水下磁感應無線通信模塊設計

朱景波,高天德,張博強

(西北工業大學 航海學院，西安 710072)

0 引言

海洋中蘊藏著豐富的油氣、礦產和生物基因等資源，而且在維護國家領土安全、預防自然災害等方面有著舉足輕重的地位。隨著人類探索范圍的不斷擴大，針對海洋的科學研究越來越多。研究人員通常需要在海洋中布放各種傳感器網絡，對海洋中的水文信息、環境信息等進行實時監測[1]。為了提升海洋觀測系統的靈活性，傳感器節點通常是獨立密封的，因此水下無線通信技術在海洋觀測系統中的應用越來越廣泛。

現有的水下無線通信系統通常以聲波或者藍綠激光作為傳輸媒介。這兩種信息載體在水中衰減較少，傳輸距離遠，可以實現遠距離通信[2]。在海洋觀測系統中，主機可以移動到傳感器附近進行信息收集，節點之間的通信一般發生在近場，聲學和激光通信方式的優勢不能充分發揮。而且聲學通信系統一般功耗較大，且傳輸速率慢，信道復雜，實現算法難度大[3]；激光通信系統具有很強的方向性，水質和浮游生物等因素常常會影響通信效果，限制了應用范圍[4-5]。針對水下近距離無線通信的應用需求，設計了一種基于磁場耦合的半雙工無線通信模塊。信號通過準靜態磁場傳輸，不存在路徑傳輸損耗和多徑效應，能夠實現穩定、高速的無線通信[6-7]。

1 原理及整體方案

在海洋觀測系統中，傳感器節點長期布放于水中進行數據采集。當我們需要某個傳感器節點的數據時，可以下放一個遙控無人潛水器(ROV，remote operated vehicle)將數據回讀，進行實時顯示或存儲。ROV通過電纜與船上連接，由船上控制移動到傳感器節點附近，進行無線數據傳輸。ROV作為主機，通過轉發上位機指令發起通信，傳感器節點作為從機，收到指令后進行回復。

ROV和傳感器節點分別裝載磁感應無線通信模塊，兩者通過線圈在周圍空間產生的交變磁場進行信息的傳輸，點對點的通信模型如圖1所示。信號調制到載波頻率后，經過驅動電路加載到線圈兩端。由于線圈上的電流是交變的，會在周圍空間產生交變的磁場，與此同時，接收端線圈位于交變的磁場中，會產生感應電流和感應電壓。接收線圈兩端的感應電壓經過調理之后解調為基帶信號，從而完成信號的傳輸[8]。

圖1 磁感應點對點通信模型

為了保證通信效果，需要將基帶信號搬移到高頻信道進行傳輸。基本的調制方法有三種：幅移鍵控(ASK，amplitude shift keying)、頻移鍵控(FSK，frequency shift keying)、相移鍵控(PSK，phase shift keying)。ASK調制方式抗干擾能力較差，PSK調制方式抗干擾能力強，但是實現復雜，增加設計難度。FSK調制方式抗干擾能力相對較強，且實現方式簡單[9]。2FSK調制方式是用兩種載波頻率表示傳輸的信息，可以用計數器分頻產生兩種載波頻率，基帶信號電平變化時改變計數周期，從而實現2FSK調制。

主機和從機都包含調制發送和接收解調兩部分。不同的是主機通過轉發上位機指令發起通信，而從機大部分時間處于休眠狀態，由主機喚醒并進行回復。本文主要介紹從機通信模塊的實現方案，通信模塊由主控、調制發送、接收解調和電源管理幾個部分構成。我們選用TI公司的低功耗系列單片機MSP430作為節點的控制中心，通過單片機內部的定時器實現調制功能。接收到的信號經過放大濾波處理，然后通過硬件解調電路轉換成串行信號，接入單片機的串口接收端。從機模塊在大部分時間處于休眠狀態，由通信總線上的有效信號喚醒。調理電路是模塊的“看門電路”，遲滯比較器的作用是提高響應速度，過濾噪聲干擾。信號經過遲滯比較器變成同頻率的方波，接入單片機的比較器輸入端，觸發單片機中斷。單片機程序中進行頻率檢測判斷信號的有效性，當通信總線上出現有效信號時，將從機喚醒。通信模塊整體如圖2所示。

