简易水下无线通信系统指导教师：黄根春张望先周立青队员及年级：谭潇雄 2006级方阁 2006级刘利子 2006级学校及院系：武汉大学电子信息学院摘要：本系统以超低功耗单片机MSP430F449为控制核心，采用无线和红外通信方式，实现了水下无线通信。

整个系统由陆基单元、电机单元和潜艇航模三部分组成。

其中，陆基单元以ASK调制方式实现与潜艇航模的无线通信；潜艇航模以线圈接收信号并解码，然后通过红外通信将数据转发给电机控制单元；电机单元接收红外信号后通过控制电机来实现潜艇航模上浮、下潜。

系统实现了天线与水面距离3米时，对潜艇航模的各种运动方式的控制。

同时，潜艇航模上浮、下潜在指定的水深处时，距离误差、时间误差和速度误差均满足设计要求。

整个系统操作简单，功能齐全。

Abstract：The system uses the ultra-low power MSP430F449 MCU as the control core, and uses the infrared and wireless communication, achieving a simple underwater wireless communication. The entire system consists of 3 parts，the land-based unit, the electrical unit and the submarine model. The land-based unit uses the ASK modulation to achieve wireless communication with the submarine model. The submarine model receives and decodes signals, then communicates with model unit via infrared light waves .The motor unit receives the infrared signals and keeps the floating and diving of the submarine model by controlling the suspension. The system realizes the controlling of the submarine model to achieve various forms of movement when the antenna is 3 meters above the water. The distance error, time error and speed error all meet the requirements .The whole system operates simply and functions well.1 方案设计1.1 理论分析整个系统由陆基单元、潜艇航模、电机单元组成。

其中，陆基单元以ASK调制方式，将控制信号调制在507KHz的载波上，经过后级功率放大后发送至天线；潜艇航模通过线圈接收信号，经放大、检波、整形后再送至PT2272解码，解码信号经单片机处理后发送至红外发射模块；电机单元接收红外信号并解码，以此控制电机工作。

各个部分的理论分析如下：1.1.1 陆基单元发射电路分析陆基部分发射信号时，工作频率为507KHz，则电磁波波长为591.7m。

设计要求天线长度为10m，远小于波长λ的1/4即147.9m，因此在传输过程中信号衰减很大。

为增大天线发射功率，一般采用高效率的丙类放大电路对信号进行功率放大。

对于ASK调制信号，采用较好的解调方法时，幅度要求不高，经过匹配网络后直接与L形天线相连。

1.1.2潜艇航模接收电路分析接收端天线采用磁棒天线，并在其线圈上并联一个电容构成谐振频率为507KHz的LC振荡回路，以达到最好的接收效果。

经实测其线圈电感值L=11.7uF，由得并联电容C=8.4nF。

接收信号经过放大，再进行检波整形可得到数字信号。

1.1.3电机单元步进电机转动时，在反向电动势作用下，相电流会随频率的增大而减小，从而导致力矩下降，甚至出现失步现象。

一般步进电机的精度为步进角的3～5%，而且误差不会随着电机的转动累积，使用三相六拍工作方式时，误差能达到2%以内，满足设计要求。

1.2 器件选择1.2.1单片机的选择及介绍由于潜艇航模在水下工作，只能采用电池供电方式，为满足设计要求，系统设计时采用TI公司的低功耗单片机MSP430F449，并充分利用其丰富的外设，以简化外部电路。

MSP430F449有非常广泛的应用，其主要特点如下：功耗超低、处理能力强大、系统工作稳定、外设资源丰富、调试功能方便、代码保护能力强。

具体介绍如下： MSP430F449的端口P1-P6可以直接用于输入输出，以实现多功能复用。

每个I/O口位都可以通过编程寄存器进行独立设置，允许任意组合输入、输出。

其中，P1、P2 口除了支持输入输出以外，还支持硬件中断。

MSP430F449单片机的时钟模块包括高速晶体振荡器、低速晶体振荡器、数字控制振荡器、锁频环FLL及锁频环增强版本FLL+等部分，可任意设置系统时钟，适合各种应用场合。

MSP430F449定时器资源丰富，除了实现基本定时功能外，看门狗定时器可在程序发送错误时实现一个受控的系统重启，基本定时器支持软件和各种外围模块工作在低频低功耗条件下，定时器A支持同时进行的多种时序控制和多个捕获/比较功能。

