基于單片機(jī)的應(yīng)答機(jī)值更電路設(shè)計(jì)

摘 要： 水聲應(yīng)答機(jī)采用電池供電，長(zhǎng)時(shí)間工作在水下，需要在可靠應(yīng)答測(cè)距基礎(chǔ)上降低功耗。應(yīng)答機(jī)采用值更?檢測(cè)工作模式并合理分工，以MSP430單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)值更電路。值更電路關(guān)閉一切不必要的電路，僅檢測(cè)水上系統(tǒng)的控制指令，并給出回復(fù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在8 Ah供電條件下，應(yīng)答機(jī)在滿足應(yīng)答功耗之外待機(jī)時(shí)間超過(guò)30天。值更電路性能穩(wěn)定，功耗低，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： MSP430； 水聲應(yīng)答機(jī)； 應(yīng)答功耗； 值更電路

中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）02?0131?03

0 引 言

水聲應(yīng)答機(jī)采用電池供電，長(zhǎng)時(shí)間布放在海底或被測(cè)目標(biāo)上自主工作，因此對(duì)功耗要求非常嚴(yán)格。早期的水聲應(yīng)答機(jī)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲測(cè)距信號(hào)的檢測(cè)，限于資源和運(yùn)算速度等條件，只能對(duì)信號(hào)做簡(jiǎn)單的鑒頻鑒寬處理，惡劣水文條件下效果不甚理想。隨著低功耗DSP器件的不斷推出，可以對(duì)水聲測(cè)距信號(hào)實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜精細(xì)的處理，從而提高測(cè)距可靠性和水文環(huán)境適應(yīng)性[1?2]。

水聲應(yīng)答機(jī)除了實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲測(cè)距信號(hào)的檢測(cè)外，還需要對(duì)應(yīng)答機(jī)內(nèi)部各部件實(shí)施控制，包括發(fā)射控制、深度（壓力）檢測(cè)、自身狀態(tài)檢查等。為方便回收，還設(shè)計(jì)自主釋放回收裝置。常用的嵌入式系統(tǒng)通常采用DSP+MPU雙核心框架，DSP 和 MPU 專注于各自的特長(zhǎng)，各自的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮[3?4]。水聲應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)為MCU+DSP模式，合理劃分系統(tǒng)功能，DSP實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)，MCU完成值更狀態(tài)下的控制指令檢測(cè)和系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度。

為進(jìn)一步降低功耗，在值更狀態(tài)下，系統(tǒng)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。只在工作狀態(tài)下才啟動(dòng)DSP運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)應(yīng)答測(cè)距?；贛SP430F5438低功耗單片機(jī)設(shè)計(jì)的值更電路，通過(guò)電源管理進(jìn)一步降低功耗，滿足系統(tǒng)要求。

1 值更電路硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能劃分，采用TI公司高性能單片機(jī)MSP430F5438能有效完成系統(tǒng)的值更工作。

1.1 MSP430F5438基本性能指標(biāo)[5?6]

MSP430F5438是TI公司的一款16位超低功耗微控制器，它是目前業(yè)界中具有最低功耗的16位單片機(jī)。MSP430F5438內(nèi)部具有3個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，最高可達(dá)25 MHz。針對(duì)多種應(yīng)用環(huán)境，該微控制器可由多種不同性能的外設(shè)資源組成。其主要特點(diǎn)有：超低功耗、超強(qiáng)處理能力、豐富的片上外設(shè)和大存儲(chǔ)環(huán)境。

1.2 值更電路硬件框圖

根據(jù)系統(tǒng)功能劃分，值更電路接收水面遙控指令，并根據(jù)遙控指令控制應(yīng)答機(jī)做出相應(yīng)的反應(yīng)。應(yīng)答機(jī)處于水下工作狀態(tài)時(shí)，遙控指令盡可能簡(jiǎn)化，只設(shè)置必要的開機(jī)、待機(jī)、釋放、自檢等，對(duì)應(yīng)答機(jī)復(fù)雜的調(diào)試和參數(shù)設(shè)置都在水上通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)。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，單片機(jī)還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各類電源的監(jiān)控管理、壓力數(shù)據(jù)采集、釋放機(jī)構(gòu)控制等。另外，通過(guò)RS 232端口與PC機(jī)通信，I2C實(shí)現(xiàn)與DSP工作電路通信[7?8]。值更電路硬件組成見(jiàn)圖1。

