簡易水下無線通信系統(B題)

1、簡易水下無線通信系統(B題)指導教師： 董俊宏隊員及年級： 彭 浩（2005級）、王繼業(yè)（2005級）、曾昭磊（2005級）學校及院系： 海軍工程大學電子工程學院摘 要設計為一簡易水下無線通信系統，由陸基單元以無線方式向水下潛艇單元發(fā)送控制信號，水下潛艇模型以紅外線向陸上電機單元發(fā)送執(zhí)行指令從而控制潛艇的上浮與下潛。系統以MSP430單片機為核心，分別實現信號的調制、解調和電機的自動控制。陸基無線發(fā)射模塊采用AD9851和單片機結合實現頻移鍵控；水下接收模塊采用MC145162解調。電機單元利用光槽對定位卷尺的鉆孔進行監(jiān)測和數據采集，由單片機實現對步進電機的轉速調整，在要求的時間內達到規(guī)定的上

2、升和下潛深度。同時，系統陸基部分可顯示潛艇航模的運動方式、深度和速度，建立了良好的人機界面。Abstract1 方案設計系統為一簡易水下無線通信系統，由陸基單元以無線方式向水下潛艇單元發(fā)送控制信號，水下潛艇模型以紅外線向陸上電機單元發(fā)送執(zhí)行指令從而控制潛艇的上浮與下潛。系統整體模塊示意圖，如圖1.1所示。圖1.1 系統整體模塊示意圖1.1 理論分析1.1.1 陸基單元1、信號產生原理 系統陸基單元采用FSK調制，由DDS芯片產生FSK信號。DDS芯片主要由相位累加器、波形存儲器、數字相乘器和D/A轉換器組成。其基本工作原理是在采樣時鐘信號的控制下，通過由頻率控制字控制的相位累加器輸出相位碼，將

3、存儲于只讀存儲器中的數據值按一定的規(guī)律讀出，經D/A轉換和低通濾波后輸出正弦信號。本系統選用DDS芯片AD9851,其控制字計算公式如下： 確定輸出信號頻率和晶振頻率，可得出頻率控制字的值。2、功放電路原理為了得到較大的發(fā)射功率，在設計時采用了兩級放大方式其中第二級采用橋式功率放大原理，橋式放大電路由兩個運放組合而成，其中一個為同相放大器，另一個為反相放大器，負載接在兩運放輸出端之間。輸入信號同時接入兩放大器，兩放大器輸出等值反相的電壓，因而在負載上的電壓為原來的2倍，相應的輸出功率為單運放的4倍，從而有效的提高了發(fā)射功率。 潛艇航模單元1、 解調電路原理分析系統采用鑒頻解調原理，基本的鑒頻解

4、調電路的組成框圖如圖1.2所示：圖1.2 基本鎖相解調組成框圖當輸入為調頻波時，低通濾波器的輸出端就可以解調出所調制的基帶信號，Vo（t）就是所需的不失真解調信號。本設計中采用MC145162進行解調，該芯片集成了參考分頻器、鑒頻器、可編程分頻器等，簡化了電路設計。由于陸基單元發(fā)射的是2FSK信號，兩個載波頻點分別為490KHz（對應于高電平“1”）和507KHz（對應于低電平“0”），并且通過高、低電平不同的脈寬組合表示“上升”或“下潛”的控制狀態(tài)，這樣如果選擇合適的輸入參考頻率，那么原理上鑒相器輸出電壓的電平高低變化就可以反映出調制信號。我們選擇參考頻率498KHz，將接收天線接收到的2F

5、SK已調信號放大處理后送入鑒相器的一個輸入端，當2FSK中載波頻點為490KHz時，鑒相器將輸出高電平；同理，當載波頻點為507KHz時，將輸出低電平，這與發(fā)射端的電平設置相吻合。再將鑒相輸出信號送入MSP430F149單片機處理，根據波形的不同利用電平檢測法可以精確判讀出狀態(tài)控制信號。2、紅外收發(fā)原理由于紅外接收頭對脈沖頻率為38KHz的紅外光波最為敏感，所以系統采用555定時器產生頻率為38KHz的脈沖信號和單片機輸出的編碼相與，得到紅外發(fā)射需要的已調波信號，然后通過紅外發(fā)射管向水上電機單元發(fā)射紅外光波。 電機單元電路1、 紅外信號的接收和解碼 電機單元采用紅外一體接收頭實現紅外光波的接收

