基于MSP430單片機的窄帶無線數據傳輸模塊的設計

黨朝發等

摘 要： 針對窄帶無線電臺模擬信道傳輸數據信息所存在的局限性問題，研究設計了基于MSP430單片機為核心的窄帶無線數據傳輸模塊，充分利用MSP430系列單片機的主要特點功能，分析研究窄帶無線數據傳輸模塊的基本組成結構和部分硬軟件設計技術方案。在通信電路、數據處理、調制解調、電源管理和抗干擾及傳輸距離等方面做了較深入的研究探析，實現在短波、超短波窄帶無線電臺的模擬信道上進行較高速率的數據通信，提高了信息傳輸的速度，增大了信息傳輸的容量，增強了信息傳輸的可靠性，為窄帶無線數據通信系統的研究應用及發展提供了重要的指導作用。

關鍵詞： MSP430單片機； 窄帶無線電臺； 數據通信； 串口通信

中圖分類號： TN919.72?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）18?0068?04

Abstract： Aiming at the boundedness of analog channel of narrowband radio station in the process of data transmission， a narrowband wireless data transmission module based on MSP430 was designed. The basic parts of the narrow?band wireless data transmission module structure and the design scheme of the partial hardware/software design technology are analyzed， especially in the fields of communication circuit， data processing， MDM， transmission distance， power management and anti?jamming. Moreover， it makes full use of the main characteristics of MSP430 series MCU functions. It achieved high speed data communication on SW or USW narrowband wireless analog channel， increased the speed， capacity and reliability of information transmission. It plays an important guiding role in application and development of narrowband wireless data communication system.

Keywords： MSP430； narrow?band radio station； data communication； serial communication

隨著信息技術的發展，數據通信的應用越來越重要，特別是由短波、超短波窄帶無線電臺、計算機、數據傳輸模塊等單元所構成的窄帶無線數據通信系統，在軍事、工業、交通等領域的廣泛應用已成為當今研究的熱點問題。為了提高信息傳輸的有效性，本文設計了一種基于MSP430系列單片機為核心的窄帶無線數據傳輸模塊，重點研究了數據傳輸模塊的主要組成結構、功能特性及電路設計等問題，能夠為窄帶無線數據通信系統的研究、應用與發展用提供重要的依據。

1 MSP430系列單片機主要性能特點

MSP430系列單片機[1]具有16位RISC結構，該結構具有豐富的尋址方式、簡潔的內核指令和大量的模擬指令及高效的查表處理方法，使用指令有硬件執行的內核指令和基于現有硬件結構的仿真指令，可以提高指令的執行速度和效率，增強實時處理能力；具有可參加多種運算的大量寄存器及片內數據存儲器，用程序存儲器和數據存儲器來存儲程序、數據及外圍模塊的運行控制信息，其寄存器和常數發生器使其微控制器能達到最高的代碼效率；外圍模塊經過存儲器地址總線、數據總線、中斷服務及請求線與CPU相連，并有時鐘模塊、定時器、比較器、通用同步/異步串口I/O、硬件乘法器、驅動器、數/模與模/數轉換、I/O端口及DMA控制器等外圍模塊組合；具有精確靈活的時鐘源和器件較低的功率消耗、較高的運行速度及其強大的處理能力。MSP430系列單片機中的MSP430F149單片機的基本功能及其諸多片內外設，為數據傳輸模塊的研究及解決方案提供了極大的方便。MSP430F149單片機[2]的主要功能結構見圖1。

2 主要設計技術方案

窄帶無線數據傳輸模塊的基本任務是完成窄帶無線電臺（通信終端）模擬信道與計算機（信息終端）之間的信息轉換處理與交換控制功能，主要依托MSP430F149單片機與相關集成電路及其外圍電路所構成的數據傳輸模塊，具有數據處理快、計算量大、符合通信協議及體積小、功耗低、電路簡單和運行效率高等特點，能夠較好地實現短波、超短波窄帶無線電臺之間的點對點和一點對多點的數據通信。

窄帶無線數據傳輸模塊[4]主要由單片機接口電路、收發控制電路、微處理器電路（信息存儲、處理、控制等）、數據存儲電路、調制解調電路、電平轉換電路、電源管理電路等構成。窄帶無線數據通信系統主要由計算機（信息終端）、數據傳輸模塊、短波或超短波窄帶無線電臺（通信終端）等組成，其基本結構如圖2所示。

