基于MSP430單片機(jī)的窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)

黨朝發(fā)等

摘 要： 針對(duì)窄帶無線電臺(tái)模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信息所存在的局限性問題，研究設(shè)計(jì)了基于MSP430單片機(jī)為核心的窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，充分利用MSP430系列單片機(jī)的主要特點(diǎn)功能，分析研究窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的基本組成結(jié)構(gòu)和部分硬軟件設(shè)計(jì)技術(shù)方案。在通信電路、數(shù)據(jù)處理、調(diào)制解調(diào)、電源管理和抗干擾及傳輸距離等方面做了較深入的研究探析，實(shí)現(xiàn)在短波、超短波窄帶無線電臺(tái)的模擬信道上進(jìn)行較高速率的數(shù)據(jù)通信，提高了信息傳輸?shù)乃俣龋龃罅诵畔鬏數(shù)娜萘?，增?qiáng)了信息傳輸?shù)目煽啃?，為窄帶無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的研究應(yīng)用及發(fā)展提供了重要的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞： MSP430單片機(jī)； 窄帶無線電臺(tái)； 數(shù)據(jù)通信； 串口通信

中圖分類號(hào)： TN919.72?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）18?0068?04

Abstract： Aiming at the boundedness of analog channel of narrowband radio station in the process of data transmission， a narrowband wireless data transmission module based on MSP430 was designed. The basic parts of the narrow?band wireless data transmission module structure and the design scheme of the partial hardware/software design technology are analyzed， especially in the fields of communication circuit， data processing， MDM， transmission distance， power management and anti?jamming. Moreover， it makes full use of the main characteristics of MSP430 series MCU functions. It achieved high speed data communication on SW or USW narrowband wireless analog channel， increased the speed， capacity and reliability of information transmission. It plays an important guiding role in application and development of narrowband wireless data communication system.

Keywords： MSP430； narrow?band radio station； data communication； serial communication

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用越來越重要，特別是由短波、超短波窄帶無線電臺(tái)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸模塊等單元所構(gòu)成的窄帶無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，在軍事、工業(yè)、交通等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問題。為了提高信息傳輸?shù)挠行裕疚脑O(shè)計(jì)了一種基于MSP430系列單片機(jī)為核心的窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，重點(diǎn)研究了數(shù)據(jù)傳輸模塊的主要組成結(jié)構(gòu)、功能特性及電路設(shè)計(jì)等問題，能夠?yàn)檎瓗o線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的研究、應(yīng)用與發(fā)展用提供重要的依據(jù)。

1 MSP430系列單片機(jī)主要性能特點(diǎn)

MSP430系列單片機(jī)[1]具有16位RISC結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的內(nèi)核指令和大量的模擬指令及高效的查表處理方法，使用指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的仿真指令，可以提高指令的執(zhí)行速度和效率，增強(qiáng)實(shí)時(shí)處理能力；具有可參加多種運(yùn)算的大量寄存器及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)及外圍模塊的運(yùn)行控制信息，其寄存器和常數(shù)發(fā)生器使其微控制器能達(dá)到最高的代碼效率；外圍模塊經(jīng)過存儲(chǔ)器地址總線、數(shù)據(jù)總線、中斷服務(wù)及請(qǐng)求線與CPU相連，并有時(shí)鐘模塊、定時(shí)器、比較器、通用同步/異步串口I/O、硬件乘法器、驅(qū)動(dòng)器、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、I/O端口及DMA控制器等外圍模塊組合；具有精確靈活的時(shí)鐘源和器件較低的功率消耗、較高的運(yùn)行速度及其強(qiáng)大的處理能力。MSP430系列單片機(jī)中的MSP430F149單片機(jī)的基本功能及其諸多片內(nèi)外設(shè)，為數(shù)據(jù)傳輸模塊的研究及解決方案提供了極大的方便。MSP430F149單片機(jī)[2]的主要功能結(jié)構(gòu)見圖1。

