摩爾斯電碼無線通訊仿真實驗室

陸俊達

研究背景

摩爾斯電碼（Morse code）是一種以信號通斷的時間長短和組合方式傳輸信息的信號代碼。本人在進行科技活動課和信息技術課教學過程中，將摩爾斯電碼收發(fā)報的知識和體驗活動引入課堂。學生對摩爾斯電碼很感興趣，但是在學生學習完理論課程以后，我卻沒法找到合適的、仿真度高的教具和學具讓學生體驗摩爾斯電碼收發(fā)報過程。所以，很有必要設計一套仿真度高的摩爾斯電碼收發(fā)報體驗設備用于裝備學校實驗室和課堂。

項目研究過程

確定項目研究目標

本項目研究的目標，是研究一種方法和相關的設備，便于師生在課堂上靈活地分組開展高仿真度的莫爾斯電碼收發(fā)實驗。該項目必須實現(xiàn)如下目標：①設備成本低廉，便于師生動手制作和使用;②可靈活方便地分組學習;③不會對外發(fā)射大功率高頻無線電波，不干擾別的電子設備，無須考取業(yè)余無線電臺操作證書就可以操作;④可自動收發(fā)和自動編解碼，可對使用者的電碼輸入作檢查與測評;⑤設備外形與使用方法、使用效果具有高度仿真性。

規(guī)劃系統(tǒng)各部分的組成架構(gòu)

摩爾斯電碼無線通訊仿真實驗室的總體架構(gòu)設計為：實驗室里的所有學生組成1個或多個學習小組，以小組形式開展學習活動的科普課堂模式，每個學習小組采用一發(fā)一收或一發(fā)多收的形式，輪流開展收發(fā)摩爾斯電碼的活動。

設計摩爾斯電碼無線通訊仿真終端機電路架構(gòu)

摩爾斯電碼無線通訊仿真終端機涉及數(shù)字和模擬信號的處理，因此電路采用模擬和數(shù)字混合的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部架構(gòu)設計如圖1所示。智能收發(fā)一體終端機的應用方法框圖如圖2所示。單接收機沒有發(fā)射功能，也沒有智能編解碼能力和學生練習的指導和評價功能，架構(gòu)較為簡單，如圖3所示。

技術方案

◇仿真終端機通訊鏈路設計

學校教室和實驗室是人員高度密集的場所，無論從保護學生身體健康、防止各教室之間的互相干擾，以及收發(fā)電路復雜度、成本等各方面綜合考慮，都不宜使用常規(guī)的高頻電磁波作為通訊鏈路，必須使用一種能兼顧以上需求的通訊鏈路替代。而低頻（<5kHz）的電磁耦合現(xiàn)象，正好可以避免高頻電磁波發(fā)射和接收電路的各種問題和弊端，也能很好地控制傳輸距離，完全可以滿足本項目的需求。

◇收發(fā)電路的設計

本項目采用大功率、高效率數(shù)字功放，其核心為TI公司的TPA3116D2數(shù)字功放芯片，單電源12V的工作電壓下，BTL模式最大輸出功率為30W，電路效率可達85%以上。電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，工作時幾乎不發(fā)熱，十分符合本項目需求。

發(fā)射天線采用常規(guī)導線繞制的大直徑環(huán)形天線，為了與數(shù)字功放芯片輸出匹配，繞制的天線阻抗為3～4Ω，可以實現(xiàn)最大效率的電磁場轉(zhuǎn)換。

為了滿足接收電路對增益、功耗的要求，接收電路采用了NSC公司的小功率音頻功放芯片LM386，該芯片最大可以實現(xiàn)200倍（46dB）電壓增益，帶寬可達300kHz，可以4～12V單電源供電，靜態(tài)電流只有4mA，非常適合本項目對接收機電路的需求。

接收機天線從體積和重量及便攜性能上考慮，采用了鐵氧體磁棒線圈的形式，根據(jù)LC諧振公式計算，天線電感值在30mH左右，并聯(lián)1uF薄膜電容，諧振點即可在1kHz左右，實現(xiàn)最大的天線效率。

◇自動收發(fā)碼和編解碼功能的設計思路

為了使本項目研究的設備更智能化，更好地輔助學生學習和練習莫爾斯電碼的編解碼能力，在系統(tǒng)功能上還加入了自動收發(fā)碼和編解碼功能。這些功能的實現(xiàn)，需要在仿真終端機內(nèi)加入USB轉(zhuǎn)串口電路和8位MCU為核心的數(shù)字電路，通過MCU內(nèi)置8位與16位定時器產(chǎn)生發(fā)碼時的1kHz信號和計算學生每次按鍵的時間長度和間隔時間長度。從電路復雜程度、成本等各方面綜合考慮，USB轉(zhuǎn)串口電路由Silicon Labs公司的CP2102芯片實現(xiàn)，MCU則采用Atmel公司的ATMEGA88芯片。

設計電路

電子CAD軟件使用AltiumDesigner 10軟件，主要設計了單接收機的模擬電路和智能收發(fā)一體終端機的數(shù)字模擬混合電路。

焊接PCB板

PCB板上的元器件全部由本人手工焊接而成。

設計加工外殼

使用AutoCAD 2014設計終端機外殼，并使用激光切割機切割和刻字。

設計規(guī)劃系統(tǒng)功能菜單

為了便于教師和學生使用智能收發(fā)一體終端機，在人機界面上設計了“設定t值”“自適應學習”等菜單功能。

編寫代碼和燒錄

固件代碼編譯和燒錄使用了GCC的編譯器和AVRstudio，上位機程序采用Embarcadero RAD Studio XE2環(huán)境編寫與編譯，使用Microsoft的串口控件操作上位機的串口，程序最終編譯成32位單一可執(zhí)行文件。

設備組裝與測試

采用手工方式做系統(tǒng)總裝。總裝完成的設備和所有實物成果見圖4和圖5。

創(chuàng)新點

◇利用低頻磁場進行室內(nèi)近距離無線電通訊實驗。

◇利用MCU進行摩爾斯電碼自動編解碼實驗與自適應算法設計。

研究結(jié)論

本項目研究成果目前已經(jīng)在南寧市逸夫小學2個校區(qū)的5年級信息技術課堂和科技活動社團中測試使用，總參與人數(shù)達300多人，使用后取得了非常好的效果。項目對于改善教學效果，提高學生學習體驗度和學習積極性具有明顯的效果和重要的意義，項目有繼續(xù)深入研究的價值。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目制作了整套適合小學教學的摩爾斯電碼無線收發(fā)裝置，用作小學生通過摩爾斯電碼進行發(fā)送和接收信息的練習，能夠有效幫助學生學習信息編碼，解碼，以及無線信號傳播收發(fā)的相關知識。項目原理科學，構(gòu)思巧妙，趣味性和實用性強，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，有示范推廣價值。項目可在練習課程標準化方面作出改進和提升。