐富的片內(nèi)外圍，性價比極高，所以本題目采用這個型號作為微處理器。

MSP430F16x系列是超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機。它采用"馮-紐曼"結(jié)構(gòu)，RAM、ROM和全部外圍模塊均位于同一個地址空間內(nèi)。它的體系結(jié)構(gòu)由五種低功耗模式組成，最優(yōu)化降低了系統(tǒng)功耗。MSP430x15x/16x/161x系列處理器片內(nèi)有二個固定16 位定時器、8路快速的12位A/D轉(zhuǎn)換器、雙路8/12位D/A轉(zhuǎn)換器、兩個通用連續(xù)同步/非同步通信接口(USART)、I2C、DMA。

2.1 電源電路

對于MSP430F169[2]最小系統(tǒng)來說，MSP430F169及其部分外圍模塊需要3.3V電源，其他模塊則需要5V電源。為了給系統(tǒng)供電方便，可以使用電源轉(zhuǎn)換芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓。設(shè)計采用芯片AMS1117—3.3來進行DC—DC電壓轉(zhuǎn)換，其中，三個電容用來進行穩(wěn)壓濾波，使得系統(tǒng)電源穩(wěn)定，用LED用來指示電源狀態(tài)。

圖1 電源電路示意圖Fig. 1 diagram of the power-supply module

2.2 晶振電路

單片機MSP430F169的時鐘模塊有數(shù)字控制振蕩器DCO、低速晶體振蕩器、高速晶體振蕩器3個時鐘源，這些時鐘模塊可產(chǎn)生MCLK（主系統(tǒng)時鐘）、SMCLK（子系統(tǒng)時鐘）和ACLK（輔助時鐘）3種不同頻率的時鐘，系統(tǒng)可以通過軟件根據(jù)具體需求來選擇不同的時鐘以滿足不同模塊的需求[3]。數(shù)字控制振蕩器DCO，集成在MSP430F169內(nèi)部。當外部振蕩器失效時，系統(tǒng)會自動選擇DCO振蕩器為MCLK時鐘源。高速晶體振蕩器XT2可外接450 kHz～8 MHz的晶體振蕩器。

圖2 晶振電路示意圖Fig. 2 diagram of crystal oscillator

2.3 復位電路

微控制器正常工作時該引腳將處于高電平才能正常工作。在系統(tǒng)中，復位電路主要完成系統(tǒng)的上電復位和系統(tǒng)在運行時用戶的按鍵復位，復位電路可由簡單的RC電路構(gòu)成，也可使用其的相對較復雜，但功能更完善的電路。在這里采用簡單的由電阻、電容、二極管構(gòu)成的RC復位電路。經(jīng)使用證明，其復位邏輯是可靠的。

2.4 JTAG電路

MSP430F169具有60KB可電擦寫的FLASH存儲器和JTAG調(diào)試接口，可先將編譯好的程序通過JTAG接口下載到FLASH內(nèi)[4]，然后通過JTAG接口進行程序控制，讀取片內(nèi)CPU狀態(tài)及存儲器內(nèi)容等為設(shè)計者調(diào)試提供便利，整個編譯、調(diào)試過程均在同一個軟件集成環(huán)境中進行，不需要專門的仿真器和編譯器，這種JTAG調(diào)試、FLASH技術(shù)和集成開發(fā)環(huán)境相結(jié)合的開發(fā)方式，具有實用、便捷、價格便宜等優(yōu)點。

圖3 JTAG調(diào)試接口示意圖Fig. 3 diagram of JTAG

2.5 鍵盤控制及數(shù)碼管顯示電路

對于本次設(shè)計，需要對系統(tǒng)進行控制使其產(chǎn)生不同的信號，并顯示產(chǎn)生的信號，這就需要用到鍵盤和LED顯示。本設(shè)計要產(chǎn)生6個信號，為了使設(shè)計方便，簡化電路，采用獨立按鍵式鍵盤。這種鍵盤是直接用MSP430的I/O端口線構(gòu)成單個的按鍵電路，每個按鍵獨立的占用一根I/O線，每個按鍵的工作狀態(tài)相互獨立，不受其他I/O線的影響。對于顯示部分，采用七段數(shù)碼管即可完成。

