張景卓 肖大為

（海軍工程大學(xué)理學(xué)院物理系，武漢430033）

1 引言

對(duì)于需要長(zhǎng)期工作在深海中的測(cè)量系統(tǒng)，只能采用電池供電，而測(cè)量系統(tǒng)體積是固定的，其內(nèi)部只能裝入一定數(shù)量的電池，所以其硬件電路的設(shè)計(jì)必須遵從低功耗的原則，采用功耗低的值班電路控制系統(tǒng)工作。

以往的水下測(cè)量系統(tǒng)一般采用模擬器件設(shè)計(jì)組成值班電路，以節(jié)省系統(tǒng)功耗。但是，這種模擬電路無法檢測(cè)編碼信號(hào)，靈活性不強(qiáng)。鑒于系統(tǒng)對(duì)電路的功耗和靈活性的要求，本設(shè)計(jì)采用美國(guó)TI公司的MSP430F1611單片機(jī)作為水下測(cè)量系統(tǒng)值班電路的核心處理器。

2 MSP430單片機(jī)簡(jiǎn)介

TI公司的MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，其中包括一系列片內(nèi)外設(shè)，它們針對(duì)不同的應(yīng)用而由不同的模塊組成。這些微控制器以電池作動(dòng)力，可以長(zhǎng)時(shí)間使用。

其具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU中的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使 MSP430微控制器能達(dá)到最高的代碼效率；靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗；數(shù)字控制振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于 6 μs的時(shí)間內(nèi)激活到活躍的工作方式。MSP430F1611具有豐富的外部資源，值班電路的大部分功能就是由單片機(jī)內(nèi)部集成的外圍模塊完成的。

3 值班電路的硬件構(gòu)成

值班電路各功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。接收預(yù)處理板實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的放大、濾波，提高接收信號(hào)的信噪比。單片機(jī)的片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換模塊對(duì)接收預(yù)處理板輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，檢測(cè)喚醒信號(hào)；單片機(jī)的片內(nèi)DMA控制器直接將FLASH存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳送給其DA轉(zhuǎn)換模塊，為發(fā)射機(jī)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；兩種時(shí)鐘的使用，有利于值班電路降低功耗，高速時(shí)鐘用于算法計(jì)算，低速時(shí)鐘用于系統(tǒng)計(jì)時(shí)；單片機(jī)可以通過串行接口接收主機(jī)或其它設(shè)備的數(shù)據(jù)，完成軟件的基本配置。

圖1 值班電路各功能模塊框圖

3.1 信號(hào)預(yù)處理電路

接收預(yù)處理電路接收來自傳感器的信號(hào)，完成信號(hào)的預(yù)處理，提高信噪比，其電路由前級(jí)放大、模擬開關(guān)、帶通濾波器和后級(jí)放大等幾部分組成。圖2為接收預(yù)處理板組成框圖。

接收預(yù)處理板對(duì)接收頻帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，提高信號(hào)信噪比。其前級(jí)和后級(jí)放大電路均采用反相比例放大電路，中間加入了一級(jí)增益控制電路，由單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)增益控制，以滿足系統(tǒng)在不同海域的測(cè)試。

圖2 接收預(yù)處理板組成框圖

綜合考慮功耗和噪聲的要求，濾波器電路設(shè)計(jì)采用的運(yùn)算放大器為TI公司的OPA2348，其靜態(tài)電流在+5V供電時(shí)為45 μA，可在單2.1 V至5.5 V供電條件下工作。

圖3 帶通濾波器二階節(jié)電路圖

圖3為用GIC（通用導(dǎo)抗變換器）實(shí)現(xiàn)的二階節(jié)濾波電路，其對(duì)拐點(diǎn)頻率和Q值有非常強(qiáng)的控制能力。本設(shè)計(jì)采用此種電路作為構(gòu)成帶通濾波器的基本二階節(jié)，將四個(gè)二階節(jié)濾波電路級(jí)聯(lián)起來，構(gòu)成接收預(yù)處理板帶所需的8階帶通濾波器。

3.2 基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊

基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊對(duì)于達(dá)到低廉的系統(tǒng)成本和微弱的系統(tǒng)功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)是非常重要的，利用其3個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，可以在系統(tǒng)的低功耗和高性能之間得到最佳平衡。

如圖4所示，MSP430單片機(jī)基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊有3個(gè)時(shí)鐘輸入源，可以提供3種時(shí)鐘信號(hào)。

圖4 MSP430單片機(jī)基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊

值班電路設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)晶體作為單片機(jī)的外接時(shí)鐘輸入源，32.767 kHz晶振接LFXT1CLK，此時(shí)鐘經(jīng)1分頻得到ACLK，供定時(shí)器作為輸入時(shí)鐘；8 MHz晶振接XT2CLK，MCLK選擇XT2CLK作為時(shí)鐘輸入源，并作為系統(tǒng)工作的主時(shí)鐘；SMCLK也選擇 XT2CLK作為時(shí)鐘輸入源，作為子系統(tǒng)時(shí)鐘。在調(diào)試基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊時(shí)，必須要等待晶振完全起振后再對(duì)時(shí)鐘控制寄存器設(shè)置，否則時(shí)鐘設(shè)置將不會(huì)成功。

