基于MSP430F169的水聲遙控發(fā)射系統設計

摘要：隨著(zhù)水聲通信技術(shù)的快速發(fā)展，水聲遙控系統也已投入使用，它在水下通信、遙測及水下航行器的控制等方面有著(zhù)廣闊的應用前景。該設計基于微功耗單片機MSP430F169作為處理器設計路以便實(shí)現不同頻率信號的產(chǎn)生、選擇及顯示，并選用D類(lèi)功放對所產(chǎn)生的信號進(jìn)行功率放大。系統軟件根據所設計的電路進(jìn)行移頻編程，根據MFSK調制的基本原理，通過(guò)采用添加保護時(shí)間抵抗碼間干擾的編碼方案，完成不同遙控信號的產(chǎn)生、控制及顯示。

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(lái)，PSK以及MPSK、DPSK(相移差鍵控)等被用于高通信速率場(chǎng)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，被國外很多系統應用。水聲通信技術(shù)近年來(lái)由非相干通信向相干通信的方向發(fā)展，并且隨著(zhù)數字電路及信號處理芯片計算能力的提高，水聲通信系統的調制方式、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)、空間調制技術(shù)、分集接收技術(shù)、盲均衡技術(shù)等。近二十年來(lái)，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帶寬內利用時(shí)延編碼和實(shí)時(shí)信道標校技術(shù)實(shí)現水聲信號數字傳輸，它的特點(diǎn)是中低速率，沿水平方向中等作用距離的低誤碼率。

水聲遙控系統主要向著(zhù)以下幾個(gè)方向發(fā)展：1)靈活性好，系統能夠適應海灣、河流入?？诘冉；鞚釁^域和深海遠洋海域。2)體積變小，系統體積小、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(cháng)期在水下作業(yè)的系締，超低功耗已也成為水聲遙控系統的重要研究研究方向，本設計采用超低功耗的MSP430F169的單片機進(jìn)行設計，使系統工作時(shí)間增長(cháng)，減少了由于更換電池而帶來(lái)的人力物力的浪費;采用編碼調制信號并且可以提高系統功能的可靠性。

1 系統總體設計

遙控發(fā)射系統硬件部分由信號產(chǎn)生電路，D類(lèi)功放電路等組成;信號產(chǎn)生電路主要采用以MSP430F169為核心的最小系統電路，MSP430F 169最小系統主要由主控MCU、電源、復位電路、時(shí)鐘電路、JTAG調試電路等模塊組成。電源模塊為MCU及各外圍模塊提供電源，時(shí)鐘模塊為MCU提供時(shí)鐘源，JTAG接口用于單片機的程序調試和仿真。D類(lèi)(丁類(lèi))功率放大器也稱(chēng)數字功放，它是用音頻信號的幅度去線(xiàn)性調制高頻脈沖的寬度，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(脈寬調制)原理設計，功率管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2 MSP430最小系統電路設計

MSP4301F16x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據存儲區、更多的外圍模塊，其片內甚至還包括一個(gè)硬件乘法器。與此同時(shí)該系列單片機的開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)便，內置DMA和D/A轉換模塊，其具有豐富的片內外圍，性?xún)r(jià)比極高，所以本題目采用這個(gè)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”結構，RAM、ROM和全部外圍模塊均位于同一個(gè)地址空間內。它的體系結構由五種低功耗模式組成，最優(yōu)化降低了系統功耗。MSP430x15x/16x/161x系列處理器片內有二個(gè)固定16位定時(shí)器、8路快速的12位A/D轉換器、雙路8/12位D/A轉換器、兩個(gè)通用連續同步/非同步通信接口(USART)、I2C、DMA。

2.1 電源電路

對于MSP430F169最小系統來(lái)說(shuō)，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。為了給系統供電方便，可以使用電源轉換芯片將5V電壓轉換成3.3V電壓。設計采用芯片AMS117—3.3來(lái)進(jìn)行DC—DC電壓轉換，其中，三個(gè)電容用來(lái)進(jìn)行穩壓濾波，使得系統電源穩定，用LED用來(lái)指示電源狀態(tài)。

2.2 晶振電路

單片機MSP430F169的時(shí)鐘模塊有數字控制振蕩器DCO、低速晶體振蕩器、高速晶體振蕩器3個(gè)時(shí)鐘源，這些時(shí)鐘模塊可產(chǎn)生MCLK(主系統時(shí)鐘)、SMCLK(子系統時(shí)鐘)和ACLK(輔助時(shí)鐘)3種不同頻率的時(shí)鐘，系統可以通過(guò)軟件根據具體需求來(lái)選擇不同的時(shí)鐘以滿(mǎn)足不同模塊的需求。數字控制振蕩器DCO，集成在MSP430F169內部。當外部振蕩器失效時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)選擇DCO振蕩器為MCLK時(shí)鐘源。高速晶體振蕩器XT2可外接450 kHz-8 MHz的晶體振蕩器。

2.3 復位電路

微控制器正常工作時(shí)該引腳將處于高電平才能正常工作。在系統中，復位電路主要完成系統的上電復位和系統在運行時(shí)用戶(hù)的按鍵復位，復位電路可由簡(jiǎn)單的RC電路構成，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(jiǎn)單的由電阻、電容、二極管構成的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(xiě)的FLASH存儲器和JTAG調試接口，可先將編譯好的程序通過(guò)JTAG接口下載到FLASH內，然后通過(guò)JTAG接口進(jìn)行程序控制，讀取片內CPU狀態(tài)及存儲器內容等為設計者調試提供便利，整個(gè)編譯、調試過(guò)程均在同一個(gè)軟件集成環(huán)境中進(jìn)行，不需要專(zhuān)門(mén)的仿真器和編譯器，這種JTAG調試、FLASH技術(shù)和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境相結合的開(kāi)發(fā)方式，具有實(shí)用、便捷、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 鍵盤(pán)控制及數碼管顯示電路