1.2.2 功放芯片的选择及介绍系统设计时调制方式采用ASK调制方式，调制信号经过功放级将信号放大后再发射。

功率放大芯片采用的是TI公司的大电流反馈型运放OPA561，其最大输出电压峰峰值为12V，最大输出电流可达1.2A，在通信系统中主要应用在对载波信号的放大。

OPA561带有热关断功能，当芯片电流过大温度过高的时候可以自动切断输出以达到自我保护的目的。

该芯片输出电流较大，使用时要注意加上散热片，焊接的时候要把芯片底部金属板焊在转接板上并与散热片相连易于热量的散出。

1.2.3 整形芯片的选择及介绍ASK 调制信号解调时,采用检波整形的方法以得到数字信号。

系统设计时采用了TI 公司的双路比较器TLC372。

TLC372是一款低功耗比较器，其供电电压范围为2V 到18V ，最快反应时间可达200ns ，典型输入阻抗高达1012Ω，因而无需任何输入缓冲级。

其内部采用漏极开路输出形式，可为输出提供一个缓冲的低阻抗输出，极低的输入失调电压电流使得转换波形输出时噪声很小。

1.3 设计方案论证1.3.1 编码解码方式的选择方案一：采用单片机编码解码组成无线通信系统，用串口通信方式实现潜艇航模与陆基单元通信。

方框图如下所示：图1.1 无线通信方案一方框图系统组成简单，成本低，但采用单片机异步串口通信方式误码率较高。

方案二：采用编解码芯片PT2262与PT2272组成无线通信系统，PT2262接收单片机的按键码制后对其编码并通过天线发射，接收天线接收信号后输入到PT2272解码。

方框图如下所示：图1.2 无线通信方案二方框图系统功耗小，虽然通信信道容量不大，但数据传输的可靠性增加。

综合考虑以上两种方案并结合题目要求，决定采用方案二进行编码解码。

1.3.2 工作信号产生方法的选择方案一：采用直接数字频率合成（DDS）技术产生。

DDS的基本工作原理是：每个参考频率上升沿到来时，相位累加器的值便按照频率控制字K的长度增加一次，所得的相位值被输出至正弦查找表，查找表将相位信息转化为相应的正弦幅度值，经D/A转换和幅度控制，再滤波就得到所需波形。

DDS具有相对频带宽、频率转换时间短、频率分辨率高等优点，信号频率范围覆盖低频和高频，便于单片机控制。

但D/A的输出信号呈阶梯状，需经过一级滤波以得到平滑曲线。

这样对D/A和运放的要求较高，使得电路复杂。

方案二：利用MSP430F449内部定时器A输出PWM。

该定时器分为计数器部分，捕获/比较器部分及输出单元。

其中，计数器部分有4种工作模式，可通过软件选择灵活地完成定时/计数功能；捕获/比较器用于捕获事件发生的时间和产生时间间隔，每个的结构完全相同，相互之间的工作完全独立；输出单元具有可选的8种输出模式，用于产生需要的输出信号。

设计时使定时器A的计数器工作在增计数方式，输出采用输出模式7，再利用捕获/比较寄存器0控制PWM波形的周期。

输出信号再经LC回路滤除高次谐波，频率精确，波形稳定，无需外加芯片，容易实现。

综合比较以上两种方式，决定采用方案二产生工作信号。

1.3.3 调制方式的选择方案一：采用AM调制体系，即载波信号与调制信号在AM调制器中进行幅度调制，使其振幅按调制信号规律变化。

功放级再将调制后的信号的功率放大到所需发射的功率，然后经天线发射出去。

但该调制方式抗干扰能力差，且调制解调电路复杂。

方案二：采用FM调制体系，即载波信号与调制信号在FM调制器中进行频率调制，使调制后的载波频率与调制信号成线性关系。

此调制方式由三部分组成，即频率合成器、音频处理器和FM波的缓冲放大器。

该调制方式发送功率大，抗干扰能力强，但调制解调电路复杂。

方案三：采用ASK调制体系，即利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。

此调制方式可由模拟调制法和键控法实现，调制解调电路简单，功耗较低，需用功放级将调制后的信号的功率放大到所需发射的功率，然后经天线发射出去。

综合考虑，选用方案三即使用ASK调制体系。

2 系统实现2.1 硬件设计2.1.1 整体电路框图系统的总体框图如下：图2.1 系统整体框图2.1.2 各个功能模块设计（1）陆基单元主要由调制部分和功放部分组成，实现编码信号的调制和发射。

A、调制部分陆基单元以PT2262的编码输出控制模拟开关CD4051的通断，从而实现ASK调制。

设计时将CD4051的地址线B、C接地，A 接PT2262的输出，以此进行通道的选择，而通道0和1则分别接地和载波信号的输入。

具体电路如下：图2.2 PT2262调制电路B、功放部分为增大天线的发射功率，采用两级放大。

前级放大使用电流反馈型放大器OPA561以驱动后级，后级功放采用丙类谐振功放，以提高发射功率和效率。

具体电路如下：图2.3 功放电路（2）潜艇航模主要由接收放大部分、解调部分和红外发射部分电路组成，实现编码信号的解调和发射。

A、接收放大部分接收部分采用收音机套件里面的磁棒线圈当作接收天线。

当线圈与天线的距离加大到3米时，线圈上接收到的信号峰峰值只有10mV左右，需要经过放大之后才能进行解调。