基于MSP430的小功率無線發射/接收系統

楊光義， 程 鑫， 金偉正， 陳小橋

(武漢大學 電子信息學院， 湖北 武漢 430072)

基于MSP430的小功率無線發射/接收系統

楊光義， 程 鑫， 金偉正， 陳小橋

(武漢大學 電子信息學院， 湖北 武漢 430072)

以MSP430G2553單片機為控制核心，設計了一套小功率無線發射接收系統，給出了完整的系統方案和詳細的發射功率計算過程。在接收端引入軟件控制，實現了手動搜臺和自動搜臺等功能，既可以作為調頻接收機單獨使用，也可以作為發射/接收系統整體使用。系統涉及到的知識點豐富、綜合性強，涵蓋了壓控振蕩、頻率調制、頻率解調、射頻功放、低頻功放和MSP430單片機等內容。系統采用模塊化設計，成本低廉、趣味性強，有助于學生深入理解相關理論知識，適合在實驗教學中推廣。

無線發射/接收系統； 功率放大； MSP430G2553

高頻電子線路是通信、電子等專業的主干技術基礎課程，也是一門教師難教且學生難學的課程，因此需要教師不斷進行探索，開發可操作性強、難易程度適中，同時又兼顧趣味性的實驗教學內容，調動學生的積極性，以便讓學生更好地掌握該課程的相關知識[1]。為此，本文設計了一套小功率無線發射/接收系統，實現了短距離的無線發射和接收。系統以MSP430G2553單片機為控制核心，涵蓋了壓控振蕩器、頻率調制、頻率解調、射頻功放和低頻功放等內容，組成了一個相對完整的通信系統。通過本系統的學習，有助于學生學習常用的電子元件器件、模擬電路以及簡單的電路系統，掌握高、低頻電子線路的基本概念和工作原理，掌握電子系統的分析和設計方法，為電子系統的工程實現等后續課程打下必備的基礎[2]。

1 系統方案及理論計算

1.1 系統方案

小功率無線發射/接收系統總體框圖見圖1。發射部分包括壓控振蕩、頻率調制、功率放大和電源4個模塊。壓控振蕩器(VCO)產生高頻載波信號，頻率調制器完成高頻載波和輸入信號的調制，產生的調頻信號經過射頻功率放大后，獲得足夠的射頻功率，饋送到天線上輻射出去。接收部分包括頻率解調、主控單元、信號輸出和電源4個模塊。主控單元通過控制頻率解調，實現從調頻信號中還原出低頻調制信號的功能，然后經過低頻功率放大，推動揚聲器發聲。

圖1 系統總體框圖

1.2 理論計算

根據參考文獻[3-4]，傳輸損耗Lt是路徑損耗LP與天線增益G之差，即：

Lt=LP-G

(1)

其中，LP=32.45+20 lgf+20lgd+A，f為電波頻率(MHz)，d為傳播距離(km) ，A為電波衰減(dB)。天線增益G=Gt+Gr，Gt與Gr分別為發、收天線沿信號傳輸方向的平面波增益(dB)。

實際應用中，由于無線通信要受到各種外界因素的影響，比如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗，一般取A=40 dB[4]。設發射頻率f=100 MHz，發射距離d=50 m，可得LP=86.43 dB。

一般常用的拉桿天線增益為2.5～3.5 dBi[5]，本文取Gt=Gr=3 dBi，可得：G=Gt+Gr=6 dB，Lt=80.43 dB。

參閱SI4730(完成頻率解調功能，將在硬件部分詳細介紹)的資料[6]可知，系統接收靈敏度Pro=-100 dBm(2.2 μV)。所以，發射功率Pt必須滿足：Pt≥Pro+Lt=-19.57 dBm(0.011 mW)

根據國家工信部的有關規定[7]，頻率處于88.0～108.0 MHz的無線傳聲器的發射功率應不大于3 mW。因此，系統的發射功率實際的取值范圍應為：3 mW≥Pt≥0.011 mW。

圖2為發射天線的等效電路模型[8]，等效的信號源阻抗ZS=RS+jXS，RS為信號源電阻，XS為信號源電抗；天線的阻抗ZA=RA+jXA，其中RA為天線的輸入電阻，XA為天線的輸入電抗。

圖2 發射天線的等效電路

(2)

(3)

2 系統硬件設計

仔細分析系統框圖可知，系統硬件設計的重點和難點在于頻率調制、射頻功放、主控單元和頻率解調4部分。受于篇幅限制，本文僅對這4部分詳細介紹，低頻功放可以參考文獻[9-10]，電源模塊可以參考文獻[11]。