2.1 基本工作原理

窄帶無線數據傳輸模塊通過配置特殊的存儲器及控制指令，可使系統[4]在串口同步通信方式下工作，其數據信息的發送過程是以高速輸入并于中低速輸出（電臺），而數據信息的接收過程則以中低速輸入，以高速輸出（計算機），采用MSP430F149的P1口控制收/發轉換電路，使模塊工作在不同的模式。當工作在發送方式時，對相應的接口進行控制，并在驅動程序的作用下，發送時CPU請求發送數據，發送地址和有效載荷數據送給轉換電路，電臺轉發，然后再將要傳輸的發送信息經過輸出端口發射出去；接收時，電臺處于收信，通過輸入端口進來的信息經接口控制，則接收地址和有效載荷數據送入轉換電路，此時，接收信息經過轉換處理后經串口傳輸到計算機進行接收。MSP430F149具有通用的串行通信接口，它允許多位串行數據流以預設的速率及外部時鐘確定的速率移入、移出MSP430F149。系統設計中，單片機與計算機之間的數據傳輸經過收發轉換器，其速率與串口的傳輸速率相同，由UART0接收與發送；單片機與無線電臺之間的數據傳輸經過收發轉換器及相應的設置，其速率與無線電臺的傳輸速率相同，由UARTl接收與發送。

2.2 串口通信電路

以MSP430F149為核心的窄帶無線數據傳輸模塊提供了透明的數據接口，適合于任何標準或非標準的用戶通信協議。串行通信只需較少的端口就可以實現單片機（數據傳輸模塊）與計算機及窄帶 無線電臺之間的通信，具有無可比擬的優勢。通信中的信息發送可以通過串行通信方式與計算機的串口相接，計算機串行接口[5]采用的是RS 232標準的電平和邏輯關系，而MSP430F149單片機采用的是TTL電平和邏輯關系。由于RS 232和TTL各自規定了自己的電氣標準，互不兼容，因此，RS 232與TTL電路接口時需要進行電平轉換，系統采用MAX323系列驅動芯片，該芯片是一款低功耗寬電壓供電的通信芯片，可以完成TTL電平與RS 232電平之間的轉換及串口通信控制。通過計算機與單片機內部提供的串口通信模塊，配合接口電路軟件驅動和電平轉換芯片MAX323及其外圍工作電容和電壓源穩壓電容與相應電阻器件的設計，能夠很容易地實現串口通信及數據信息傳輸的發收控制，同時設計數據發送與接收的狀態指示燈DS1和DS2，以指示串口和單片機之間的數據傳輸情況。

2.3 通信協議

窄帶無線數據傳輸模塊中的單片機能夠提供2個串口和2種接口方式，COM1為UART0接口，自定義為RS 232接口用于計算機與單片機輸出輸入端口的通信傳輸；COM2為UART1接口，用于單片機與無線電臺之間的通信傳輸。計算機使用標準RS 232串口與數據傳輸模塊的相互連接，采用雙工通信方式，按照標準通信協議，其串口的數據傳輸速率為57 600 b/s，每幀格式為1位起始位，8位數據位，1位停止位，在通信控制程序的驅動下，計算機向數據模塊發送數據設置為發送狀態，其余時隙則自動設置為接收狀態，輸出端接口波特率即數據傳輸速率，根據短波和超短波窄帶無線電臺的信道帶寬選擇而設定。在數據存儲器的控制作用下，模塊傳輸信息量的大小可通過軟件編程進行分段打包及斷續發送接收的方式進行。

2.4 數據轉換電路

在數據通信過程中，窄帶無線數據傳輸模塊必須對傳輸信息進行相應的數/模（D/A）和模/數（A/D）轉換后才能正常使用。數據的轉換處理，主要使用單片機內部自帶的SD16位的數/模和模/數轉換器模塊，并通過軟件編程來實現16位數/模和模/數轉換處理功能。轉換模塊主要實現波形與數據的轉換，Timer對時鐘進行分頻，從而提高時鐘頻率，使數/模及模/數轉換時能有更快的采樣率或轉換速度，以保持轉換的精度，實現更高頻率的波形產生。在外部使用可編程控制放大器對波形進行調整，利用濾波器對波形進行優化，以滿足更高精度和更好波形的要求。

2.5 數據存儲電路

窄帶無線數據傳輸模塊主要利用單片機內部的FLASH存儲器，存放Bootloader、模塊驅動程序和應用程序等。為確保系統能夠傳輸較大容量的信息，并防止系統通信過程中數據傳輸的中斷，使信息無法發送出去從而造成數據的丟失。在設計中采用了IS62LV系列數據存儲器及外圍器件，使數據存儲器具有較大的容量（設計容量為64 KB）和較低的功耗、高可靠性及高速率的數據存取功能。在發送信息時將計算機送來的信號信息首先經過輸入緩存后并進行放大，然后再經單片機中微處理器內部的SD16進行數/模轉換后把數據存入專用數據存儲器；在接收信息時將無線電臺傳送來的信息送入SD16進行模/數轉換和緩存，然后再將轉換后的數據存入專用的數據存儲器。

