党朝发，毕学军，王小振，肖庆，金丽亚
（装甲兵工程学院信息工程系，北京100072）
摘要：针对窄带无线电台模拟信道传输数据信息所存在的局限性问题，研究设计了基于MSP430单片机为核心的窄带无线数据传输模块，充分利用MSP430系列单片机的主要特点功能，分析研究窄带无线数据传输模块的基本组成结构和部分硬软件设计技术方案。在通信电路、数据处理、调制解调、电源管理和抗干扰及传输距离等方面做了较深入的研究探析，实现在短波、超短波窄带无线电台的模拟信道上进行较高速率的数据通信，提高了信息传输的速度，增大了信息传输的容量，增强了信息传输的可靠性，为窄带无线数据通信系统的研究应用及发展提供了重要的指导作用。
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关键词 ：MSP430单片机；窄带无线电台；数据通信；串口通信
中图分类号：TN919.72?34；TP273 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）18?0068?04
随着信息技术的发展，数据通信的应用越来越重要，特别是由短波、超短波窄带无线电台、计算机、数据传输模块等单元所构成的窄带无线数据通信系统，在军事、工业、交通等领域的广泛应用已成为当今研究的热点问题。为了提高信息传输的有效性，本文设计了一种基于MSP430 系列单片机为核心的窄带无线数据传输模块，重点研究了数据传输模块的主要组成结构、功能特性及电路设计等问题，能够为窄带无线数据通信系统的研究、应用与发展用提供重要的依据。
1 MSP430 系列单片机主要性能特点
MSP430系列单片机[1]具有16位RISC结构，该结构具有丰富的寻址方式、简洁的内核指令和大量的模拟指令及高效的查表处理方法，使用指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令，可以提高指令的执行速度和效率，增强实时处理能力；具有可参加多种运算的大量寄存器及片内数据存储器，用程序存储器和数据存储器来存储程序、数据及外围模块的运行控制信息，其寄存器和常数发生器使其微控制器能达到最高的代码效率；外围模块经过存储器地址总线、数据总线、中断服务及请求线与CPU 相连，并有时钟模块、定时器、比较器、通用同步/异步串口I/O、硬件乘法器、驱动器、数/模与模/数转换、I/O 端口及DMA 控制器等外围模块组合；具有精确灵活的时钟源和器件较低的功率消耗、较高的运行速度及其强大的处理能力。MSP430系列单片机中的MSP430F149 单片机的基本功能及其诸多片内外设，为数据传输模块的研究及解决方案提供了极大的方便。MSP430F149单片机[2]的主要功能结构见图1。
2 主要设计技术方案
窄带无线数据传输模块的基本任务是完成窄带无线电台（通信终端）模拟信道与计算机（信息终端）之间的信息转换处理与交换控制功能，主要依托MSP430F149单片机与相关集成电路及其外围电路所构成的数据传输模块，具有数据处理快、计算量大、符合通信协议及体积小、功耗低、电路简单和运行效率高等特点，能够较好地实现短波、超短波窄带无线电台之间的点对点和一点对多点的数据通信。
窄带无线数据传输模块[4]主要由单片机接口电路、收发控制电路、微处理器电路（信息存储、处理、控制等）、数据存储电路、调制解调电路、电平转换电路、电源管理电路等构成。窄带无线数据通信系统主要由计算机（信息终端）、数据传输模块、短波或超短波窄带无线电台（通信终端）等组成，其基本结构如图2所示。
2.1 基本工作原理
窄带无线数据传输模块通过配置特殊的存储器及控制指令，可使系统[4]在串口同步通信方式下工作，其数据信息的发送过程是以高速输入并于中低速输出（电台），而数据信息的接收过程则以中低速输入，以高速输出（计算机），采用MSP430F149 的P1 口控制收/发转换电路，使模块工作在不同的模式。当工作在发送方式时，对相应的接口进行控制，并在驱动程序的作用下，发送时CPU 请求发送数据，发送地址和有效载荷数据送给转换电路，电台转发，然后再将要传输的发送信息经过输出端口发射出去；接收时，电台处于收信，通过输入端口进来的信息经接口控制，则接收地址和有效载荷数据送入转换电路，此时，接收信息经过转换处理后经串口传输到计算机进行接收。MSP430F149具有通用的串行通信接口，它允许多位串行数据流以预设的速率及外部时钟确定的速率移入、移出MSP430F149。系统设计中，单片机与计算机之间的数据传输经过收发转换器，其速率与串口的传输速率相同，由UART0接收与发送；单片机与无线电台之间的数据传输经过收发转换器及相应的设置，其速率与无线电台的传输速率相同，由UARTl接收与发送。
2.2 串口通信电路
以MSP430F149为核心的窄带无线数据传输模块提供了透明的数据接口，适合于任何标准或非标准的用户通信协议。串行通信只需较少的端口就可以实现单片机（数据传输模块）与计算机及窄带无线电台之间的通信，具有无可比拟的优势。通信中的信息发送可以通过串行通信方式与计算机的串口相接，计算机串行接口[5]采用的是RS232 标准的电平和逻辑关系，而MSP430F149 单片机采用的是TTL电平和逻辑关系。由于RS 232和TTL各自规定了自己的电气标准，互不兼容，因此，RS 232与TTL电路接口时需要进行电平转换，系统采用MAX323系列驱动芯片，该芯片是一款低功耗宽电压供电的通信芯片，可以完成TTL电平与RS 232电平之间的转换及串口通信控制。通过计算机与单片机内部提供的串口通信模块，配合接口电路软件驱动和电平转换芯片MAX323及其外围工作电容和电压源稳压电容与相应电阻器件的设计，能够很容易地实现串口通信及数据信息传输的发收控制，同时设计数据发送与接收的状态指示灯DS1和DS2，以指示串口和单片机之间的数据传输情况。
