MSP430單片機在水聲應(yīng)答釋放器中的應(yīng)用

摘要：水聲應(yīng)答釋放器往往需要采用值更電路提高其待機和工作時間。應(yīng)用MSP430單片機設(shè)計的應(yīng)答釋放器值更電路，采用電源管理、NOT CH濾波等技術(shù)手段，功能齊全，功耗低，經(jīng)使用驗證具有超過30天的待機時間。
關(guān)鍵詞：應(yīng)答釋放器；MSP430單片機；值更；NOTCH濾波

    水聲應(yīng)答釋放器是合作目標定位導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵控制單元之一。應(yīng)答釋放器長時間布放在水下，接收水上系統(tǒng)的控制指令，通過單脈沖的接收和發(fā)射完成測距。水聲應(yīng)答釋放器的功能通常還包括深度(壓力)遙測、狀態(tài)自檢和自主釋放回收等。
    海上應(yīng)用條件惡劣，使用要求復(fù)雜，應(yīng)答釋放器往往需要在滿足規(guī)定的應(yīng)答工作時間之外，具有很長的待機等待時間。為此，實用的應(yīng)答釋放器除了器件的選型和電路低功耗設(shè)計外，往往都采用值更和工作兩種狀態(tài)來進一步降低功耗；在工作狀態(tài)下，開啟DSP運算電路實現(xiàn)可靠的高精度應(yīng)答測距；在值更狀態(tài)下，關(guān)閉一切不必要的電路，僅僅檢測水上系統(tǒng)的控制指令，并給出回復(fù)。
    由于應(yīng)答釋放器長時間工作在值更狀態(tài)下，所以值更電路的功耗成為了首要問題．采用低功耗的單片機MSP430F5438有效解決了系統(tǒng)對功耗的要求問題。

1 應(yīng)答釋放器值更電路硬件設(shè)計
1．1 MSP430F5438單片機的性能特點
    MSP430F5438是TI公司一種具有超低功耗特性的功能強大的單片機，具有以下特點：
    1)超低功耗
    MSP430F5438運行在1 M時鐘、2．2 V供電條件下，工作電流為165μA，超低功耗。
    2)強大的處理能力
    MSP430F5438具有18 M系統(tǒng)時鐘；具有豐富的尋址方式，但只需簡潔的27條指令，片內(nèi)寄存器數(shù)量多，存儲器可實現(xiàn)多種運算；有高效的查表處理方法；內(nèi)部中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用靈活方便。
    3)豐富的片上外圍模塊
    外圍模塊包括：12位A／D、精密模擬比較器、硬件乘法器、兩組頻率可達8 M的時鐘模塊、兩個帶大量捕獲／比較器的16位定時器、看門狗、兩個可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問的串行通信接口、數(shù)十個可實現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等。
    4)大量的存儲空間
    MSP430F5438是FLASH型的單片機，有多達256 kBFLASH ROM和16KB RAM。
    MSP430F5438單片機的強大功能和超低功耗為實現(xiàn)應(yīng)答釋放器的各項功能提供了基礎(chǔ)。
1．2 值更電路硬件框圖
    值更電路的作用是接收遙控指令，并根據(jù)遙控指令做出相應(yīng)的反應(yīng)。水面遙控指令主要有：開機、待機、釋放、自檢等。其中，開機是將應(yīng)答釋放器的DSP電路加電，準備進行高精度應(yīng)答測距；待機是將應(yīng)答釋放器的DSP電路關(guān)閉，重新返回低功耗值更狀態(tài)；釋放指令打開釋放勾，解脫沉塊，使收發(fā)機上浮回收；自檢指令使收發(fā)機進行壓力(深度)檢測和電源檢測，通過水聲通信上傳。因此，除了外部信號輸入、指令發(fā)射控制和JTAG調(diào)試端口外，MSP430F5438單片機還需要實現(xiàn)對各類電源的監(jiān)控和管理、壓力數(shù)據(jù)的采集、釋放機構(gòu)的控制等。另外，RS232端口用于實驗室和水面調(diào)試時與PC機的通信，I2C實現(xiàn)與DSP工作電路的數(shù)據(jù)通信。值更電路的硬件框圖如圖1所示。