2.6 調制解調電路

在窄帶無線信道上，通常存在有較為嚴重的各種電磁干擾，因此在數據通信時，如果采用PSK，ASK等調制方式，將會導致數據傳輸過程中的誤碼率增大、可靠性降低。因此，在窄帶無線數據傳輸模塊的設計方案中，選用了CMX469系列芯片完成信息傳輸過程中的調制與解調功能，并利用了單片機內部自有抗干擾能力強的GFSK高斯頻移鍵控調制方式，它能有效地克服窄帶無線數據通信過程中，由于存在各種干擾所造成的誤碼。同時，為有效提高數據傳輸速率，選取了對調制方式更加有利的同步通信方式，這與異步傳輸方式相比，其窄帶無線通信系統的數據傳輸速率提高了20%左右。

2.7 電源管理電路

電源是窄帶無線數據傳輸模塊單元集成的重要部分之一。在設計中，為了減少體積，增加使用的方便性，采用了計算機主板上的USB或內部其他相應的5 V電源供電和電臺內部相應的5 V電源供電。運用電源管理的方法對電源進行分配，主要使用AMS1117系列電源開關作電源控制，在整個電路中通過整流變換、穩壓濾波等方式，將提供的5 V電源轉換成電路中所需要穩定可靠的（5±0.5） V電源等，并通過單片機的數字信號控制電源的使用，充分提高了電源的利用率，有效降低了數據傳輸模塊的功耗。

3 主要軟件設計

在MSP430系列單片機中應用C語言編程[6]時，與標準C語言編程具有較高的兼容性，且在軟件設計過程中用選擇模塊化的方法，使程序結構化更加清晰明了。因此，用C語言進行軟件編程，提高了軟件的開發調試效率，編寫的串口控制軟件穩定可靠、可移植性好，并為系統的擴展起到了重要作用。在軟件模塊設計中，主要有數據處理轉換、編碼加密、解碼糾錯及發送接收等模塊程序。當系統在工作狀態下，對程序實行初始化處理，主要是對單片機、收發控制等狀態進行設置。中斷程序控制流程及收發控制程序流程如圖3，圖4所示。

4 主要抗干擾措施設計

為了有效地降低系統在數據傳輸過程中的誤碼率，提高其抗電磁干擾能力，系統在設計過程中，一是采用了高斯頻移鍵控（GFSK）調制方式和曼徹斯特編碼/解碼及其糾錯編解碼技術，使用內置完整的通信協議和CRC校驗電路；二是在軟件設計中使用了高效的循環交織糾檢錯編碼和編碼加密的方法，并對超過糾錯范圍的差錯，采用檢錯重發及多次發送優選等方法。在數據傳輸過程中，由于隨機干擾造成的隨機錯誤和突發干擾造成的突發性錯誤進行有效的糾錯，能夠自動濾除信息傳輸過程中，由于空間電磁波干擾及相關因素導致所產生的錯誤數據及虛假信息，其抗突發干擾和靈敏度有較大的改善，具有較強的抗干擾能力和低誤碼率，系統特別適合長期工作和在較為惡劣環境條件下使用的基本要求。

5 實驗結果分析

實驗及實際應用的主要性能參數如表1所示。同時系統的可靠性工作時間大于系統窄帶無線電臺和計算機正常工作的時間。

6 結 語

本文根據MSP430系列單片機的特點，充分挖掘單片機的功能及軟、硬件資源，設計的數據傳輸模塊能夠實現數據信息的轉換處理及收發控制，具有體積小、功耗低、構成簡單、集成度高、接口靈活及開發周期短、性價比高、易于實現等特點，并有較強的擴展性和移植性。數據傳輸模塊應用于窄帶無線電臺的模擬信道上進行數據通信，其工作穩定可靠、電磁兼容性好、抗干擾能力強。窄帶無線數據傳輸模塊的開發設計具有良好而廣泛的應用與推廣價值，夠滿足野外野戰環境條件下的軍用和工業等方面作業使用的基本需要。

參考文獻

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[2] 李智龍.MSP430系列超低功耗單片機原理與系統設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[3] 英慶，工代華，張志杰.基于nRF24L01的無線數據傳輸系統[J].現代電子技術，2008，31（7）：68?70.

[4] 趙負圖.無線接收發射應用集成電路手冊[M].北京：北京化學工業出版社，2004.

[5] 李金鵬，吳婷，趙傳申.單片機原理與接口技術[M].北京：科學出版社，2008.

[6] 張晞，王德銀，張晨.MSP430系列單片機實用C語言程序設計[M].北京：人民郵電出版社，2005.