简易水下无线通信系统.pdf

1 简易水下无线通信系统(B 题) 摘要设计为一简易水下无线通信系统， 由陆基单元以无线方式向水下潜艇单元发 送控制信号，水下潜艇模型以红外线向陆上电机单元发送执行指令从而控制潜艇 的上浮与下潜 系统以 MSP430 单片机为核心， 分别实现信号的调制、 解调和电 机的自动控制 陆基无线发射模块采用AD9851 和单片机结合实现频移键控； 水 下接收模块采用 MC145162 解调 电机单元利用光槽对定位卷尺的钻孔进行监测 和数据采集， 由单片机实现对步进电机的转速调整，在要求的时间内达到规定的 上升和下潜深度 同时，系统陆基部分可显示潜艇航模的运动方式、深度和速度， 建立了良好的人机界面Abstract 1 方案设计 系统为一简易水下无线通信系统， 由陆基单元以无线方式向水下潜艇单元发 送控制信号，水下潜艇模型以红外线向陆上电机单元发送执行指令从而控制潜艇2 的上浮与下潜系统整体模块示意图，如图1.1 所示图 1.1 系统整体模块示意图1.1 理论分析1.1.1 陆基单元 1、信号产生原理 系统陆基单元采用FSK 调制，由 DDS 芯片产生 FSK 信号DDS 芯片主要 由相位累加器、波形存储器、数字相乘器和D/A 转换器组成。

其基本工作原理 是在采样时钟信号的控制下，通过由频率控制字控制的相位累加器输出相位码， 将存储于只读存储器中的数据值按一定的规律读出，经D/A 转换和低通滤波后 输出正弦信号本系统选用 DDS 芯片 AD9851,其控制字CWF计算公式如下：32()2C WoFff确定输出信号频率of和晶振频率f，可得出频率控制字CWF的值2、功放电路原理 为了得到较大的发射功率， 在设计时采用了两级放大方式其中第二级采用 桥式功率放大原理， 桥式放大电路由两个运放组合而成， 其中一个为同相放大器， 另一个为反相放大器， 负载接在两运放输出端之间 输入信号同时接入两放大器， 两放大器输出等值反相的电压，因而在负载上的电压为原来的2 倍，相应的输出 功率为单运放的 4 倍，从而有效的提高了发射功率 1.1.2 潜艇航模单元 1、 解调电路原理分析 系统采用鉴频解调原理，基本的鉴频解调电路的组成框图如图 1.2所示：鉴相器参考频率低通滤 波器输入信号Vi（t） 输出解调信号Vo(t)3 图 1.2 基本锁相解调组成框图 当输入为调频波时，低通滤波器的输出端就可以解调出所调制的基带信号， Vo（t）就是所需的不失真解调信号。

本设计中采用 MC145162 进行解调， 该芯片集成了参考分频器、 鉴频器、 可 编程分频器等，简化了电路设计由于陆基单元发射的是2FSK 信号，两个载波 频点分别为 490KHz（对应于高电平“ 1” ）和 507KHz（对应于低电平“ 0” ） ，并 且通过高、低电平不同的脉宽组合表示“上升”或“下潜”的控制状态，这样如 果选择合适的输入参考频率， 那么原理上鉴相器输出电压的电平高低变化就可以 反映出调制信号我们选择参考频率498KHz，将接收天线接收到的2FSK 已调 信号放大处理后送入鉴相器的一个输入端，当2FSK 中载波频点为 490KHz 时， 鉴相器将输出高电平；同理，当载波频点为507KHz 时，将输出低电平，这与发 射端的电平设置相吻合 再将鉴相输出信号送入MSP430F149单片机处理， 根据 波形的不同利用电平检测法可以精确判读出状态控制信号 2、红外收发原理 由于红外接收头对脉冲频率为38KHz 的红外光波最为敏感，所以系统采用 555 定时器产生频率为38KHz 的脉冲信号和单片机输出的编码相与，得到红外 发射需要的已调波信号，然后通过红外发射管向水上电机单元发射红外光波。

