摩爾斯電碼無線通訊仿真實驗室

陸俊達

研究背景

摩爾斯電碼（Morse code）是一種以信號通斷的時間長短和組合方式傳輸信息的信號代碼。本人在進行科技活動課和信息技術課教學過程中，將摩爾斯電碼收發報的知識和體驗活動引入課堂。學生對摩爾斯電碼很感興趣，但是在學生學習完理論課程以后，我卻沒法找到合適的、仿真度高的教具和學具讓學生體驗摩爾斯電碼收發報過程。所以，很有必要設計一套仿真度高的摩爾斯電碼收發報體驗設備用于裝備學校實驗室和課堂。

項目研究過程

確定項目研究目標

本項目研究的目標，是研究一種方法和相關的設備，便于師生在課堂上靈活地分組開展高仿真度的莫爾斯電碼收發實驗。該項目必須實現如下目標：①設備成本低廉，便于師生動手制作和使用;②可靈活方便地分組學習;③不會對外發射大功率高頻無線電波，不干擾別的電子設備，無須考取業余無線電臺操作證書就可以操作;④可自動收發和自動編解碼，可對使用者的電碼輸入作檢查與測評;⑤設備外形與使用方法、使用效果具有高度仿真性。

規劃系統各部分的組成架構

摩爾斯電碼無線通訊仿真實驗室的總體架構設計為：實驗室里的所有學生組成1個或多個學習小組，以小組形式開展學習活動的科普課堂模式，每個學習小組采用一發一收或一發多收的形式，輪流開展收發摩爾斯電碼的活動。

設計摩爾斯電碼無線通訊仿真終端機電路架構

摩爾斯電碼無線通訊仿真終端機涉及數字和模擬信號的處理，因此電路采用模擬和數字混合的結構，內部架構設計如圖1所示。智能收發一體終端機的應用方法框圖如圖2所示。單接收機沒有發射功能，也沒有智能編解碼能力和學生練習的指導和評價功能，架構較為簡單，如圖3所示。

技術方案

◇仿真終端機通訊鏈路設計

學校教室和實驗室是人員高度密集的場所，無論從保護學生身體健康、防止各教室之間的互相干擾，以及收發電路復雜度、成本等各方面綜合考慮，都不宜使用常規的高頻電磁波作為通訊鏈路，必須使用一種能兼顧以上需求的通訊鏈路替代。而低頻（<5kHz）的電磁耦合現象，正好可以避免高頻電磁波發射和接收電路的各種問題和弊端，也能很好地控制傳輸距離，完全可以滿足本項目的需求。

◇收發電路的設計

本項目采用大功率、高效率數字功放，其核心為TI公司的TPA3116D2數字功放芯片，單電源12V的工作電壓下，BTL模式最大輸出功率為30W，電路效率可達85%以上。電路結構簡單、體積小巧，工作時幾乎不發熱，十分符合本項目需求。

發射天線采用常規導線繞制的大直徑環形天線，為了與數字功放芯片輸出匹配，繞制的天線阻抗為3～4Ω，可以實現最大效率的電磁場轉換。

為了滿足接收電路對增益、功耗的要求，接收電路采用了NSC公司的小功率音頻功放芯片LM386，該芯片最大可以實現200倍（46dB）電壓增益，帶寬可達300kHz，可以4～12V單電源供電，靜態電流只有4mA，非常適合本項目對接收機電路的需求。

接收機天線從體積和重量及便攜性能上考慮，采用了鐵氧體磁棒線圈的形式，根據LC諧振公式計算，天線電感值在30mH左右，并聯1uF薄膜電容，諧振點即可在1kHz左右，實現最大的天線效率。

◇自動收發碼和編解碼功能的設計思路

為了使本項目研究的設備更智能化，更好地輔助學生學習和練習莫爾斯電碼的編解碼能力，在系統功能上還加入了自動收發碼和編解碼功能。這些功能的實現，需要在仿真終端機內加入USB轉串口電路和8位MCU為核心的數字電路，通過MCU內置8位與16位定時器產生發碼時的1kHz信號和計算學生每次按鍵的時間長度和間隔時間長度。從電路復雜程度、成本等各方面綜合考慮，USB轉串口電路由Silicon Labs公司的CP2102芯片實現，MCU則采用Atmel公司的ATMEGA88芯片。

設計電路

電子CAD軟件使用AltiumDesigner 10軟件，主要設計了單接收機的模擬電路和智能收發一體終端機的數字模擬混合電路。

焊接PCB板

PCB板上的元器件全部由本人手工焊接而成。

設計加工外殼

使用AutoCAD 2014設計終端機外殼，并使用激光切割機切割和刻字。

設計規劃系統功能菜單

為了便于教師和學生使用智能收發一體終端機，在人機界面上設計了“設定t值”“自適應學習”等菜單功能。

編寫代碼和燒錄

固件代碼編譯和燒錄使用了GCC的編譯器和AVRstudio，上位機程序采用Embarcadero RAD Studio XE2環境編寫與編譯，使用Microsoft的串口控件操作上位機的串口，程序最終編譯成32位單一可執行文件。

設備組裝與測試

采用手工方式做系統總裝。總裝完成的設備和所有實物成果見圖4和圖5。

創新點

◇利用低頻磁場進行室內近距離無線電通訊實驗。

◇利用MCU進行摩爾斯電碼自動編解碼實驗與自適應算法設計。

研究結論

本項目研究成果目前已經在南寧市逸夫小學2個校區的5年級信息技術課堂和科技活動社團中測試使用，總參與人數達300多人，使用后取得了非常好的效果。項目對于改善教學效果，提高學生學習體驗度和學習積極性具有明顯的效果和重要的意義，項目有繼續深入研究的價值。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目制作了整套適合小學教學的摩爾斯電碼無線收發裝置，用作小學生通過摩爾斯電碼進行發送和接收信息的練習，能夠有效幫助學生學習信息編碼，解碼，以及無線信號傳播收發的相關知識。項目原理科學，構思巧妙，趣味性和實用性強，具有實質性創新，有示范推廣價值。項目可在練習課程標準化方面作出改進和提升。