6、和解調。解調后的信號直接送入單片機的串行數據口，在單片機內完成信號的解碼工作進而控制步進電機的運轉，實現對水下潛艇模型運行狀態(tài)的控制。2、 步進電機控制原理及相關計算步進電機是將電脈沖轉化為角位移，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。通過控制脈沖個數即可以控制角位移量，從而達到準確定深的目的；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。為了使?jié)撏н\動平穩(wěn)且距離精確，利用模糊控制算法設計了加速、勻速和減速程序，到達終點時，控制步進電機抱死。設步進電機的脈沖頻率為f，步進電機控制的位移為L，電機轉輪周長為x，位移L對

7、應在電機轉輪的圈數N，實際要求步進電機轉動L的時間為t，轉速，每秒轉動的圈數為C。本系統使用的步進電機每個脈沖轉0.9度,每秒轉動一圈的脈沖頻率為400Hz，則有如下關系： 由以上關系得到與的對應關系：實際使用電機轉輪周長為8.5cm，設定速度為5cm/s，則脈沖頻率為282.35Hz。3、光槽原理與深度控制在一米長的皮尺上每隔1cm均勻打孔。皮尺的一端連在電機滾輪上，另一端連在潛艇上，在電機單元的正下方安裝一光槽，讓皮尺從中間通過，潛艇的位移可通過記錄皮尺上的孔的個數測量出來。在設計電機模塊的運動距離控制和速度控制方式時，采用速度和運動距離分別控制的思路。根據速度和步進電機脈沖頻率的關系，先

8、計算出不同速度對應的頻率值預存在單片機里。電機單元運行時，根據收到的指令，讀取相應的脈沖頻率值，控制潛艇以設置的速度運行。電機轉輪上帶動潛艇運動的皮帶，光槽每檢測到一個小孔會控制單片機對深度變量加1或減1，當深度變量與設定的深度值相等時，電機停轉并卡死在當前位置，同時關閉光槽的檢測功能。1.2 選用TI器件 單片機本系統采用MSP430F149單片機，這是TI公司推出的一款16位超低功耗單片機，具有速度快、穩(wěn)定性好、外圍模塊豐富的特點，非常適合本系統設計的要求。1.2.2 放大芯片在本系統中，第一級選用TI公司的放大芯片OPA300，第二級選用兩片TI公司的放大芯片OPA561組成橋式功率放大

9、器，實現發(fā)射功率的放大。OPA300是TI公司的一款高速低噪聲、低功耗，具有150M的帶寬增益而且是單電源供電的運放，非常適合做小信號的放大和運用在電池供電的環(huán)境，所以在發(fā)射機末級放大和水下潛艇模型的高放部分都使用了它，通過結果表明其效果是非常好的。OPA561是TI公司的一款電流型運放，滿功率狀態(tài)下有1M的帶寬增益，在使用過程中安裝方便，調試難度小。在本系統發(fā)射機的末級功率放大使用了它，工作穩(wěn)定效果良好。1.3 主要模塊設計與論證 陸基發(fā)射模塊調制方式的選擇在FSK、ASK、PSK中，ASK抗噪性能差，PSK設計復雜，FSK抗噪性能好且易于實現。由于題目不要求頻帶利用率，發(fā)送的數據信號比較簡

10、單，所以信號發(fā)送選用FSK方式。方案一：變容二極管直接調頻。這種方式屬于模擬調頻，電路結構簡單，但頻率穩(wěn)定性不高。而且由于變容二極管壓控特性的非線性，已調波的失真大。方案二：DDS調制。DDS輸出的頻率穩(wěn)定度和精度都很高，且在單片機控制下頻率轉換速度快?；诖颂攸c由DDS芯片產生載頻，在單片機的控制下通過輸入不同的頻率控制字實現對DDS實時控制、轉換頻點，可實現精確的頻移鍵控。結構框圖如圖1.3所示。圖1.3陸基發(fā)射模塊調制框圖比較以上二種方案，方案二中的數字調制方式新穎有特點，頻點穩(wěn)定性好，波形失真小，因此本設計采用方案二。由單片機根據控制狀態(tài)信號輸出不同的頻率控制字，實現對AD9851的頻