圖2 通信模塊整體框圖

2 硬件設計

2.1 主控芯片

通信模塊的主控芯片選用低功耗微控制器MSP430F-5338。該芯片主時鐘可達到20 MHz，工作狀態下功耗為270 μA/MHz，休眠時功耗僅有1.1 μA。MSP430F5338內部有4個16位定時器，配有多個捕獲寄存器和比較寄存器。定時器的輸出模塊支持7種輸出模式，改變計數周期就可以改變輸出信號的頻率，滿足信號調制的應用需求。該芯片集成兩個通用串行通信接口控制器，可以用于串行信號的發送和接收。串行信號高低電平變化時，載波頻率要隨之切換。我們可以通過外部中斷實現頻率控制，將串口發送信號接入外部中斷輸入引腳，當信號發生高低電平變化時，會觸發上升沿或下降沿中斷，這時我們修改定時器的計數值，改變輸出頻率。用外部中斷控制頻率變化，可以省去復雜的定時機制，同時保證調制信號的碼元寬度。單片機最小系統如圖3所示。

圖3 MSP430F5338最小系統框圖

2.2 接收調理電路

調理電路的作用是將線圈兩端接入的微弱電壓信號放大，同時抑制帶外信號，提高信噪比。調理電路的頻率特性為帶通濾波器，通帶內有一定的放大倍數，且具有低噪聲、高輸入阻抗的特點。我們采用前置放大、高通濾波、低通濾波的電路結構實現信號調理。由于調理電路需要持續工作，因此對功耗有嚴格的要求。我們選用TI公司的低功耗運算放大器TLV9002，該芯片為雙通道運算放大器，每通道靜態功耗僅有60 μA。該芯片噪聲較低且價格低廉，適用于對成本敏感的設計。

前置放大電路要設置適當的增益，以充分利用運放的增益帶寬積，起到抑制帶外噪聲的目的。同相放大電路具有較高的輸入阻抗，電路結構如圖4所示。

圖4 前置放大電路

信號通過交流耦合方式接入電路，調節R1、R3的阻值可以設置增益。我們在反饋電阻兩端并聯電容C1來限制電路的帶寬，抑制寬帶噪聲，截止頻率按下式計算：

(1)

其中:fc表示圖4中RC網絡的截止頻率。

濾波電路包括高通濾波和低通濾波兩部分。為了保證頻率響應的帶內平坦度，我們選用巴特沃斯濾波器結構[10]。二階巴特沃斯濾波器可以實現每倍頻程12 dB的衰減，電路結構采用反相輸入單放大器雙二次節型(Neg SAB)，通過單個運放即可實現二階濾波器結構，簡化電路設計。濾波器電路如圖5所示。

圖5 濾波電路

2.3 解調電路

FSK解調可以通過軟件和硬件兩種方式實現。軟件解調方式功耗較低，但是需要生成同頻同相的本地載波，實現起來較為復雜。硬件解調方式一般通過鎖相環電路，實現方式簡單且誤碼率極低，缺點是電路功耗較大，需要單獨關斷。

我們采用硬件解調器XR2211實現信號解調。XR2211是一個專門為數字通信設計的單片鎖相環系統，頻率范圍0.01 Hz～300 kHz。模擬輸入電壓的動態范圍從10 mV～3 V，解調信號開漏輸出，兼容多種電平標準。XR22111只需要設置幾個阻容就可以完成解調功能，電路原理如圖6所示。芯片采用5 V電源供電，由負載開關tps22860控制電源通斷。調制信號從2腳交流耦合輸入，芯片內部將信號偏置到VCC/2。解調信號從7腳輸出，通過5.1 K電阻上拉到3.3 V，與單片機的IO電平兼容。調節R1和C1改變內部振蕩器的頻率，使其等于兩個載波頻率的中心頻率，通過R4設置合理的帶寬，即可完成解調器配置。

圖6 XR2211電路原理圖

2.4 電源設計

從機通信模塊應用于密封的水下系統，只能采用電池供電，為了延長使用時間，我們需要對模塊的供電電路進行優化設計。通信模塊的電源需求如表1所示。

表1 通信模塊電源需求

電路模塊按照工作模式分為兩種。對于間歇工作的電路模塊，供電電路要獨立分開，或串接負載開關，可以通過單片機控制，分時關斷其電源。對于持續工作的電路模塊，要選擇合適的供電方案，降低電源自身的耗散功率。常用的電源芯片分為開關穩壓電源和線性穩壓電源。開關電源效率很高，但是噪聲較大；線性電源噪聲低，但是自身消耗功率較大。主控和信號發送電路是數字電路，可以用開關電源供電；接收調理和解調電路是模擬電路，需要線性電源二次穩壓以降低噪聲[11]。