2 主要設(shè)計(jì)技術(shù)方案

窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的基本任務(wù)是完成窄帶無線電臺(tái)（通信終端）模擬信道與計(jì)算機(jī)（信息終端）之間的信息轉(zhuǎn)換處理與交換控制功能，主要依托MSP430F149單片機(jī)與相關(guān)集成電路及其外圍電路所構(gòu)成的數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有數(shù)據(jù)處理快、計(jì)算量大、符合通信協(xié)議及體積小、功耗低、電路簡(jiǎn)單和運(yùn)行效率高等特點(diǎn)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)短波、超短波窄帶無線電臺(tái)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。

窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊[4]主要由單片機(jī)接口電路、收發(fā)控制電路、微處理器電路（信息存儲(chǔ)、處理、控制等）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、調(diào)制解調(diào)電路、電平轉(zhuǎn)換電路、電源管理電路等構(gòu)成。窄帶無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)（信息終端）、數(shù)據(jù)傳輸模塊、短波或超短波窄帶無線電臺(tái)（通信終端）等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 基本工作原理

窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊通過配置特殊的存儲(chǔ)器及控制指令，可使系統(tǒng)[4]在串口同步通信方式下工作，其數(shù)據(jù)信息的發(fā)送過程是以高速輸入并于中低速輸出（電臺(tái)），而數(shù)據(jù)信息的接收過程則以中低速輸入，以高速輸出（計(jì)算機(jī)），采用MSP430F149的P1口控制收/發(fā)轉(zhuǎn)換電路，使模塊工作在不同的模式。當(dāng)工作在發(fā)送方式時(shí)，對(duì)相應(yīng)的接口進(jìn)行控制，并在驅(qū)動(dòng)程序的作用下，發(fā)送時(shí)CPU請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送地址和有效載荷數(shù)據(jù)送給轉(zhuǎn)換電路，電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)，然后再將要傳輸?shù)陌l(fā)送信息經(jīng)過輸出端口發(fā)射出去；接收時(shí)，電臺(tái)處于收信，通過輸入端口進(jìn)來的信息經(jīng)接口控制，則接收地址和有效載荷數(shù)據(jù)送入轉(zhuǎn)換電路，此時(shí)，接收信息經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后經(jīng)串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行接收。MSP430F149具有通用的串行通信接口，它允許多位串行數(shù)據(jù)流以預(yù)設(shè)的速率及外部時(shí)鐘確定的速率移入、移出MSP430F149。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過收發(fā)轉(zhuǎn)換器，其速率與串口的傳輸速率相同，由UART0接收與發(fā)送；單片機(jī)與無線電臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過收發(fā)轉(zhuǎn)換器及相應(yīng)的設(shè)置，其速率與無線電臺(tái)的傳輸速率相同，由UARTl接收與發(fā)送。

2.2 串口通信電路

以MSP430F149為核心的窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊提供了透明的數(shù)據(jù)接口，適合于任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶通信協(xié)議。串行通信只需較少的端口就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)（數(shù)據(jù)傳輸模塊）與計(jì)算機(jī)及窄帶 無線電臺(tái)之間的通信，具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。通信中的信息發(fā)送可以通過串行通信方式與計(jì)算機(jī)的串口相接，計(jì)算機(jī)串行接口[5]采用的是RS 232標(biāo)準(zhǔn)的電平和邏輯關(guān)系，而MSP430F149單片機(jī)采用的是TTL電平和邏輯關(guān)系。由于RS 232和TTL各自規(guī)定了自己的電氣標(biāo)準(zhǔn)，互不兼容，因此，RS 232與TTL電路接口時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用MAX323系列驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片是一款低功耗寬電壓供電的通信芯片，可以完成TTL電平與RS 232電平之間的轉(zhuǎn)換及串口通信控制。通過計(jì)算機(jī)與單片機(jī)內(nèi)部提供的串口通信模塊，配合接口電路軟件驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換芯片MAX323及其外圍工作電容和電壓源穩(wěn)壓電容與相應(yīng)電阻器件的設(shè)計(jì)，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)串口通信及數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌l(fā)收控制，同時(shí)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的狀態(tài)指示燈DS1和DS2，以指示串口和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸情況。