11、點控制以得到比較理想的2FSK調制信號。 航模水下接收模塊解調方式選擇。 方案一：采用相干解調電路。作為常用的2FSK解調方法，相干解調需要接收機提供同步載波，涉及到信號的相位信息，增加了接收難度，頻點不易對準，同時電路設計相對復雜，不利于電路調試。 方案二：采用鑒頻解調電路。鑒相器可實現無誤差的頻率跟蹤，針對DDS產生的兩個精確頻點，實時將頻點變化轉變?yōu)殡妷盒盘?，實現2FSK解調。考慮方案一的較多不確定性，我們選擇了鑒頻解調方案。 電機的選擇方案一： 采用直流電動機。直流電動機較容易控制和調速，但其運行精度較差，定位不準，而且當電流較小或無電流時，電機在掛有重物時可能會出現回轉，難以實現精確

12、的控制。方案二： 采用步進電機。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，通過接收到的脈沖信號驅動電機轉軸以固定的角度一步一步向設定方向轉動，步進角一般為0.36度1.8度，精度很高，而且可以實現轉子鎖定。 考慮題目中對精度的較高要求，采用方案二。2 系統實現2.1 硬件設計 系統框圖本系統由路基單元、潛艇單元和電機單元構成。各部分框圖如下所示:圖2.1 路基發(fā)射單元組成框圖圖2.2 潛艇航模單元組成框圖圖2.3 電機單元組成框圖2.2 接口設計 發(fā)射機DDS調制電路設計用MSP430單片機的P4端口并行輸出控制字到AD9851。信號由21腳輸出經低通濾波器得到比較純凈的調制信號。外圍電路

13、設計如圖2.4所示。圖2.4 DDS調制電路圖 發(fā)射機功率放大電路設計功率放大的第二級采用兩片 OPA561芯片，構成橋式放大電路，見圖2.5。圖2.5 OPA561橋式放大電路 2FSK解調電路設計單片機通過SPI接口對MC145162進行設置，將參考頻率設為498KHz，引腳10將鑒相解調輸出信號送入下級模塊處理，如圖2.6所示。圖2.6 MC145162解調電路2.2.4 電機控制電路設計 電機控制部分由單片機、光耦、L298、步進電機和光槽組成，光耦連接在單片機與L298之間起隔離作用，由光槽檢測皮尺運動時間和距離，如圖2.7所示圖2.7 電機驅動電路2.3 軟件設計 程序流程圖軟件分

14、為路基發(fā)射單元程序，潛艇航模單元程序，電機單元程序三部分。各部分流程如下：圖 11 陸基單元控制程序流程圖 圖12 潛艇接收轉發(fā)處理流程圖 圖13 電機控制處理流程圖2.3.2軟件設計思想及技巧軟件的設計思路是自上而下，逐步細化。根據需要產生和傳遞的信息確定程序的基本流程。首先，鍵盤輸入要發(fā)送的命令，單片機控制1602液晶屏顯示要發(fā)送的命令并編碼發(fā)送，潛艇航模單元接收到編碼信號后，由編碼值判斷是控制艇上相應的LED小燈亮，還是向電機單元轉發(fā)數據，電機單元接收到數據后，按照控制字控制潛艇以相應的狀態(tài)上升或下沉。在軟件的具體設計與調試中，采用從模塊到系統的漸進式過渡。首先進行模塊分調，使用示波器，

15、信號發(fā)生器等測試模塊輸出是否滿足設計要求，然后將各模塊用電纜連接成系統，進行有線聯調，測試通過后進行無線聯調。調試過程要注意軟硬件協調，例如，MSP430單片機接口電壓3.3V，驅動能力差，采用光耦隔離和L298電機驅動芯片驅動步進電機，提高系統抗干擾性。軟件設置與低功耗實現程序運行時，首先要初始化，即軟件設置。初始化對象一般包括時鐘、端口、外圍模塊。時鐘初始化主要進行晶振選擇，主頻選擇，分頻設置。端口初始化主要是選擇端口的工作模式，設置端口初始值。外圍模塊初始化對外圍模塊控制寄存器寫入參數，可以對模塊時鐘頻率，工作方式和工作參數進行設置，然后將相應管腳設置為外圍模式并開中斷使能，外圍模塊即可