對于開關穩壓電源，我們要選用低靜態電流、高效率的芯片。由于電流需求較小，最大電流只有10 mA，我們選用ADI公司的開關電源芯片LT3990。該芯片最大可以輸出350 mA電流，輸入電壓可以達到62 V。該芯片在輕載時也可以達到較高的效率，輸出10 mA電流時，效率達到70%左右，遠高于其他電源芯片。線性穩壓電源的效率取決于輸入和輸出的電壓差，在芯片選型時，除了要滿足噪聲要求，還要選擇低壓差的芯片。我們選用TI公司的線性穩壓芯片TPS7A4701，該芯片在輸出1A電流時，壓降僅有307 mV，寬帶噪聲僅4.2 μVRMS，適用于低功耗模擬電路的供電。通信模塊的供電方案如圖7所示，輸入電壓12～48 V，主控和信號發送電路的電壓由兩片LT3990分別產生，調理電路的電源先由LT3990降壓到5.5 V，然后再用TPS7A4701穩壓到5 V，解調電路與調理電路共用5 V電源，通過負載開關TPS22860控制通斷。

圖7 供電方案

3 軟件設計

模塊之間的通信是半雙工的，通信由主機發起，從機回復。每個從機有一個固定的序列號，主機根據序列號在通信總線上發起廣播，從機收到廣播后校驗序列號，如果與自己的序列號相同則在總線上發出回復信息。主從之間的通訊時序如圖8所示。主機下發命令都是固定長度，包含幀頭、從機序列號、詢問內容編碼、校驗和等信息；從機收到指令后，延遲固定時間td進行回復，包含幀頭、幀長度、本機序列號、詢問內容回應、校驗和等信息。

圖8 主從模塊通訊時序圖

主機發送的命令由上位機下發，通信模塊起到信號轉發的作用。主機收到上位機的命令，將指令調制發出，收到從機回復后，將信息轉發給上位機。從機通信模塊大部分時間處于休眠狀態，由通信總線上的信號喚醒。從機模塊喚醒后，打開解調電路和串口，開始接收命令。命令接收完畢后，進行指令解析和回復信息幀組裝，然后延遲固定時間將信號調制發出。為了避免從機通信模塊被錯誤觸發，我們要對通信總線上的信號進行頻率判斷。軟件設計的關鍵部分在于信號調制和頻率檢測的實現。

3.1 FSK調制

為了區分主機信號和從機信號，需要將主機和從機的載波頻率區分開。主機下發的信號稱為下行信號，從機回復的信號稱為上行信號，其載波頻率如表2所示。

表2 通信載波頻率

我們使用單片機內部的定時器TA0產生載波信號。TA0是一個16位定時器，帶有7個可配置的比較/捕獲寄存器TA0CCRx，且每個比較/捕獲模塊都帶有輸出單元。我們把定時器的工作模式配置為遞增，輸出模式配置為翻轉，即計數器從0增加到TA0CCRx的值，并將輸出電平翻轉，然后計數器清零，重復上述過程。我們選用TA0.0引腳輸出調制信號，上述配置完成后，只需改變TA0CCR0的值，即可改變輸出頻率。假設定時器輸入時鐘頻率為fTACLK，我們要輸出的頻率為fout，則比較寄存器TA0CCR0應該配置為:

(2)

以上行信號為例，定時器輸入時鐘頻率為16 MHz，發送高電平載波時，TA0CCR0設置為163；發送低電平載波時，TA0CCR0設置為155。待調制的串行信號接入外部中斷輸入引腳，在外部中斷服務函數中進行頻率切換的控制。信號調制的軟件流程如圖9所示。在調制串行信號之前，我們首先發送一段表示高電平的載波，并將外部中斷的觸發模式設置為下降沿。串口輸出端在空閑狀態下為高電平，當串行信號開始發送時，會產生一個下降沿中斷，我們在中斷服務函數中改變TA0CCR0的值，開始發送低電平；同時將中斷觸發條件改為上升沿，等待下一次外部中斷。