1.1.3 电机单元电路 1、红外信号的接收和解码 电机单元采用红外一体接收头实现红外光波的接收和解调解调后的信号 直接送入单片机的串行数据口， 在单片机内完成信号的解码工作进而控制步进电 机的运转，实现对水下潜艇模型运行状态的控制 2、步进电机控制原理及相关计算 步进电机是将电脉冲转化为角位移，当步进驱动器接收到一个脉冲信号， 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角） 通过控制脉 冲个数即可以控制角位移量， 从而达到准确定深的目的； 同时通过控制脉冲频率 来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的 为了使潜艇运动平稳且 距离精确， 利用模糊控制算法设计了加速、匀速和减速程序， 到达终点时， 控制 步进电机抱死 设步进电机的脉冲频率为f，步进电机控制的位移为L，电机转轮周长为x， 位移 L 对应在电机转轮的圈数N，实际要求步进电机转动L 的时间为 t，转速v， 每秒转动的圈数为C 本系统使用的步进电机每个脉冲转0.9 度,每秒转动一圈的 脉冲频率为 400Hz，则有如下关系：LNxNCt400 *fCLvt由以上关系得到f与v的对应关系：400 vfx实际使用电机转轮周长为8.5cm，设定 速度为5cm/s，则 脉冲频率为 282.35Hz。

3、光槽原理与深度控制4 在一米长的皮尺上每隔1cm 均匀打孔皮尺的一端连在电机滚轮上，另 一端连在潜艇上， 在电机单元的正下方安装一光槽，让皮尺从中间通过， 潜艇的 位移可通过记录皮尺上的孔的个数测量出来 在设计电机模块的运动距离控制和速度控制方式时，采用速度和运动距离分 别控制的思路 根据速度和步进电机脉冲频率的关系，先计算出不同速度对应的 频率值预存在单片机里 电机单元运行时， 根据收到的指令， 读取相应的脉冲频 率值，控制潜艇以设置的速度运行电机转轮上带动潜艇运动的皮带，光槽每检 测到一个小孔会控制单片机对深度变量加1 或减 1，当深度变量与设定的深度值 相等时，电机停转并卡死在当前位置，同时关闭光槽的检测功能1.2 选用 TI 器件1.2.1 单片机 本系统采用 MSP430F149单片机，这是 TI 公司推出的一款 16 位超低功耗单 片机，具有速度快、 稳定性好、 外围模块丰富的特点， 非常适合本系统设计的要 求 1.2.2 放大芯片 在本系统中，第一级选用TI 公司的放大芯片OPA300，第二级选用两片TI 公司的放大芯片 OPA561 组成桥式功率放大器，实现发射功率的放大。

OPA300是 TI 公司的一款高速低噪声、低功耗，具有150M 的带宽增益而且 是单电源供电的运放， 非常适合做小信号的放大和运用在电池供电的环境，所以 在发射机末级放大和水下潜艇模型的高放部分都使用了它，通过结果表明其效果 是非常好的 OPA561是 TI 公司的一款电流型运放，满功率状态下有1M 的带宽增益，在 使用过程中安装方便，调试难度小在本系统发射机的末级功率放大使用了它， 工作稳定效果良好1.3 主要模块设计与论证1.3.1 陆基发射模块调制方式的选择 在 FSK、ASK、PSK 中，ASK 抗噪性能差， PSK设计复杂， FSK 抗噪性能 好且易于实现 由于题目不要求频带利用率，发送的数据信号比较简单， 所以信 号发送选用 FSK 方式 方案一：变容二极管直接调频 这种方式属于模拟调频，电路结构简单，但 频率稳定性不高而且由于变容二极管压控特性的非线性，已调波的失真大 方案二： DDS 调制 DDS 输出的频率稳定度和精度都很高，且在单片机控 制下频率转换速度快基于此特点由DDS 芯片产生载频，在单片机的控制下通 过输入不同的频率控制字实现对DDS 实时控制、转换频点，可实现精确的频移 键控。