2.1 頻率調制

為了將語音信號調制到100 MHz左右的頻率上，系統采用新型調頻發射壓控振蕩器MAX2606。MAX2606采用SOT23-6微型封裝，內部集成低噪聲考比茲(Colpitts)壓控振蕩器，調諧范圍、偏置、觸發值等均由片內電路決定，只需外接少量元件就能組成高性能調頻發射器[12]，具體電路見圖3。

圖3 頻率調制電路

圖3中，壓控振蕩器MAX2606的中心頻率由外部電感L1設置，當電感L1=330 nH時，中心頻率fc=100 MHz。調節電位器R5，可以在85～107 MHz的FM波段選擇一個頻道作為發射頻率。由麥克風MK1采集的音頻信號經過電位器R3衰減后，從壓控振蕩器MAX2606的引腳3送入內部振蕩電路，經過調制后的射頻信號從引腳6輸出。

調試MAX2606有2個關鍵點：一是選用電感L1的品質因素Q應大于35，以確保振蕩器能夠正常起振，且讓振蕩器具有良好的噪聲特性；二是輸入音頻信號幅度高于60 mV時將產生失真，因此使用時需要調整電位器R3將信號衰減到60 mV以下。

2.2 射頻功放

鑒于MAX2606產生的調頻信號功率較小，故在MAX2606后級聯一個射頻功率放大器THS9000，以獲得足夠的發射功率。THS9000是針對高中頻頻率優化的中等功率器件[13]，具體電路見圖4。

圖4 射頻功放電路

由于THS9000輸入阻抗和MAX2606的輸出阻抗均為50 Ω，故在設計電路時可直接將MAX2606產生的調頻信號輸入射頻功放THS9000。改變偏置電阻R2的阻值，可以改變功率放大的倍數。

2.3 主控單元

主控單元采用+3.3 V供電，由超低功耗單片機MSP430G2553為核心的電路構成，外接TFT液晶屏和4個按鍵，具體電路見圖5。MSP430G2553單片機是一種混合信號微控制器，擁有強大的數據處理和運算能力，具有16位精簡指令集(RISC)架構和62.5 μs指令周期時間，可在不到1 μs的時間里從待機模式超快速地喚醒，支持JTAG仿真調試[14]。

圖5 MSP430G2553主控單元電路

2.4 頻率解調

頻率解調采用Silicon Labs的全數字COMS單晶片集成FM/AM廣播接收器SI4730，其內部集成了高頻放大器、混頻器和低通濾波器，并且由單片機MSP430G2553實現全數字式控制，具體電路見圖6。SI4730頻帶范圍較寬，收音頻率為76～108 MHz，只需要極少的外圍元件，并且基本上不需要外部對高頻信號進行手動調準[15]。

圖6 SI4730頻率解調電路

3 系統軟件設計

3.1 總體思路

系統主程序由系統初始化、接收器SI4730控制、按鍵處理和LCD液晶顯示4大模塊組成。系統初始化包括單片機MSP430G2553初始化、接收器SI4730初始化和LCD液晶屏初始化，同時打開按鍵中斷。主控模塊使用單片機MSP430G2553的2個I/O引腳模擬I2C總線的SDA/SCL時序與接收器SI4730通信，實現對接收器SI4730的控制。按鍵處理通過調用函數的方法實現按鍵復用，完成手動搜臺和自動搜臺等功能。各項操作提示和操作結果均通過LCD液晶屏顯示出來。系統主程序流程見圖7，S14730讀寫子程序流程見圖8。

圖7 系統程序流程

圖8 S14730讀寫子程序流程

從圖7可以看出，根據按下不同按鍵，程序對應的端口不同，進行處理的方式也不同。若按下按鍵1，進入手動搜臺模式；按下按鍵4，則進入自動搜臺模式。在手動搜臺模式中，按下按鍵2，則當前頻率加上單位步長0.1 MHz；若頻率已經超過最高頻率108.0 MHz，那么就回到最低頻率88.4 MHz重新搜索，否則繼續加單位步長。若按下按鍵3，則當前頻率減上單位步長0.1 MHz，若頻率低于最低頻率88.4 MHz，就回到最高頻率108.0 MHz進行搜索，否則繼續減單位步長。與此同時，LCD液晶屏將當前工作模式和工作頻率實時顯示出來。在自動搜臺模式中，系統從最低頻率88.4 MHz開始全頻率搜索，每次步進0.1 MHz，如此不斷地寫入和讀出，同時調用頻率顯示函數不斷地刷新頻率。當搜索到最高頻率108 MHz時，自動退出搜臺模式。