圖1 值更電路硬件組成

1.3 電源管理

除了采用低功耗單片機(jī)完成值更電路主控之外，為進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，對(duì)應(yīng)答機(jī)的DSP工作模塊、釋放機(jī)構(gòu)、壓力傳感器和功放電源實(shí)行嚴(yán)格管理，系統(tǒng)只有在收到指令、確需工作時(shí)，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)系見(jiàn)表1。

表1 電源控制接口關(guān)系表

此外，系統(tǒng)采用單電源低電壓工作模式，降低復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的可靠性和電源的使用效率。根據(jù)不同器件的供電需求，采用MAX5035，LT1763，LT1074等器件實(shí)現(xiàn)低噪聲高精度電源輸出。

1.4 輸入輸出設(shè)置和電氣連接

水聲信號(hào)采集、電源電壓監(jiān)控和壓力數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后送到MCU進(jìn)行處理。ADC選用MCU內(nèi)部集成的12 b ADC。

水聲信號(hào)由外部接入，經(jīng)片內(nèi)ADC后進(jìn)入單片機(jī)，兩路窄帶濾波后，針對(duì)RZ?BFSK數(shù)字通信的兩路遙控指令頻點(diǎn)。電源電壓經(jīng)過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)之后，送到相應(yīng)端口，在電源電壓低到閾值時(shí)給出報(bào)警信號(hào)。

為提高系統(tǒng)可靠性，設(shè)計(jì)基于MAX6369的低功耗硬件看門狗；功率放大器工作在D類模式，由MCU直接產(chǎn)生對(duì)稱方波驅(qū)動(dòng)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度；為滿足在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)水聲應(yīng)答釋放器的調(diào)試和參數(shù)設(shè)置，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)接口。

2 值更電路軟件設(shè)計(jì)

2.1 值更電路軟件流程

MCU作為值更電路的控制核心，加電初始化后就進(jìn)入檢測(cè)?執(zhí)行?應(yīng)答控制指令循環(huán)過(guò)程，對(duì)測(cè)距信號(hào)的應(yīng)答發(fā)射控制通過(guò)中斷實(shí)現(xiàn)。軟件主程序流程如圖2所示。

圖2 值更電路軟件流程

以下為主程序的部分初始化代碼：

int main（void）

{

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD；

// Stop WDT

Motor_ON_OFF（）； //馬達(dá)關(guān)機(jī)

Init_XT2（）； //初始化時(shí)鐘

DSP_OFF（）； //關(guān)DSP 電源

Deeppress_ON_OFF（）； //關(guān)壓力傳感器電源

PowerAmp_ON_OFF（）； //關(guān)功放電源

……

while（1）

{ 命令檢測(cè)，執(zhí)行

……

2.2 水聲命令檢測(cè)判斷[9]

對(duì)于應(yīng)答機(jī)值更電路，最大的挑戰(zhàn)在于命令的可靠檢測(cè)和通信脈沖的確認(rèn)。MSP430F5438對(duì)信號(hào)的檢測(cè)采用 Notch濾波器能量檢測(cè)法[8?9]。

由于MSP430F5438的核時(shí)鐘頻率為18 MHz，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(lái)代替包絡(luò)輸出，同時(shí)避免了計(jì)算溢出；

（2） 用α?β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[10]

在淺海應(yīng)用條件下，由于水聲多途效應(yīng)，水聲通信命令通過(guò)水聲信道后到達(dá)水聲接收換能器時(shí)往往會(huì)多于所規(guī)定的脈沖，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)碼間干擾。因此需要對(duì)采集的脈沖信息進(jìn)行挑選，然后再命令判斷。

設(shè)脈沖序列用p（0），p（1），p（2），…，p（N）來(lái)表示，如果是一個(gè)正確的命令，那么各個(gè)脈沖的起點(diǎn)間距是均勻的：

[pi=p0+i×100] （1）

考慮傳播途徑，實(shí)際信號(hào)變?yōu)椋?/p>

[p0+i×100-ξ≤pi+i×100+ξ] （2）

即：

[i×100-2×ξ≤pi-p0-ξ

3 結(jié) 論

基于單片機(jī)的應(yīng)答機(jī)值更電路設(shè)計(jì)，通過(guò)科學(xué)合理的電源管理、簡(jiǎn)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，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)答機(jī)實(shí)際使用中也得到了驗(yàn)證。

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