简易水下通信系统

简易水下无线通信系统

指导教师：黄根春张望先周立青

队员及年级：谭潇雄 2006级

方阁 2006级

刘利子 2006级

学校及院系：武汉大学电子信息学院

摘要：本系统以超低功耗单片机MSP430F449为控制核心，采用无线和红外通信方式，实现了水下无线通信。整个系统由陆基单元、电机单元和潜艇航模三部分组成。其中，陆基单元以ASK调制方式实现与潜艇航模的无线通信；潜艇航模以线圈接收信号并解码，然后通过红外通信将数据转发给电机控制单元；电机单元接收红外信号后通过控制电机来实现潜艇航模上浮、下潜。系统实现了天线与水面距离3米时，对潜艇航模的各种运动方式的控制。同时，潜艇航模上浮、下潜在指定的水深处时，距离误差、时间误差和速度误差均满足设计要求。整个系统操作简单，功能齐全。

Abstract：The system uses the ultra-low power MSP430F449 MCU as the control core, and uses the infrared and wireless communication, achieving a simple underwater wireless communication. The entire system consists of 3 parts，the land-based unit, the electrical unit and the submarine model. The land-based unit uses the ASK modulation to achieve wireless communication with the submarine model. The submarine model receives and decodes signals, then communicates with model unit via infrared light waves .The motor unit receives the infrared signals and keeps the floating and diving of the submarine model by controlling the suspension. The system realizes the controlling of the submarine model to achieve various forms of movement when the antenna is 3 meters above the water. The distance error, time error and speed error all meet the requirements .The whole system operates simply and functions well.

1 方案设计

1.1 理论分析

整个系统由陆基单元、潜艇航模、电机单元组成。其中，陆基单元以ASK调制方式，将控制信号调制在507KHz的载波上，经过后级功率放大后发送至天线；潜艇航模通过线圈接收信号，经放大、检波、整形后再送至PT2272解码，解码信号经单片机处理后发送至红外发射模块；电机单元接收红外信号并解码，以此控制电机工作。

各个部分的理论分析如下：

1.1.1 陆基单元发射电路分析

陆基部分发射信号时，工作频率为507KHz，则电磁波波长为591.7m。设计要求天线长度为10m，远小于波长λ的1/4即147.9m，因此在传输过程中信号衰减很大。为增大天线发射功率，一般采用高效率的丙类放大电路对信号进行功率放大。对于ASK调制信号，采用较好的解调方法时，幅度要求不高，经过匹配网络后直接与L形天线相连。

1.1.2潜艇航模接收电路分析

接收端天线采用磁棒天线，并在其线圈上并联一个电容构成谐振频率为507KHz的LC振荡回路，以达到最好的接收效果。经实测其线圈电感值L=11.7uF，由得并联电容C=8.4nF。接收信号经过放大，再进行检波整形可得到数字信号。

1.1.3电机单元

步进电机转动时，在反向电动势作用下，相电流会随频率的增大而减小，从而导致力矩下降，甚至出现失步现象。一般步进电机的精度为步进角的3～5%，而且误差不会随着电机的转动累积，使用三相六拍工作方式时，误差能达到2%以内，满足设计要求。

1.2 器件选择

1.2.1单片机的选择及介绍

由于潜艇航模在水下工作，只能采用电池供电方式，为满足设计要求，系统设计时采用TI公司的低功耗单片机MSP430F449，并充分利用其丰富的外设，以简化外部电路。MSP430F449有非常广泛的应用，其主要特点如下：功耗超低、处理能力强大、系统工作稳定、外设资源丰富、调试功能方便、代码保护能力强。

具体介绍如下： MSP430F449的端口P1-P6可以直接用于输入输出，以实现多功能复用。每个I/O口位都可以通过编程寄存器进行独立设置，允许任意组合输入、输出。其中，P1、P2 口除了支持输入输出以外，还支持硬件中断。MSP430F449单片机的时钟模块包括高速晶体振荡器、低速晶体振荡器、数字控制振荡器、锁频环FLL及锁频环增强版本FLL+等部分，可任意设置系统时钟，适合各种应用场合。MSP430F449定时器资源丰富，除了实现基本定时功能外，看门狗定时器可在程序发送错误时实现一个受控的系统重启，基本定时器支持软件和各种外围模块工作在低频低功耗条件下，定时器A支持同时进行的多种时序控制和多个捕获/比较功能。

1.2.2 功放芯片的选择及介绍

系统设计时调制方式采用ASK调制方式，调制信号经过功放级将信号放大后再发射。功率放大芯片采用的是TI公司的大电流反馈型运放OPA561，其最大输出电压峰峰值为12V，最大输出电流可达1.2A，在通信系统中主要应用在对载波信号的放大。OPA561带