基于MSP430的水聲遙控發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 D類功放電路

由MSP430F169直接產(chǎn)生的信號(hào)的功率很小，信號(hào)需要經(jīng)功率放大后發(fā)出去，以保證能夠傳輸足夠遠(yuǎn)的距離，這就離不開功率放大器。

功放電路設(shè)計(jì)采用LM353對(duì)信號(hào)經(jīng)行放大和反相，通過比較器LF395進(jìn)行信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生方波驅(qū)動(dòng)功放管，同時(shí)對(duì)導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行控制，避免了兩只功率管同時(shí)導(dǎo)通燒毀電路的情況出現(xiàn)。對(duì)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(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 編碼設(shè)計(jì)

海洋中存在的眾多不定因素使水聲信道變得異常復(fù)雜。隨機(jī)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(tuán);隨著溫度、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(duì)聲波在海水中的傳播有巨大影響，因此，對(duì)于水下聲信號(hào)的傳播的研究面臨巨大的困難。

水聲遙控信號(hào)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?xí)霈F(xiàn)信號(hào)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(hào)調(diào)制方式頻移鍵控(FSK)、多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制(MFSK)。MFSK是FSK的多進(jìn)制調(diào)制方式，與FSK相比它有較高的傳信率，適用于高速傳輸?shù)南到y(tǒng)，但是其信道利用率降低。本次設(shè)計(jì)采用MFSK調(diào)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(yīng)，在信號(hào)之間添加了一定的碼元保護(hù)時(shí)間，很方便有效地解決了這一問題。

對(duì)于本次設(shè)計(jì)，要求系統(tǒng)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(nèi)選擇3個(gè)不同的頻率進(jìn)行編碼。

編碼規(guī)則如下：

1)選用3個(gè)頻率的正弦波信號(hào)f1=26 kHz，f2=30 kHz，f3=34 kHz，一種頻率在一個(gè)指令碼中只出現(xiàn)一次，以便于多種情況下準(zhǔn)確識(shí)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(hào);

2)單個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間為1ms，碼元間隔為100 ms;

3)對(duì)于3個(gè)頻率的編碼信號(hào)，每次只要發(fā)射兩個(gè)填充不同頻率的碼元即完成信號(hào)的識(shí)別。

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

當(dāng)航模的運(yùn)動(dòng)速度為v時(shí)，接收到的信號(hào)的多普勒頻移最大為：

當(dāng)航模的運(yùn)動(dòng)速度為5 m/s是，多普勒頻移為0.23 kHz，遠(yuǎn)小于這4個(gè)頻率的最小間隔(4 kHz)，不影響遙控?cái)?shù)據(jù)的解碼。

通過單片機(jī)MSP430F169內(nèi)部的DMA和D/A來產(chǎn)生不同頻率的正弦波信號(hào)。對(duì)于本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求的三種不同頻率的信號(hào)，需要分別對(duì)它們進(jìn)行采樣，采樣的點(diǎn)數(shù)需要根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率及DMA控制器像DAC12傳輸數(shù)據(jù)的速率來決定。對(duì)于數(shù)據(jù)的采樣，可在碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)對(duì)所有周期進(jìn)行采樣，DMA控制器可以按照一定的頻率連續(xù)不斷地將這些采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻AC12模塊，經(jīng)DAC12轉(zhuǎn)換輸出對(duì)應(yīng)的正弦波形。DMA控制器傳輸數(shù)據(jù)不需要CPU的參與，CPU可獨(dú)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(shù)據(jù)的速度快，所以當(dāng)使用DMA控制器的時(shí)候，應(yīng)避免DMA控制器和DAC12操作不一致。

4.2 鍵盤掃描及數(shù)碼管顯示

設(shè)計(jì)選用的按鍵通過機(jī)械觸點(diǎn)的閉合與斷開來控制輸入點(diǎn)信號(hào)的產(chǎn)生。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用使得它在斷開或閉合的瞬間會(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(tǒng)對(duì)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(duì)于這個(gè)問題，一般采用軟件方法去抖動(dòng)，在編程過程中，當(dāng)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(rèn)的結(jié)果仍然處于被按下的狀態(tài)，則再做該鍵按下的相應(yīng)處理，這樣就可以避開抖動(dòng)的時(shí)間段，消除抖動(dòng)影響。

對(duì)于數(shù)碼管靜態(tài)顯示，數(shù)碼管每一位的字選線與一個(gè)8位端口相連，只要在該位的字選線上出現(xiàn)字形碼，就可以顯示出相應(yīng)的字符。一般顯示程序并不直接將段碼賦值給對(duì)應(yīng)端口，而是建立一張段碼表，顯示時(shí)以所要顯示的數(shù)字為索引查詢這張表格。

4.3 系統(tǒng)編程

對(duì)于本系統(tǒng)來說，其程序框圖如圖5所示，根據(jù)框圖完成系統(tǒng)編程。通過對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，來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(jù)所按的按鍵來輸出相應(yīng)的信號(hào)并進(jìn)行顯示。不同頻率的信號(hào)其采樣點(diǎn)不同，對(duì)于26kHz、30 kHz、34 kHz的信號(hào)，它們的采樣點(diǎn)分別為一周期內(nèi)22個(gè)、20個(gè)、19個(gè)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，DMA向DAC12傳輸相應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)，產(chǎn)生所要求的信號(hào)。此外，在系統(tǒng)初始化時(shí)要開啟8 MHz晶振。

5 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)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。將編寫的程序編譯下載到MSP430F169，給系統(tǒng)上電，MSP430F 169輸出端的波形如圖6(a)所示，不同的遙控信號(hào)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，滿足設(shè)計(jì)要求。圖6(b)、(c)、(d)所示為MSP430F169產(chǎn)生的不同頻率的脈沖信號(hào)。圖中示波器的時(shí)間單位為200μs，脈沖信號(hào)的脈寬為1 ms，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

該設(shè)計(jì)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(jī)作為處理器，進(jìn)行水聲遙控發(fā)射系統(tǒng)的理論研究及軟硬件實(shí)現(xiàn)。電路經(jīng)調(diào)試編程后可以準(zhǔn)確的完成不同信號(hào)的產(chǎn)生、選擇及顯示。在水池實(shí)驗(yàn)里，對(duì)相應(yīng)的接收設(shè)備進(jìn)行控制，操作簡(jiǎn)單，誤碼率小，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。