16、按設定功能執(zhí)行輸入輸出。低功耗的實現分硬件和軟件兩方面：硬件上，MSP430F149單片機輸出電壓3.3V，輸出電流為uA級，屬于微功耗芯片。軟件上，如果程序功能全部使用中斷方式實現，則可設置單片機CPU進入休眠模式，只有當中斷條件滿足時，CPU才被喚醒執(zhí)行有效操作。在休眠模式下，除外圍模塊外，CPU停止工作，高頻晶振關閉，只有32.768KHz低頻晶振工作或完全停振，從而實現低功耗。另外，通過單片機的電源管理功能，給暫不適用的外圍電路斷電，當需要使用時，再對其供電，也可以有效降耗。編程感想 基于單片機的程序設計，不僅要充分考慮單片機外部電路的電氣特性，更要熟悉單片機的內部功能和控制方式。實踐

17、的過程就是熟悉的過程，只有通過不斷調試，才能對如何正確使用單片機，創(chuàng)造性地利用的單片機的特定功能產生更深刻的認識。例如，軟件實現低功耗要用到中斷，在使用中斷時，為避免中斷沖突，往往不在中斷函數中直接執(zhí)行它要觸發(fā)的功能，而采取在中斷函數中對標識變量置位，轉回主函數執(zhí)行相應操作。這樣可以保證對絕大多數中斷的立即響應。在一個通信系統中，要保證各單元有效通信，必須盡量減小通信條件不理想所產生的影響，可以采用合適的編碼解碼方式以及編碼發(fā)送方式在一定程度上改善通信質量。例如，在數據收發(fā)過程中，陸基單元在信息碼前加入引導碼，潛艇單元收到數據時首先判讀引導碼，不符合預定值則丟棄，這樣可以有效防止由毛刺引起的誤

18、碼或誤讀。然而，在通信質量較差的情況下，引導碼容易受干擾，從而導致潛艇單元對收到的數據大量丟棄，陸基單元發(fā)出的指令無法有效執(zhí)行。為解決這個問題，陸基單元采取一次輸入連發(fā)多次的發(fā)送方式，潛艇單元采取上升沿觸發(fā)接收+導入碼過濾毛刺+電平判斷解碼的流程，當電平為1時，判斷接收到比特1，當電平為0，判斷接收到比特0，在判讀過程中，進行多次采樣以確定電平值。實踐證明，通過上述方式，使發(fā)送成功率和解碼正確率大大提高。3 作品性能測試與分析3.1 測試儀器DS5102示波器、SG1040信號發(fā)生器、ATTEN頻譜分析儀、秒表。3.2 測試方案（1）潛艇運動方向的測試。為了顯示出潛艇運動的方向，采用了5個不同

19、標號的LED指示燈分別表示潛艇航模前進、倒車、停車、左、右轉彎。陸基單元向潛艇發(fā)送指令，觀察潛艇指示燈的標號與設定表示的方向是否一致。（2）潛艇上浮與下潛位移的測量。通過觀察卷尺刻度來測量。（3） 潛艇上浮與下潛速度測量。用秒表測量潛艇上浮與下潛一定位移所用時間，間接測量潛艇上浮與下潛的速度。3.3 測試結果（1）設計如下表格：表一：陸基單元對潛艇航模運動方向的操控測試發(fā)送指令理論亮燈號實際亮燈標號第一次第二次第三次天線與水面的距離1米米1米米1米米前進1倒車2停車3左轉彎4右轉彎5（2）潛艇上浮與下潛位移的測量，設計下表，根據指定的理論位置，實測潛艇航模的最終停止位置。算出相對誤差。表二：潛艇潛浮位置性能測試運動方向理論位置（cm）實測一（cm）實測二（cm）實測三（cm）平均誤差%下潛1010.21010.2929.2929.30.53上浮10109.810.2929.72929.5.4（3）潛艇上浮與下潛速度測量，設計表三如下所示，其中快速運動區(qū)間從水深5cm至水深24cm，慢速運動區(qū)間從水深