2.3 通信協(xié)議

窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊中的單片機(jī)能夠提供2個(gè)串口和2種接口方式，COM1為UART0接口，自定義為RS 232接口用于計(jì)算機(jī)與單片機(jī)輸出輸入端口的通信傳輸；COM2為UART1接口，用于單片機(jī)與無線電臺(tái)之間的通信傳輸。計(jì)算機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)RS 232串口與數(shù)據(jù)傳輸模塊的相互連接，采用雙工通信方式，按照標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，其串口的數(shù)據(jù)傳輸速率為57 600 b/s，每幀格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，在通信控制程序的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)算機(jī)向數(shù)據(jù)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)置為發(fā)送狀態(tài)，其余時(shí)隙則自動(dòng)設(shè)置為接收狀態(tài)，輸出端接口波特率即數(shù)據(jù)傳輸速率，根據(jù)短波和超短波窄帶無線電臺(tái)的信道帶寬選擇而設(shè)定。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的控制作用下，模塊傳輸信息量的大小可通過軟件編程進(jìn)行分段打包及斷續(xù)發(fā)送接收的方式進(jìn)行。

2.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路

在數(shù)據(jù)通信過程中，窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊必須對(duì)傳輸信息進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)/模（D/A）和模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換后才能正常使用。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，主要使用單片機(jī)內(nèi)部自帶的SD16位的數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，并通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)16位數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理功能。轉(zhuǎn)換模塊主要實(shí)現(xiàn)波形與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，Timer對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，從而提高時(shí)鐘頻率，使數(shù)/模及模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)能有更快的采樣率或轉(zhuǎn)換速度，以保持轉(zhuǎn)換的精度，實(shí)現(xiàn)更高頻率的波形產(chǎn)生。在外部使用可編程控制放大器對(duì)波形進(jìn)行調(diào)整，利用濾波器對(duì)波形進(jìn)行優(yōu)化，以滿足更高精度和更好波形的要求。

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊主要利用單片機(jī)內(nèi)部的FLASH存儲(chǔ)器，存放Bootloader、模塊驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序等。為確保系統(tǒng)能夠傳輸較大容量的信息，并防止系統(tǒng)通信過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛?，使信息無法發(fā)送出去從而造成數(shù)據(jù)的丟失。在設(shè)計(jì)中采用了IS62LV系列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及外圍器件，使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有較大的容量（設(shè)計(jì)容量為64 KB）和較低的功耗、高可靠性及高速率的數(shù)據(jù)存取功能。在發(fā)送信息時(shí)將計(jì)算機(jī)送來的信號(hào)信息首先經(jīng)過輸入緩存后并進(jìn)行放大，然后再經(jīng)單片機(jī)中微處理器內(nèi)部的SD16進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后把數(shù)據(jù)存入專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；在接收信息時(shí)將無線電臺(tái)傳送來的信息送入SD16進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和緩存，然后再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入專用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

2.6 調(diào)制解調(diào)電路

在窄帶無線信道上，通常存在有較為嚴(yán)重的各種電磁干擾，因此在數(shù)據(jù)通信時(shí)，如果采用PSK，ASK等調(diào)制方式，將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼率增大、可靠性降低。因此，在窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)方案中，選用了CMX469系列芯片完成信息傳輸過程中的調(diào)制與解調(diào)功能，并利用了單片機(jī)內(nèi)部自有抗干擾能力強(qiáng)的GFSK高斯頻移鍵控調(diào)制方式，它能有效地克服窄帶無線數(shù)據(jù)通信過程中，由于存在各種干擾所造成的誤碼。同時(shí)，為有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率，選取了對(duì)調(diào)制方式更加有利的同步通信方式，這與異步傳輸方式相比，其窄帶無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率提高了20%左右。