3 D類功放電路

由MSP430F169直接產(chǎn)生的信號的功率很小，信號需要經(jīng)功率放大后發(fā)出去，以保證能夠傳輸足夠遠的距離，這就離不開功率放大器。

功放電路設(shè)計采用LM353對信號經(jīng)行放大和反相，通過比較器LF395進行信號進行比較產(chǎn)生方波驅(qū)動功放管，同時對導通時間進行控制，避免了兩只功率管同時導通燒毀電路的情況出現(xiàn)。對于功率的放大選用VMOS管IRFP250來完成，用變壓器完成功率的合成及電路匹配。

4 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

4.1 編碼設(shè)計

海洋中存在的眾多不定因素使水聲信道變得異常復雜。隨機起伏的海面與地況不明的海底；海水中存在的大量的魚群、浮游生物、氣泡層、渦流、層流、不同溫度的水團；隨著溫度、鹽度、深度等不斷變化的聲波傳播速度；各種風雨、波浪、生物與傳播噪聲等均對聲波在海水中的傳播有巨大影響，因此，對于水下聲信號的傳播的研究面臨巨大的困難。

水聲遙控信號在水中傳播，受到水聲信道特性的影響，會產(chǎn)生一定的干擾，甚至會出現(xiàn)信號畸變，為了解決這一問題，接合水聲信道的特性，常用的兩種非相干的信號調(diào)制方式頻移鍵控(FSK)、多進制數(shù)字頻率調(diào)制(MFSK)[5]。MFSK是FSK的多進制調(diào)制方式，與FSK相比它有較高的傳信率，適用于高速傳輸?shù)南到y(tǒng)，但是其信道利用率降低。本次設(shè)計采用MFSK調(diào)制方式進行編碼，但是為了降低干擾，抵抗水聲信道的多途效應，在信號之間添加了一定的碼元保護時間，很方便有效地解決了這一問題。

對于本次設(shè)計，要求系統(tǒng)工作頻率為25～35 kHz，脈沖寬度為1 ms，脈沖間隔為100 ms，在工作頻率范圍內(nèi)選擇3個不同的頻率進行編碼。

編碼規(guī)則如下：

1)選用3個頻率的正弦波信號f1=26 kHz，f2=30 kHz，f3=34 kHz，一種頻率在一個指令碼中只出現(xiàn)一次，以便于多種情況下準確識別碼元的填充頻率，降低誤碼率，通過不同頻率的碼元的順序來分辨不同的信號；

2)單個碼元持續(xù)時間為1ms，碼元間隔為100 ms；

3)對于3個頻率的編碼信號，每次只要發(fā)射兩個填充不同頻率的碼元即完成信號的識別。

遙控分系統(tǒng)的工作頻率分別為：f1=26 kHz，f2=30 kHz，f3=34 kHz

當航模的運動速度為v時，接收到的信號的多普勒頻移最大為：

當航模的運動速度為5 m/s是，多普勒頻移為0.23 kHz，遠小于這4個頻率的最小間隔(4 kHz)，不影響遙控數(shù)據(jù)的解碼。

通過單片機MSP430F169內(nèi)部的DMA和D/A來產(chǎn)生不同頻率的正弦波信號。對于本次設(shè)計系統(tǒng)要求的三種不同頻率的信號，需要分別對它們進行采樣，采樣的點數(shù)需要根據(jù)系統(tǒng)時鐘頻率及DMA控制器像DAC12傳輸數(shù)據(jù)的速率來決定[6-8]。對于數(shù)據(jù)的采樣，可在碼元持續(xù)時間內(nèi)對所有周期進行采樣， DMA控制器可以按照一定的頻率連續(xù)不斷地將這些采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻AC12模塊，經(jīng)DAC12轉(zhuǎn)換輸出對應的正弦波形。DMA控制器傳輸數(shù)據(jù)不需要CPU的參與，CPU可獨立于各種低功耗模式。但是需要注意，DMA控制器的傳輸速度要比DAC12處理數(shù)據(jù)的速度快，所以當使用DMA控制器的時候，應避免DMA控制器和DAC12操作不一致。