3.3 定時(shí)器模塊

MSP430F1611有三種定時(shí)器：看門狗定時(shí)器(WDT)、定時(shí)器A、定時(shí)器B。

看門狗定時(shí)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)定時(shí)器，其主要功能是：當(dāng)程序發(fā)生故障時(shí)能夠使受控系統(tǒng)重新啟動(dòng)。如果 WDT超過所定時(shí)的時(shí)間，即發(fā)生系統(tǒng)復(fù)位。如果系統(tǒng)不需要看門狗功能，也可將它當(dāng)作定時(shí)器使用，當(dāng)?shù)竭_(dá) WDT所定時(shí)的時(shí)間時(shí)能產(chǎn)生中斷。本設(shè)計(jì)沒有使用看門狗定時(shí)器，在調(diào)試時(shí)用軟件指令將其關(guān)閉。定時(shí)器 A是MSP430所有系列器件都有的模塊，是一個(gè)用途非常廣泛的通用16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。定時(shí)器A主要特點(diǎn)有：16位計(jì)數(shù)器，4種工作模式；多種可選的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘源；具有多個(gè)可配置輸入端的捕獲/比較寄存器；有8種輸出模式的多個(gè)可配置的輸出單元。

定時(shí)器A可支持同時(shí)進(jìn)行多種時(shí)序控制、多個(gè)捕獲/比較功能及多種輸出波形(PWM)，也可以是幾種功能的組合。每個(gè)捕獲/比較寄存器可以以硬件的方式支持實(shí)現(xiàn)串行通信。定時(shí)器A還具有中斷能力。中斷可由計(jì)數(shù)器溢出引起，也可來自具有捕獲或比較功能的捕獲/比較寄存器。每個(gè)寄存器可獨(dú)立編程，由捕獲或比較外部信號(hào)以產(chǎn)生中斷，外部信號(hào)可以是上升沿，也可是下降沿，也可二者都有。

3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

值班電路需要對(duì)接收預(yù)處理板輸出的模擬信號(hào)采樣分析，如果采用外加AD采集器，必然會(huì)增加系統(tǒng)的功耗，而單片機(jī)內(nèi)部集成有多通道12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊(以下稱ADC12)，它的最高采樣頻率為 200kHz，12位的數(shù)據(jù)精度滿足應(yīng)答器系統(tǒng)的指標(biāo)要求，所以采用單片機(jī)的片內(nèi)外設(shè)ADC12作為值班電路的AD采集器，這也是系統(tǒng)選擇 MSP430F1611作為值班電路處理器的主要原因之一。

ADC12使用起來相當(dāng)靈活方便，使用相關(guān)的控制寄存器即可。該模塊的寄存器很多，大致可分為4類：轉(zhuǎn)換控制類、中斷控制類、存儲(chǔ)控制類及存儲(chǔ)器類。其中最主要的是轉(zhuǎn)換控制類寄存器 ADC12CTL0和 ADC12CTL1，它們一起控制了ADC12的大部分操作。

4 值班電路的軟件設(shè)計(jì)

值班電路的信號(hào)檢測(cè)程序通過自適應(yīng)濾波器檢測(cè)水面母船發(fā)送的喚醒信號(hào)。自適應(yīng)濾波就是利用前一時(shí)刻所獲得的濾波器參數(shù)等結(jié)果，自動(dòng)調(diào)整現(xiàn)在時(shí)刻的濾波器參數(shù)，以達(dá)到最佳濾波。自適應(yīng)濾波技術(shù)是統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理的重要組成部分，對(duì)于任何未知統(tǒng)計(jì)特性的環(huán)境信號(hào)，它所帶來的新的信號(hào)處理能力是其它固定濾波器無法比擬的。

自適應(yīng)Notch濾波器是針對(duì)信號(hào)已有先驗(yàn)知識(shí)情況下的，只有兩個(gè)正交權(quán)的窄帶濾波器。其頻率特性的陷波中心頻率除等于外加的正弦或余弦頻率外，還隨著它的改變而自動(dòng)的修改濾波參數(shù)來對(duì)準(zhǔn)，即自適應(yīng)的跟蹤。這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是很容易控制帶寬，消噪聲的能力沒有限制，能夠準(zhǔn)確跟蹤干擾頻率。

圖5 自適應(yīng)Notch濾波器原理圖

5 結(jié)束語

本文充分利用了MSP430單片機(jī)的片內(nèi)外設(shè)資源，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、可檢測(cè)編碼信號(hào)的水下值班檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)長(zhǎng)期工作于水下的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

[1]魏小龍. MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002.

[2]丁士圻. 模擬濾波器. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2004.

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[4]胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī). 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2001.

[5]維德羅 B, 史蒂恩斯 SD. 自適應(yīng)信號(hào)處理. 王永德, 龍憲惠譯校. 四川: 四川大學(xué)出版社, 1989.