MSP430单片机在水声应答释放器中的应用

摘要：水声应答释放器往往需要采用值更电路提高其待机和工作时间。应用MSP430单片机设计的应答释放器值更电路，采用电源管理、NOT CH滤波等技术手段，功能齐全，功耗低，经使用验证具有超过30天的待机时间。
关键词：应答释放器；MSP430单片机；值更；NOTCH滤波

    水声应答释放器是合作目标定位导航系统的关键控制单元之一。应答释放器长时间布放在水下，接收水上系统的控制指令，通过单脉冲的接收和发射完成测距。水声应答释放器的功能通常还包括深度(压力)遥测、状态自检和自主释放回收等。
    海上应用条件恶劣，使用要求复杂，应答释放器往往需要在满足规定的应答工作时间之外，具有很长的待机等待时间。为此，实用的应答释放器除了器件的选型和电路低功耗设计外，往往都采用值更和工作两种状态来进一步降低功耗；在工作状态下，开启DSP运算电路实现可靠的高精度应答测距；在值更状态下，关闭一切不必要的电路，仅仅检测水上系统的控制指令，并给出回复。
    由于应答释放器长时间工作在值更状态下，所以值更电路的功耗成为了首要问题．采用低功耗的单片机MSP430F5438有效解决了系统对功耗的要求问题。

1 应答释放器值更电路硬件设计
1．1 MSP430F5438单片机的性能特点
    MSP430F5438是TI公司一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机，具有以下特点：
    1)超低功耗
    MSP430F5438运行在1 M时钟、2．2 V供电条件下，工作电流为165μA，超低功耗。
    2)强大的处理能力
    MSP430F5438具有18 M系统时钟；具有丰富的寻址方式，但只需简洁的27条指令，片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算；有高效的查表处理方法；内部中断源较多，并且可以任意嵌套，使用灵活方便。
    3)丰富的片上外围模块
    外围模块包括：12位A／D、精密模拟比较器、硬件乘法器、两组频率可达8 M的时钟模块、两个带大量捕获／比较器的16位定时器、看门狗、两个可实现异步、同步及多址访问的串行通信接口、数十个可实现方向设置及中断功能的并行输入、输出端口等。
    4)大量的存储空间
    MSP430F5438是FLASH型的单片机，有多达256 kBFLASH ROM和16KB RAM。
    MSP430F5438单片机的强大功能和超低功耗为实现应答释放器的各项功能提供了基础。
1．2 值更电路硬件框图
    值更电路的作用是接收遥控指令，并根据遥控指令做出相应的反应。水面遥控指令主要有：开机、待机、释放、自检等。其中，开机是将应答释放器的DSP电路加电，准备进行高精度应答测距；待机是将应答释放器的DSP电路关闭，重新返回低功耗值更状态；释放指令打开释放勾，解脱沉块，使收发机上浮回收；自检指令使收发机进行压力(深度)检测和电源检测，通过水声通信上传。因此，除了外部信号输入、指令发射控制和JTAG调试端口外，MSP430F5438单片机还需要实现对各类电源的监控和管理、压力数据的采集、释放机构的控制等。另外，RS232端口用于实验室和水面调试时与PC机的通信，I2C实现与DSP工作电路的数据通信。值更电路的硬件框图如图1所示。

1．3 数据输入端口分配
    外部信号采集、电源监控和压力传感器数据都是经过ADC转换成数字信号之后送到MCU进行处理的。考虑到系统的功耗和复杂程度，ADC选用MCU内部集成的12 bit的ADC，电气连接关系如表1所示。

    其中，信号是由外部宽带接入，经片内ADC后进入单片机内部，做两路窄带滤波后，分别针对RZ—BFSK数字通信方式的两路遥控指令频点。电源电压经过一个分压网络之后，送到MCU，在电源电压低到阈值时给出电源不足报警信号。
1．4 电源管理接口设计
    为实现水声应答释放器的低功耗，对工作模块电源、释放机构电源、压力传感器电源和功放电源实行严格管理，系统只有在收到指令后，才开启相应模块的电源。电源控制采用电平触发模式，其电气连接关系如表2所示。

1．5 其他
   为提高系统可靠性，增加基于MAX6369的低功耗硬件看门狗，在3．3 V电源时供电电流8μA；为了提高发射机的效率，功率放大器工作在D类模式下，采用对称方波驱动，由MCU直接产生，降低了系统的复杂程度；为在实验室条件下对水声应答释放器调试和参数设置，设计了RS2 32数据传输接口。

2 水声应答释放器值更电路软件设计
2．1 值更电路软件流程
    应答释放器的值更管理功能包括：水声通信命令码组检测、水声通信命令解释、水声通信编码发射、电源管理、释放机构管理和设置DSP参数等。软件流程如图2所示。

    以下为主程序的部分初始化代码
   

2．2 水声命令检测
    对于应答释放器的值更电路，最大的挑战在于对水声命令的可靠检测和水声通信脉冲的确认。在MSP430F5438中对信号的检测采用Notch滤波器能量检测法。其算法为：
   
    由于MSP430F5438的核时钟频率为18 MkHz，处理性能比DSP专用数字处理芯片差很多，采取以下措施使其实现两路Notch滤波检测：
    1)采用求绝对值的方法来代替包络输出，同时避免了计算溢出；
    2)用滤波器平滑算法代替均值平滑算法；
    3)对其中一路信号采用4倍采样。
2．3 水声命令脉冲挑选
    由于水声多途的影响，包含规定码元的命令信号通过水声信道后到达水声收发机时往往会多于规定的脉冲，严重时甚至会出现码间干扰。因此需要对采集的脉冲信息进行挑选，然后再判定属于哪路命令。
    设得到的脉冲序列用p(0)、p(1)、p(2)、…、p(N)来表示，如果是一个正确的命令，那么各个脉冲起点与第一个脉冲起点存在下述关系：
    p(k)=p(0)+k*100
    考虑到传播途径对信号的影响，上式变为：
    p(0)+k*100-ξ≤p(k)<p(0)+k*100+ξ
    即：
    k*100-2*ξ≤p(k)-p(0)-ξ<k*100
    根据码元间距和奇偶校验位来挑选水声通信命令脉冲的流程如图3所示。

3 结论
    基于MSP430F5438微处理器的应答释放器值更电路设计，通过科学合理的电源管理、简洁高效的水声信号处理和命令检测软件，达到了低功耗、高可靠的值更功能，经使用验证待机时间大于30天。同时，其发射控制和释放回收功能在应答释放器的实际使用中也得到了充分的验证。