4.2 鍵盤掃描及數(shù)碼管顯示

設(shè)計選用的按鍵通過機械觸點的閉合與斷開來控制輸入點信號的產(chǎn)生。由于機械觸點的彈性作用使得它在斷開或閉合的瞬間會產(chǎn)生抖動，進而使產(chǎn)生的電壓波形如圖4所示。

圖4 按鍵斷開、閉合時電壓抖動波形Fig. 4 diagram of voltage waveform

為了保證系統(tǒng)對一次按鍵按下只作一次處理，需要采取措施消除抖動的影響。對于這個問題，一般采用軟件方法去抖動，在編程過程中，當判斷有鍵按下時加入一定時間的延時子程序，然后再次確定按鍵是否被按下。如果再次確認的結(jié)果仍然處于被按下的狀態(tài)，則再做該鍵按下的相應處理，這樣就可以避開抖動的時間段，消除抖動影響。

對于數(shù)碼管靜態(tài)顯示，數(shù)碼管每一位的字選線與一個8位端口相連，只要在該位的字選線上出現(xiàn)字形碼，就可以顯示出相應的字符[9]。一般顯示程序并不直接將段碼賦值給對應端口，而是建立一張段碼表，顯示時以所要顯示的數(shù)字為索引查詢這張表格。

4.3 系統(tǒng)編程

對于本系統(tǒng)來說，其程序框圖如圖5所示，根據(jù)框圖完成系統(tǒng)編程。通過對鍵盤進行掃描，來判斷是否有按鍵按下以及按下的按鍵是第幾個，如果按鍵按下，根據(jù)所按的按鍵來輸出相應的信號并進行顯示。不同頻率的信號其采樣點不同，對于2 6kHz、30 kHz、34 kHz的信號，它們的采樣點分別為一周期內(nèi)22個、20個、19個,當有按鍵按下時，DMA向DAC12傳輸相應的采樣數(shù)據(jù)，產(chǎn)生所要求的信號。此外，在系統(tǒng)初始化時要開啟8 MHz晶振。

圖5 系統(tǒng)程序框圖Fig. 5 diagram of system program

5 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)要求兩個填充不同頻率的脈沖之間的間隔為100 ms，脈沖寬度為1ms。將編寫的程序編譯下載到MSP430F169，給系統(tǒng)上電，MSP430F169輸出端的波形如圖6（a）所示，不同的遙控信號在示波器中的顯示情況是一樣的，再次不一一列舉。圖中示波器時間單位為50 ms，兩脈沖間隔為100 μs，滿足設(shè)計要求。圖6（b）、（c）、（d）所示為MSP430F169產(chǎn)生的不同頻率的脈沖信號。圖中示波器的時間單位為200 μs，脈沖信號的脈寬為1 ms，滿足設(shè)計要求。

6 結(jié) 論

該設(shè)計主要從MFSK編碼的基本原理入手，選用比較常用的MSP430F169微功耗單片機作為處理器，進行水聲遙控發(fā)射系統(tǒng)的理論研究及軟硬件實現(xiàn)。電路經(jīng)調(diào)試編程后可以準確的完成不同信號的產(chǎn)生、選擇及顯示。在水池實驗里，對 相應的接收設(shè)備進行控制，操作簡單，誤碼率小，達到了預期目標。

圖6 MSP430F169輸出端的波形Fig. 6 diagram of The MSP430F169 output waveform

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