2.7 電源管理電路

電源是窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊單元集成的重要部分之一。在設(shè)計(jì)中，為了減少體積，增加使用的方便性，采用了計(jì)算機(jī)主板上的USB或內(nèi)部其他相應(yīng)的5 V電源供電和電臺(tái)內(nèi)部相應(yīng)的5 V電源供電。運(yùn)用電源管理的方法對(duì)電源進(jìn)行分配，主要使用AMS1117系列電源開關(guān)作電源控制，在整個(gè)電路中通過整流變換、穩(wěn)壓濾波等方式，將提供的5 V電源轉(zhuǎn)換成電路中所需要穩(wěn)定可靠的（5±0.5） V電源等，并通過單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)控制電源的使用，充分提高了電源的利用率，有效降低了數(shù)據(jù)傳輸模塊的功耗。

3 主要軟件設(shè)計(jì)

在MSP430系列單片機(jī)中應(yīng)用C語言編程[6]時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)C語言編程具有較高的兼容性，且在軟件設(shè)計(jì)過程中用選擇模塊化的方法，使程序結(jié)構(gòu)化更加清晰明了。因此，用C語言進(jìn)行軟件編程，提高了軟件的開發(fā)調(diào)試效率，編寫的串口控制軟件穩(wěn)定可靠、可移植性好，并為系統(tǒng)的擴(kuò)展起到了重要作用。在軟件模塊設(shè)計(jì)中，主要有數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換、編碼加密、解碼糾錯(cuò)及發(fā)送接收等模塊程序。當(dāng)系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，對(duì)程序?qū)嵭谐跏蓟幚?，主要是?duì)單片機(jī)、收發(fā)控制等狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。中斷程序控制流程及收發(fā)控制程序流程如圖3，圖4所示。

4 主要抗干擾措施設(shè)計(jì)

為了有效地降低系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼率，提高其抗電磁干擾能力，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，一是采用了高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制方式和曼徹斯特編碼/解碼及其糾錯(cuò)編解碼技術(shù)，使用內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC校驗(yàn)電路；二是在軟件設(shè)計(jì)中使用了高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼和編碼加密的方法，并對(duì)超過糾錯(cuò)范圍的差錯(cuò)，采用檢錯(cuò)重發(fā)及多次發(fā)送優(yōu)選等方法。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于隨機(jī)干擾造成的隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)干擾造成的突發(fā)性錯(cuò)誤進(jìn)行有效的糾錯(cuò)，能夠自動(dòng)濾除信息傳輸過程中，由于空間電磁波干擾及相關(guān)因素導(dǎo)致所產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)及虛假信息，其抗突發(fā)干擾和靈敏度有較大的改善，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和低誤碼率，系統(tǒng)特別適合長期工作和在較為惡劣環(huán)境條件下使用的基本要求。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用的主要性能參數(shù)如表1所示。同時(shí)系統(tǒng)的可靠性工作時(shí)間大于系統(tǒng)窄帶無線電臺(tái)和計(jì)算機(jī)正常工作的時(shí)間。

6 結(jié) 語

本文根據(jù)MSP430系列單片機(jī)的特點(diǎn)，充分挖掘單片機(jī)的功能及軟、硬件資源，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換處理及收發(fā)控制，具有體積小、功耗低、構(gòu)成簡(jiǎn)單、集成度高、接口靈活及開發(fā)周期短、性價(jià)比高、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，并有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和移植性。數(shù)據(jù)傳輸模塊應(yīng)用于窄帶無線電臺(tái)的模擬信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其工作穩(wěn)定可靠、電磁兼容性好、抗干擾能力強(qiáng)。窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的開發(fā)設(shè)計(jì)具有良好而廣泛的應(yīng)用與推廣價(jià)值，夠滿足野外野戰(zhàn)環(huán)境條件下的軍用和工業(yè)等方面作業(yè)使用的基本需要。

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