圖9 信號調制流程圖

3.2 頻率檢測

從機通信模塊進入休眠模式后，等待通信線上的信號喚醒。通信總線在空閑狀態下為低電平，有信號出現時，遲滯比較器輸出高脈沖，觸發單片機產生比較器中斷。在理想情況下，我們可以在比較器中斷里面喚醒模塊，開始接收和回復指令。但是在實際應用時，通信總線上有很多干擾信號，導致模塊誤觸發概率增加。通信模塊被喚醒之后，需要給解調電路上電，并打開串口接收，經過串口接收超時，重新進入休眠狀態。誤觸發不僅會導致功耗增大，還可能在超時過程中錯過真正的信號。為了避免誤觸發，要選擇一個更加嚴格的喚醒條件。

主機發送信號時總是以一段高電平載波作為起始，可以通過這段標志性信號來喚醒從機通信模塊。起始信號與噪聲干擾都會觸發比較器中斷，不同之處在于起始信號的頻率是穩定的，且信號是連續的。當起始信號出現時，會以固定頻率連續觸發比較器中斷，且中斷頻率與信號頻率相同。通過定時器計算比較器中斷產生的頻率，當比較器中斷以某個頻率連續產生N次時，即可認為起始信號出現。定時器工作在連續模式，每次進入比較器中斷時，讀取定時器的計數值tnew，與上一次的計數值told相減，得到一個時間差Δt，這個時間差即為信號的周期。我們設置一個目標頻率檢測范圍[flow,fup]，則時間差應該滿足:

(3)

具體實現流程如圖10所示。通信模塊進入休眠模式之前打開定時器，允許比較器中斷。當接收信號超過遲滯比較器的上門限時，遲滯比較器輸出高電平，觸發單片機中斷。在比較器中斷服務函數中讀取定時器的計數值，與上一次的計數值相減，得到兩次中斷的時間差。根據目標信號的周期設置一個時間范圍，如果時間差滿足要求，則將脈沖計數值加1，否則將脈沖計數值清零。脈沖計數值增加到N時，說明滿足頻率范圍的信號連續出現了N次，即起始信號出現。此時打開解調電路和串口接收，開始接收數據。

圖10 頻率檢測流程圖

4 試驗與分析

為了驗證磁感應無線通信模塊的性能，對主機和從機之間的通信進行測試。兩個通信節點的線圈放置于水中，間隔一定距離。主機節點通過RS232接口與上位機連接，通過串口調試助手發送命令；從機節點的序列號為7002，收到主機指令后進行回復。

上位機發送指令查詢序列號為7002的從機是否在線。發送指令為FC 6C 1B 5A 55，其中FC是信息幀頭，1B 5A是7002的16進制碼。從機收到后，回復FC 1B 5A 55 CA，表示本機在線，其中CA是校驗和。用示波器測量通信線上的信號，結果如圖11所示，圖中由上到下的3個通道分別表示從機解調信號、主機線圈兩端信號和主機解調信號。

圖11 示波器測量通信信號

上位機通過串口調試助手連續發送詢問命令，通信結果如圖12所示。

圖12 串口調試助手收發指令

改變線圈之間的距離，進行長時間的測試，統計不同距離時節點的通信成功率，結果如表3所示。

由表3結果可以看出，當線圈間距2 m時，通信成功率仍可達到100%；線圈間隔2.14 m以上時，通信效果急劇下降。由于磁場是靜態場，不具有傳播性，當線圈間距較遠時，接收端信號不能超過遲滯比較器的門限，從機通信模塊沒有被喚醒，因此無法正常通信。磁耦合無線通信模

表3 不同間距時的通信成功率

塊主要應用于水下近場通信，解決水下無纜密封系統的信息傳輸問題，滿足應用要求。水下磁感應通信不存在多徑效應干擾，不需要復雜的算法，實現起來簡單，且通信效果良好[12]。

5 結束語

為了解決海洋觀測系統中無纜信息傳輸的問題，設計了一種基于磁場耦合的低功耗無線通信模塊。通過線圈耦合交變磁場進行信息傳遞，實現半雙工通信。主機通信模塊通過轉發上位機指令發起通信，從機通信模塊大部分時間處于休眠模式，由通信信號喚醒。采用超低功耗單片機MSP430F5338作為主控芯片，通過軟件方式實現通信總線上的載波信號頻率檢測。通過單片機內部定時器和專用鎖相環電路實現2FSK調制和解調，提高信號的抗干擾能力。結果表明，磁感應無線通信模塊設計簡單，成本和功耗較低。在水下間距2 m以內時，通信成功率可以達到100%，在海洋觀測系統中由良好的應用前景。