MSP430單片機在水聲應答釋放器中的應用

楊家庚，孫 昕

（中國人民解放軍91439部隊 遼寧 大連 116041）

水聲應答釋放器是合作目標定位導航系統的關鍵控制單元之一。應答釋放器長時間布放在水下，接收水上系統的控制指令，通過單脈沖的接收和發射完成測距。水聲應答釋放器的功能通常還包括深度（壓力）遙測、狀態自檢和自主釋放回收等[1-2]。

海上應用條件惡劣，使用要求復雜，應答釋放器往往需要在滿足規定的應答工作時間之外，具有很長的待機等待時間。為此，實用的應答釋放器除了器件的選型和電路低功耗設計外，往往都采用值更和工作兩種狀態來進一步降低功耗：在工作狀態下，開啟DSP運算電路實現可靠的高精度應答測距；在值更狀態下，關閉一切不必要的電路，僅僅檢測水上系統的控制指令，并給出回復。

由于應答釋放器長時間工作在值更狀態下，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有效解決了系統對功耗的要求問題[3-4]。

1 應答釋放器值更電路硬件設計

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[5-6]：

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 165 μA，超低功耗。

2）強大的處理能力

MSP430F5438具有18 M系統時鐘；具有豐富的尋址方式，但只需簡潔的27條指令，片內寄存器數量多，存儲器可實現多種運算；有高效的查表處理方法；內部中斷源較多，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、兩個可實現異步、同步及多址訪問的串行通信接口、數十個可實現方向設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 kB FLASH ROM和16KB RAM。

MSP430F5438單片機的強大功能和超低功耗為實現應答釋放器的各項功能提供了基礎。

1.2 值更電路硬件框圖

值更電路的作用是接收遙控指令，并根據遙控指令做出相應的反應。水面遙控指令主要有：開機、待機、釋放、自檢等。其中，開機是將應答釋放器的DSP電路加電，準備進行高精度應答測距；待機是將應答釋放器的DSP電路關閉，重新返回低功耗值更狀態；釋放指令打開釋放勾，解脫沉塊，使收發機上浮回收；自檢指令使收發機進行壓力（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、指令發射控制和JTAG調試端口外，MSP430F5438單片機還需要實現對各類電源的監控和管理、壓力數據的采集、釋放機構的控制等。另外，RS232端口用于實驗室和水面調試時與PC機的通信，I2C實現與DSP工作電路的數據通信。值更電路的硬件框圖如圖1所示。

圖1 值更電路硬件框圖Fig.1 Hardware diagram of watching circuit

1.3 數據輸入端口分配

外部信號采集、電源監控和壓力傳感器數據都是經過ADC轉換成數字信號之后送到MCU進行處理的。考慮到系統的功耗和復雜程度，ADC選用MCU內部集成的12 bit的ADC，電氣連接關系如表1所示。

表1 值更電路數據輸入端口電氣連接關系表Tab.1 Electric connect relation of I/O port in watching circuit

其中，信號是由外部寬帶接入，經片內ADC后進入單片機內部，做兩路窄帶濾波后，分別針對RZ-BFSK數字通信方式的兩路遙控指令頻點。電源電壓經過一個分壓網絡之后，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 電源管理接口設計

為實現水聲應答釋放器的低功耗，對工作模塊電源、釋放機構電源、壓力傳感器電源和功放電源實行嚴格管理，系統只有在收到指令后，才開啟相應模塊的電源。電源控制采用電平觸發模式，其電氣連接關系如表2所示。

表2 電源管理接口電氣連接關系表Tab.2 Electric connect relation of power supply management I/O port

1.5 其 他

為提高系統可靠性，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8 μA；為了提高發射機的效率，功率放大器工作在D類模式下，采用對稱方波驅動，由MCU直接產生，降低了系統的復雜程度；為在實驗室條件下對水聲應答釋放器調試和參數設置，設計了RS232數據傳輸接口。

2 水聲應答釋放器值更電路軟件設計

2.1 值更電路軟件流程

應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、水聲通信編碼發射、電源管理、釋放機構管理和設置DSP參數等。軟件流程如圖2所示。

圖2 值更電路軟件流程Fig.2 Flow chart of watching circuit

以下為主程序的部分初始化代碼

2.2 水聲命令檢測

對于應答釋放器的值更電路，最大的挑戰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[7-9]。其算法為：

信號包絡輸出幅度：

噪聲門限采用自適應門限。

由于MSP430F5438的核時鐘頻率為18 MkHz，處理性能比DSP專用數字處理芯片差很多，采取以下措施使其實現兩路Notch濾波檢測：

1）采用求絕對值的方法來代替包絡輸出，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，包含規定碼元的命令信號通過水聲信道后到達水聲收發機時往往會多于規定的脈沖，嚴重時甚至會出現碼間干擾。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系：

考慮到傳播途徑對信號的影響，上式變為：

即：

根據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。

圖3 水聲通信命令脈沖挑選流程圖Fig.3 Flow chart of selecting acoustic command

3 結 論

基于MSP430F5438微處理器的應答釋放器值更電路設計，通過科學合理的電源管理、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，經使用驗證待機時間大于30天。同時，其發射控制和釋放回收功能在應答釋放器的實際使用中也得到了充分的驗證。

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