對于本次設計，需要對系統進(jìn)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(pán)和LED顯示。本設計要產(chǎn)生6個(gè)信號，為了使設計方便，簡(jiǎn)化電路，采用獨立按鍵式鍵盤(pán)。這種鍵盤(pán)是直接用MSP430的I/O端口線(xiàn)構成單個(gè)的按鍵電路，每個(gè)按鍵獨立的占用一根I/O線(xiàn)，每個(gè)按鍵的工作狀態(tài)相互獨立，不受其他I/O線(xiàn)的影響。對于顯示部分，采用七段數碼管即可完成。

3 D類(lèi)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(kāi)功率放大器。

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

4 系統的軟件實(shí)現

4.1 編碼設計

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(yú)群、浮游生物、氣泡層、渦流、層流、不同溫度的水團;隨著(zhù)溫度、鹽度、深度等不斷變化的聲波傳播速度;各種風(fēng)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(huì )產(chǎn)生一定的干擾，甚至會(huì )出現信號畸變，為了解決這一問(wèn)題，接合水聲信道的特性，常用的兩種非相干的信號調制方式頻移鍵控(FSK)、多進(jìn)制數字頻率調制(MFSK)。MFSK是FSK的多進(jìn)制調制方式，與FSK相比它有較高的傳信率，適用于高速傳輸的系統，但是其信道利用率降低。本次設計采用MFSK調制方式進(jìn)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(shí)間，很方便有效地解決了這一問(wèn)題。

對于本次設計，要求系統工作頻率為25～35 kHz，脈沖寬度為1 ms，脈沖間隔為100 ms，在工作頻率范圍內選擇3個(gè)不同的頻率進(jìn)行編碼。

編碼規則如下：

1)選用3個(gè)頻率的正弦波信號f1=26 kHz，f2=30 kHz，f3=34 kHz，一種頻率在一個(gè)指令碼中只出現一次，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(guò)不同頻率的碼元的順序來(lái)分辨不同的信號;

2)單個(gè)碼元持續時(shí)間為1ms，碼元間隔為100 ms;

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

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

當航模的運動(dòng)速度為v時(shí)，接收到的信號的多普勒頻移最大為：

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

通過(guò)單片機MSP430F169內部的DMA和D/A來(lái)產(chǎn)生不同頻率的正弦波信號。對于本次設計系統要求的三種不同頻率的信號，需要分別對它們進(jìn)行采樣，采樣的點(diǎn)數需要根據系統時(shí)鐘頻率及DMA控制器像DAC12傳輸數據的速率來(lái)決定。對于數據的采樣，可在碼元持續時(shí)間內對所有周期進(jìn)行采樣，DMA控制器可以按照一定的頻率連續不斷地將這些采樣數據傳輸到DAC12模塊，經(jīng)DAC12轉換輸出對應的正弦波形。DMA控制器傳輸數據不需要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處理數據的速度快，所以當使用DMA控制器的時(shí)候，應避免DMA控制器和DAC12操作不一致。

4.2 鍵盤(pán)掃描及數碼管顯示

設計選用的按鍵通過(guò)機械觸點(diǎn)的閉合與斷開(kāi)來(lái)控制輸入點(diǎn)信號的產(chǎn)生。由于機械觸點(diǎn)的彈性作用使得它在斷開(kāi)或閉合的瞬間會(huì )產(chǎn)生抖動(dòng)，進(jìn)而使產(chǎn)生的電壓波形如圖4所示。

為了保證系統對一次按鍵按下只作一次處理，需要采取措施消除抖動(dòng)的影響。對于這個(gè)問(wèn)題，一般采用軟件方法去抖動(dòng)，在編程過(guò)程中，當判斷有鍵按下時(shí)加入一定時(shí)間的延時(shí)子程序，然后再次確定按鍵是否被按下。如果再次確認的結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(kāi)抖動(dòng)的時(shí)間段，消除抖動(dòng)影響。

對于數碼管靜態(tài)顯示，數碼管每一位的字選線(xiàn)與一個(gè)8位端口相連，只要在該位的字選線(xiàn)上出現字形碼，就可以顯示出相應的字符。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(shí)以所要顯示的數字為索引查詢(xún)這張表格。

4.3 系統編程

對于本系統來(lái)說(shuō)，其程序框圖如圖5所示，根據框圖完成系統編程。通過(guò)對鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，來(lái)判斷是否有按鍵按下以及按下的按鍵是第幾個(gè)，如果按鍵按下，根據所按的按鍵來(lái)輸出相應的信號并進(jìn)行顯示。不同頻率的信號其采樣點(diǎn)不同，對于26kHz、30 kHz、34 kHz的信號，它們的采樣點(diǎn)分別為一周期內22個(gè)、20個(gè)、19個(gè)，當有按鍵按下時(shí)，DMA向DAC12傳輸相應的采樣數據，產(chǎn)生所要求的信號。此外，在系統初始化時(shí)要開(kāi)啟8 MHz晶振。

5 系統調試

系統要求兩個(gè)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(xiě)的程序編譯下載到MSP430F169，給系統上電，MSP430F 169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(shí)間單位為50 ms，兩脈沖間隔為100μs，滿(mǎn)足設計要求。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(shí)間單位為200μs，脈沖信號的脈寬為1 ms，滿(mǎn)足設計要求。

6 結論

該設計主要從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(jìn)行水聲遙控發(fā)射系統的理論研究及軟硬件實(shí)現。電路經(jīng)調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(shí)驗里，對相應的接收設備進(jìn)行控制，操作簡(jiǎn)單，誤碼率小，達到了預期目標。