结构框图如图1.3 所示DDS键盘430单片机显示2FSK 调制信号图 1.3 陆基发射模块调制框图 比较以上二种方案，方案二中的数字调制方式新颖有特点，频点稳定性好，5 波形失真小， 因此本设计采用方案二 由单片机根据控制状态信号输出不同的频 率控制字，实现对AD9851 的频点控制以得到比较理想的2FSK 调制信号 1.3.2 航模水下接收模块解调方式选择 方案一：采用相干解调电路作为常用的2FSK 解调方法，相干解调需要接 收机提供同步载波，涉及到信号的相位信息，增加了接收难度，频点不易对准， 同时电路设计相对复杂，不利于电路调试 方案二：采用鉴频解调电路鉴相器可实现无误差的频率跟踪，针对DDS 产生的两个精确频点，实时将频点变化转变为电压信号，实现2FSK 解调 考虑方案一的较多不确定性，我们选择了鉴频解调方案 1.3.3 电机的选择 方案一：采用直流电动机直流电动机较容易控制和调速，但其运行精度 较差，定位不准，而且当电流较小或无电流时，电机在挂有重物时可能会出现回 转，难以实现精确的控制 方案二：采用步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机 构，通过接收到的脉冲信号驱动电机转轴以固定的角度一步一步向设定方向转 动，步进角一般为0.36 度~1.8 度，精度很高，而且可以实现转子锁定。

考虑题目中对精度的较高要求，采用方案二2 系统实现2.1 硬件设计2.1.1 系统框图 本系统由路基单元、潜艇单元和电机单元构成各部分框图如下所示: OPA300 前置放大OPA561 功率放大阻抗匹配、 调谐网络天线 发射DDS键盘显示MSP430 F149图 2.1 路基发射单元组成框图阻抗匹配 调谐网络红外发射磁棒天线OPA300 小信号放大MC 145162MSP430 F149显示灯解码信号分频控制图 2.2 潜艇航模单元组成框图MSP430 F149红外接收L298电机光槽图 2.3 电机单元组成框图2.2 接口设计6 2.2.1 发射机 DDS 调制电路设计 用 MSP430 单片机的 P4 端口并行输出控制字到AD9851信号由 21 脚输出 经低通滤波器得到比较纯净的调制信号外围电路设计如图2.4 所示图 2.4 DDS 调制电路图2.2.2 发射机功率放大电路设计 功率放大的第二级采用两片OPA561芯片，构成桥式放大电路，见图2.5图 2.5 OPA561 桥式放大电路2.2.3 2FSK 解调电路设计 单片机通过 SPI 接口对 MC145162 进行设置，将参考频率设为498KHz，引 脚 10 将鉴相解调输出信号送入下级模块处理，如图2.6 所示。

7 图 2.6 MC145162 解调电路2.2.4电机控制电路设计 电机控制部分由单片机、光耦、L298、步进电机和光槽组成，光耦连接 在单片机与L298 之间起隔离作用，由光槽检测皮尺运动时间和距离，如图2.7 所示图 2.7 电机驱动电路2.3软件设计2.3.1 程序流程图 软件分为路基发射单元程序，潜艇航模单元程序， 电机单元程序三部分 各 部分流程如下：8 初始化模式选择模拟水平运动控制垂直运动速度控制水深定位前进慢升慢降快升快降左转弯停车倒车右转弯方向位移量位移量方向显示是否发送数据发送YN开始查询键盘 输入是否输入YN图11 陆基单元控制程序流程图开始转发数据LED 显示接收数据初始化模拟水平运动否是开始初始化接收数据快速慢速 上浮下沉定深控制按设定速度 上浮下沉控制字判断图 12 潜艇接收转发处理流程图图 13 电机控制处理流程图 2.3.2软件设计思想及技巧 软件的设计思路是自上而下， 逐步细化根据需要产生和传递的信息确定程 序的基本流程首先，键盘输入要发送的命令，单片机控制1602 液晶屏显示要 发送的命令并编码发送， 潜艇航模单元接收到编码信号后，由编码值判断是控制 艇上相应的 LED 小灯亮，还是向电机单元转发数据，电机单元接收到数据后， 按照控制字控制潜艇以相应的状态上升或下沉。

9 在软件的具体设计与调试中， 采用从模块到系统的渐进式过渡首先进行模 块分调，使用示波器， 信号发生器等测试模块输出是否满足设计要求，然后将各 模块用电缆连接成系统， 进行有线联调， 测试通过后进行无线联调 调试过程要 注意软硬件协调，例如， MSP430单片机接口电压3.3V，驱动能力差，采用光耦 隔离和 L298 电机驱动芯片驱。