基于MSP430的水聲遙控發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

摘要：隨著水聲通信技術(shù)的快速發(fā)展，水聲遙控系統(tǒng)也已投入使用，它在水下通信、遙測及水下航行器的控制等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。該設(shè)計基于微功耗單片機(jī)MSP430F169作為處理器設(shè)計路以便實(shí)現(xiàn)不同頻率信號的產(chǎn)生、選擇及顯示，并選用D類功放對所產(chǎn)生的信號進(jìn)行功率放大。系統(tǒng)軟件根據(jù)所設(shè)計的電路進(jìn)行移頻編程，根據(jù)MFSK調(diào)制的基本原理，通過采用添加保護(hù)時間抵抗碼間干擾的編碼方案，完成不同遙控信號的產(chǎn)生、控制及顯示。

作為水聲通信技術(shù)的一種應(yīng)用，水聲遙控技術(shù)的發(fā)展與水聲通信技術(shù)息息相關(guān)。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(dāng)前水聲通信領(lǐng)域的主要研究方向之一，被國外很多系統(tǒng)應(yīng)用。水聲通信技術(shù)近年來由非相干通信向相干通信的方向發(fā)展，并且隨著數(shù)字電路及信號處理芯片計算能力的提高，水聲通信系統(tǒng)的調(diào)制方式、信號處理方法等都逐漸采用各種高端復(fù)雜的技術(shù)，比如自適應(yīng)均衡技術(shù)、空間調(diào)制技術(shù)、分集接收技術(shù)、盲均衡技術(shù)等。近二十年來，水聲遙控技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。我國已經(jīng)能夠以200～400 bit/s的速率在2 kHz帶寬內(nèi)利用時延編碼和實(shí)時信道標(biāo)校技術(shù)實(shí)現(xiàn)水聲信號數(shù)字傳輸，它的特點(diǎn)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(tǒng)主要向著以下幾個方向發(fā)展：1)靈活性好，系統(tǒng)能夠適應(yīng)海灣、河流入?？诘冉；鞚釁^(qū)域和深海遠(yuǎn)洋海域。2)體積變小，系統(tǒng)體積小、重量輕，便于攜帶，有利于產(chǎn)品的使用和推廣。3)可靠性高，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)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(yè)的系締，超低功耗已也成為水聲遙控系統(tǒng)的重要研究研究方向，本設(shè)計采用超低功耗的MSP430F169的單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，使系統(tǒng)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(fèi);采用編碼調(diào)制信號并且可以提高系統(tǒng)功能的可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

遙控發(fā)射系統(tǒng)硬件部分由信號產(chǎn)生電路，D類功放電路等組成;信號產(chǎn)生電路主要采用以MSP430F169為核心的最小系統(tǒng)電路，MSP430F 169最小系統(tǒng)主要由主控MCU、電源、復(fù)位電路、時鐘電路、JTAG調(diào)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(jī)的程序調(diào)試和仿真。D類(丁類)功率放大器也稱數(shù)字功放，它是用音頻信號的幅度去線性調(diào)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(tài)，它采用PWM(脈寬調(diào)制)原理設(shè)計，功率管工作在開關(guān)狀態(tài)。

2 MSP430最小系統(tǒng)電路設(shè)計

MSP4301F16x系列是TI的MSP430F1x系列(FLASH存儲器型)單片機(jī)中功能最強(qiáng)大的子系列。MSP430F16x具有更大的程序和數(shù)據(jù)存儲區(qū)、更多的外圍模塊，其片內(nèi)甚至還包括一個硬件乘法器。與此同時該系列單片機(jī)的開發(fā)工具簡便，內(nèi)置DMA和D/A轉(zhuǎn)換模塊，其具有豐富的片內(nèi)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(jī)。它采用“馮-紐曼”結(jié)構(gòu)，RAM、ROM和全部外圍模塊均位于同一個地址空間內(nèi)。它的體系結(jié)構(gòu)由五種低功耗模式組成，最優(yōu)化降低了系統(tǒng)功耗。MSP430x15x/16x/161x系列處理器片內(nèi)有二個固定16位定時器、8路快速的12位A/D轉(zhuǎn)換器、雙路8/12位D/A轉(zhuǎn)換器、兩個通用連續(xù)同步/非同步通信接口(USART)、I2C、DMA。

2.1 電源電路

對于MSP430F169最小系統(tǒng)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(tǒng)供電方便，可以使用電源轉(zhuǎn)換芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓。設(shè)計采用芯片AMS117—3.3來進(jìn)行DC—DC電壓轉(zhuǎn)換，其中，三個電容用來進(jìn)行穩(wěn)壓濾波，使得系統(tǒng)電源穩(wěn)定，用LED用來指示電源狀態(tài)。

2.2 晶振電路

單片機(jī)MSP430F169的時鐘模塊有數(shù)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(chǎn)生MCLK(主系統(tǒng)時鐘)、SMCLK(子系統(tǒng)時鐘)和ACLK(輔助時鐘)3種不同頻率的時鐘，系統(tǒng)可以通過軟件根據(jù)具體需求來選擇不同的時鐘以滿足不同模塊的需求。數(shù)字控制振蕩器DCO，集成在MSP430F169內(nèi)部。當(dāng)外部振蕩器失效時，系統(tǒng)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。

2.3 復(fù)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(tǒng)中，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時用戶的按鍵復(fù)位，復(fù)位電路可由簡單的RC電路構(gòu)成，也可使用其的相對較復(fù)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(gòu)成的RC復(fù)位電路。經(jīng)使用證明，其復(fù)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(diào)試接口，可先將編譯好的程序通過JTAG接口下載到FLASH內(nèi)，然后通過JTAG接口進(jìn)行程序控制，讀取片內(nèi)CPU狀態(tài)及存儲器內(nèi)容等為設(shè)計者調(diào)試提供便利，整個編譯、調(diào)試過程均在同一個軟件集成環(huán)境中進(jìn)行，不需要專門的仿真器和編譯器，這種JTAG調(diào)試、FLASH技術(shù)和集成開發(fā)環(huán)境相結(jié)合的開發(fā)方式，具有實(shí)用、便捷、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 鍵盤控制及數(shù)碼管顯示電路

對于本次設(shè)計，需要對系統(tǒng)進(jìn)行控制使其產(chǎn)生不同的信號，并顯示產(chǎn)生的信號，這就需要用到鍵盤和LED顯示。本設(shè)計要產(chǎn)生6個信號，為了使設(shè)計方便，簡化電路，采用獨(dú)立按鍵式鍵盤。這種鍵盤是直接用MSP430的I/O端口線構(gòu)成單個的按鍵電路，每個按鍵獨(dú)立的占用一根I/O線，每個按鍵的工作狀態(tài)相互獨(dú)立，不受其他I/O線的影響。對于顯示部分，采用七段數(shù)碼管即可完成。