基于MSP430F169的水聲遙控發射系統設計

郝 雯

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

作為水聲通信技術的一種應用，水聲遙控技術的發展與水聲通信技術息息相關。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。水聲通信技術近年來由非相干通信向相干通信的方向發展，并且隨著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，比如自適應均衡技術、空間調制技術、分集接收技術、盲均衡技術等。近二十年來，水聲遙控技術也得到了迅速的發展。我國已經能夠以200～400 bit/s的速率在2 kHz帶寬內利用時延編碼和實時信道標校技術實現水聲信號數字傳輸，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。

水聲遙控系統主要向著以下幾個方向發展：1)靈活性好，系統能夠適應海灣、河流入海口等近海混濁區域和深海遠洋海域。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。對于需要長期在水下作業的系統，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的單片機進行設計，使系統工作時間增長，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

遙控發射系統硬件部分由信號產生電路，D類功放電路等組成；信號產生電路主要采用以MSP430 F169為核心的最小系統電路，MSP430 F169最小系統主要由主控MCU、電源、復位電路、時鐘電路、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，時鐘模塊為MCU提供時鐘源，JTAG接口用于單片機的程序調試和仿真。D類（丁類）功率放大器也稱數字功放，它是用音頻信號的幅度去線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，它采用PWM（脈寬調制）原理設計，功率管工作在開關狀態。

2 MSP430最小系統電路設計

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據存儲區、更多的外圍模塊[1]，其片內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工具簡便，內置DMA和D/A轉換模塊，其具有豐富的片內外圍，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"結構，RAM、ROM和全部外圍模塊均位于同一個地址空間內。它的體系結構由五種低功耗模式組成，最優化降低了系統功耗。MSP430x15x/16x/161x系列處理器片內有二個固定16 位定時器、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[2]最小系統來說，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AMS1117—3.3來進行DC—DC電壓轉換，其中，三個電容用來進行穩壓濾波，使得系統電源穩定，用LED用來指示電源狀態。

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，這些時鐘模塊可產生MCLK（主系統時鐘）、SMCLK（子系統時鐘）和ACLK（輔助時鐘）3種不同頻率的時鐘，系統可以通過軟件根據具體需求來選擇不同的時鐘以滿足不同模塊的需求[3]。數字控制振蕩器DCO，集成在MSP430F169內部。當外部振蕩器失效時，系統會自動選擇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。在系統中，復位電路主要完成系統的上電復位和系統在運行時用戶的按鍵復位，復位電路可由簡單的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。在這里采用簡單的由電阻、電容、二極管構成的RC復位電路。經使用證明，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調試接口，可先將編譯好的程序通過JTAG接口下載到FLASH內[4]，然后通過JTAG接口進行程序控制，讀取片內CPU狀態及存儲器內容等為設計者調試提供便利，整個編譯、調試過程均在同一個軟件集成環境中進行，不需要專門的仿真器和編譯器，這種JTAG調試、FLASH技術和集成開發環境相結合的開發方式，具有實用、便捷、價格便宜等優點。

圖3 JTAG調試接口示意圖Fig. 3 diagram of JTAG

2.5 鍵盤控制及數碼管顯示電路

對于本次設計，需要對系統進行控制使其產生不同的信號，并顯示產生的信號，這就需要用到鍵盤和LED顯示。本設計要產生6個信號，為了使設計方便，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，采用七段數碼管即可完成。

3 D類功放電路

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

功放電路設計采用LM353對信號經行放大和反相，通過比較器LF395進行信號進行比較產生方波驅動功放管，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。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 系統的軟件實現

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，會產生一定的干擾，甚至會出現信號畸變，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制方式頻移鍵控(FSK)、多進制數字頻率調制(MFSK)[5]。MFSK是FSK的多進制調制方式，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個不同的頻率進行編碼。

編碼規則如下：

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)，不影響遙控數據的解碼。

通過單片機MSP430F169內部的DMA和D/A來產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，需要分別對它們進行采樣，采樣的點數需要根據系統時鐘頻率及DMA控制器像DAC12傳輸數據的速率來決定[6-8]。對于數據的采樣，可在碼元持續時間內對所有周期進行采樣， 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控制器的時候，應避免DMA控制器和DAC12操作不一致。

4.2 鍵盤掃描及數碼管顯示

設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生抖動，進而使產生的電壓波形如圖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。如果再次確認的結果仍然處于被按下的狀態，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。

對于數碼管靜態顯示，數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字為索引查詢這張表格。

4.3 系統編程

對于本系統來說，其程序框圖如圖5所示，根據框圖完成系統編程。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22個、20個、19個,當有按鍵按下時，DMA向DAC12傳輸相應的采樣數據，產生所要求的信號。此外，在系統初始化時要開啟8 MHz晶振。

圖5 系統程序框圖Fig. 5 diagram of system program

5 系統調試

系統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，滿足設計要求。圖6（b）、（c）、（d）所示為MSP430F169產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，進行水聲遙控發射系統的理論研究及軟硬件實現。電路經調試編程后可以準確的完成不同信號的產生、選擇及顯示。在水池實驗里，對 相應的接收設備進行控制，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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