1．3 數(shù)據(jù)輸入端口分配
    外部信號采集、電源監(jiān)控和壓力傳感器數(shù)據(jù)都是經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后送到MCU進行處理的?？紤]到系統(tǒng)的功耗和復(fù)雜程度，ADC選用MCU內(nèi)部集成的12 bit的ADC，電氣連接關(guān)系如表1所示。

    其中，信號是由外部寬帶接入，經(jīng)片內(nèi)ADC后進入單片機內(nèi)部，做兩路窄帶濾波后，分別針對RZ—BFSK數(shù)字通信方式的兩路遙控指令頻點。電源電壓經(jīng)過一個分壓網(wǎng)絡(luò)之后，送到MCU，在電源電壓低到閾值時給出電源不足報警信號。
1．4 電源管理接口設(shè)計
    為實現(xiàn)水聲應(yīng)答釋放器的低功耗，對工作模塊電源、釋放機構(gòu)電源、壓力傳感器電源和功放電源實行嚴格管理，系統(tǒng)只有在收到指令后，才開啟相應(yīng)模塊的電源。電源控制采用電平觸發(fā)模式，其電氣連接關(guān)系如表2所示。

1．5 其他
   為提高系統(tǒng)可靠性，增加基于MAX6369的低功耗硬件看門狗，在3．3 V電源時供電電流8μA；為了提高發(fā)射機的效率，功率放大器工作在D類模式下，采用對稱方波驅(qū)動，由MCU直接產(chǎn)生，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度；為在實驗室條件下對水聲應(yīng)答釋放器調(diào)試和參數(shù)設(shè)置，設(shè)計了RS2 32數(shù)據(jù)傳輸接口。

2 水聲應(yīng)答釋放器值更電路軟件設(shè)計
2．1 值更電路軟件流程
    應(yīng)答釋放器的值更管理功能包括：水聲通信命令碼組檢測、水聲通信命令解釋、水聲通信編碼發(fā)射、電源管理、釋放機構(gòu)管理和設(shè)置DSP參數(shù)等。軟件流程如圖2所示。

    以下為主程序的部分初始化代碼
   

2．2 水聲命令檢測
    對于應(yīng)答釋放器的值更電路，最大的挑戰(zhàn)在于對水聲命令的可靠檢測和水聲通信脈沖的確認。在MSP430F5438中對信號的檢測采用Notch濾波器能量檢測法。其算法為：
   
    由于MSP430F5438的核時鐘頻率為18 MkHz，處理性能比DSP專用數(shù)字處理芯片差很多，采取以下措施使其實現(xiàn)兩路Notch濾波檢測：
    1)采用求絕對值的方法來代替包絡(luò)輸出，同時避免了計算溢出；
    2)用濾波器平滑算法代替均值平滑算法；
    3)對其中一路信號采用4倍采樣。
2．3 水聲命令脈沖挑選
    由于水聲多途的影響，包含規(guī)定碼元的命令信號通過水聲信道后到達水聲收發(fā)機時往往會多于規(guī)定的脈沖，嚴重時甚至?xí)霈F(xiàn)碼間干擾。因此需要對采集的脈沖信息進行挑選，然后再判定屬于哪路命令。
    設(shè)得到的脈沖序列用p(0)、p(1)、p(2)、…、p(N)來表示，如果是一個正確的命令，那么各個脈沖起點與第一個脈沖起點存在下述關(guān)系：
    p(k)=p(0)+k*100
    考慮到傳播途徑對信號的影響，上式變?yōu)椋?br />     p(0)+k*100-ξ≤p(k)<p(0)+k*100+ξ
    即：
    k*100-2*ξ≤p(k)-p(0)-ξ<k*100
    根據(jù)碼元間距和奇偶校驗位來挑選水聲通信命令脈沖的流程如圖3所示。

3 結(jié)論
    基于MSP430F5438微處理器的應(yīng)答釋放器值更電路設(shè)計，通過科學(xué)合理的電源管理、簡潔高效的水聲信號處理和命令檢測軟件，達到了低功耗、高可靠的值更功能，經(jīng)使用驗證待機時間大于30天。同時，其發(fā)射控制和釋放回收功能在應(yīng)答釋放器的實際使用中也得到了充分的驗證。