3.2 SI4730軟件設計

根據SI4730的讀寫協議[16]，調用公用I2C驅動即可編寫出SI4730的讀寫函數OperationSi47XX_2w()。它們可為手動搜臺、自動搜臺等FM功能調用，以實現程序的模塊化結構。SI4730的讀寫流程中Si4730_Start()和Si4730_Stop()分別表示啟動和停止I2C總線，Si4730_Ack()為應答信號，Si4730_Writebyte()和Si4730_Readbyte()分別表示主機向從機寫入地址和從從機讀取地址。

4 系統測試

在實驗室環境下，首先單獨測試接收部分接收調頻廣播的能力；然后將發射部分和接收部分放置間隔約30 m，為保證最佳接收效果，發射天線與接收天線始終平行放置。設置接收部分工作在手動搜臺模式，同步調整發射部分和接收部分的參數，實現系統的完整功能。

4.1 接收部分測試

主控單元設置的工作頻率范圍為88.4～108 MHz，因此理論上可以接收到整個廣播頻段的信號。實驗記錄見表1，共接收到18個調頻廣播電臺，其中10個電臺的信號非常清晰，5個電臺的信號比較清晰。

表1 接收調頻廣播能力測試記錄

4.2 系統整體測試

利用信號源產生調制信號，通過示波器觀察系統關鍵節點的波形，利用揚聲器測試系統最終輸出，結果見圖9。圖9(a)為信號源輸出的頻率1 kHz、峰峰值700 mV正弦波，圖9(b)為壓控振蕩器MAX2606產生的100 MHz載波信號，圖9(c)為壓控振蕩器MAX2606輸出的調頻信號，圖9(d)為射頻功放THS9000輸出的調頻發射信號，圖9(e)為接收器SI4730輸出的解調信號，圖9(f)為低頻功放輸出的音頻信號。另外，連續緩慢調節信號源輸出頻率，在揚聲器端可以清晰地聽到不斷變化的音階，說明系統各部分工作正常。

圖9 調頻發射機的測試波形

對比圖9(c)和9(d)可知，信號經過射頻功率放大后，幅度放大了4.57倍，功率放大了20.89倍。由公式(3)計算可知，發射天線得到的可用功率PS=1.6 mW，而一般工程應用中，天線的輻射效率在40%～60%之間，則發射機的有效發射功率的范圍應為0.64～0.96 mW，符合本文1.2節發射功率計算的取值范圍。

5 結語

本文設計了一套基于MSP430G2553的小功率無線發射接收系統，完成了小功率調頻發射和調頻接收，最終實現了音頻信號的還原輸出。系統采用模塊化設計，在接收端引入軟件控制，實現了手動搜臺和自動搜臺等功能，既可以作為調頻收音機單獨使用，也可以作為發射接收系統整體使用。由于實驗條件限制，本文沒有測試系統最遠通信距離，讀者可在法律允許的前提下，級聯射頻功放THS9000，或者更換更大功率的功放型號，實現更遠距離的通信。

在此，特別感謝武漢大學設備處的大力支持。

References)

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Low power wireless transmitting and receiving system based on MSP430

Yang Guangyi, Cheng Xin, Jin Weizheng, Chen Xiaoqiao

(Electronic Information College, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

A set of the low power wireless transmitting and receiving system is designed by using the MSP430G2553 SCM as the control core, and the complete system scheme and detailed calculation process of transmitting power are presented. The software control is introduced at the receiver, and the functions of the manual searching and automatic searching are realized, which can be used either as an individual FM receiver or as a whole integrated transmitting and receiving system. The system is rich in knowledge points and comprehensive, covering the voltage controlled oscillation, frequency modulation, frequency demodulation, radio frequency power amplification, low frequency power amplification, MSP430 SCM, etc. The system adopts the modular design which is of low cost and strong interest. It helps the students to understand the relevant theoretical knowledge and is suitable for promotion in experimental teaching.

wireless transmitting and receiving system; power amplification; MSP430G2553

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.024

TN710；G484

A

1002-4956(2017)11-0096-06

2017-07-04

武漢大學教學改革建設項目(2016JG52)；武漢大學2017年實驗教學中心開放實驗項目(WHU-2017-KFSY-02)

楊光義(1983—)，男，湖北孝感，在職博士研究生，實驗師，從事高頻電子線路教學和圖像處理等科研.

E-mailygy@whu.edu.cn