2.3 通信协议
窄带无线数据传输模块中的单片机能够提供2 个串口和2 种接口方式，COM1 为UART0 接口，自定义为RS 232接口用于计算机与单片机输出输入端口的通信传输；COM2为UART1接口，用于单片机与无线电台之间的通信传输。计算机使用标准RS 232串口与数据传输模块的相互连接，采用双工通信方式，按照标准通信协议，其串口的数据传输速率为57 600 b/s，每帧格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，在通信控制程序的驱动下，计算机向数据模块发送数据设置为发送状态，其余时隙则自动设置为接收状态，输出端接口波特率即数据传输速率，根据短波和超短波窄带无线电台的信道带宽选择而设定。在数据存储器的控制作用下，模块传输信息量的大小可通过软件编程进行分段打包及断续发送接收的方式进行。
2.4 数据转换电路
在数据通信过程中，窄带无线数据传输模块必须对传输信息进行相应的数/模（D/A）和模/数（A/D）转换后才能正常使用。数据的转换处理，主要使用单片机内部自带的SD16位的数/模和模/数转换器模块，并通过软件编程来实现16 位数/模和模/数转换处理功能。转换模块主要实现波形与数据的转换，Timer对时钟进行分频，从而提高时钟频率，使数/模及模/数转换时能有更快的采样率或转换速度，以保持转换的精度，实现更高频率的波形产生。在外部使用可编程控制放大器对波形进行调整，利用滤波器对波形进行优化，以满足更高精度和更好波形的要求。
2.5 数据存储电路
窄带无线数据传输模块主要利用单片机内部的flash存储器，存放Bootloader、模块驱动程序和应用程序等。为确保系统能够传输较大容量的信息，并防止系统通信过程中数据传输的中断，使信息无法发送出去从而造成数据的丢失。在设计中采用了IS62LV系列数据存储器及外围器件，使数据存储器具有较大的容量（设计容量为64 KB）和较低的功耗、高可靠性及高速率的数据存取功能。在发送信息时将计算机送来的信号信息首先经过输入缓存后并进行放大，然后再经单片机中微处理器内部的SD16 进行数/模转换后把数据存入专用数据存储器；在接收信息时将无线电台传送来的信息送入SD16进行模/数转换和缓存，然后再将转换后的数据存入专用的数据存储器。
2.6 调制解调电路
在窄带无线信道上，通常存在有较为严重的各种电磁干扰，因此在数据通信时，如果采用PSK，ASK等调制方式，将会导致数据传输过程中的误码率增大、可靠性降低。因此，在窄带无线数据传输模块的设计方案中，选用了CMX469 系列芯片完成信息传输过程中的调制与解调功能，并利用了单片机内部自有抗干扰能力强的GFSK高斯频移键控调制方式，它能有效地克服窄带无线数据通信过程中，由于存在各种干扰所造成的误码。同时，为有效提高数据传输速率，选取了对调制方式更加有利的同步通信方式，这与异步传输方式相比，其窄带无线通信系统的数据传输速率提高了20%左右。
2.7 电源管理电路
电源是窄带无线数据传输模块单元集成的重要部分之一。在设计中，为了减少体积，增加使用的方便性，采用了计算机主板上的USB 或内部其他相应的5 V 电源供电和电台内部相应的5 V 电源供电。运用电源管理的方法对电源进行分配，主要使用AMS1117 系列电源开关作电源控制，在整个电路中通过整流变换、稳压滤波等方式，将提供的5 V电源转换成电路中所需要稳定可靠的（5±0.5) V 电源等，并通过单片机的数字信号控制电源的使用，充分提高了电源的利用率，有效降低了数据传输模块的功耗。
3 主要软件设计
在MSP430系列单片机中应用C语言编程[6]时，与标准C语言编程具有较高的兼容性，且在软件设计过程中用选择模块化的方法，使程序结构化更加清晰明了。因此，用C语言进行软件编程，提高了软件的开发调试效率，编写的串口控制软件稳定可靠、可移植性好，并为系统的扩展起到了重要作用。在软件模块设计中，主要有数据处理转换、编码加密、解码纠错及发送接收等模块程序。当系统在工作状态下，对程序实行初始化处理，主要是对单片机、收发控制等状态进行设置。中断程序控制流程及收发控制程序流程如图3，图4所示。
4 主要抗干扰措施设计
为了有效地降低系统在数据传输过程中的误码率，提高其抗电磁干扰能力，系统在设计过程中，一是采用了高斯频移键控（GFSK）调制方式和曼彻斯特编码/解码及其纠错编解码技术，使用内置完整的通信协议和CRC校验电路；二是在软件设计中使用了高效的循环交织纠检错编码和编码加密的方法，并对超过纠错范围的差错，采用检错重发及多次发送优选等方法。在数据传输过程中，由于随机干扰造成的随机错误和突发干扰造成的突发性错误进行有效的纠错，能够自动滤除信息传输过程中，由于空间电磁波干扰及相关因素导致所产生的错误数据及虚假信息，其抗突发干扰和灵敏度有较大的改善，具有较强的抗干扰能力和低误码率，系统特别适合长期工作和在较为恶劣环境条件下使用的基本要求。
5 实验结果分析
实验及实际应用的主要性能参数如表1 所示。同时系统的可靠性工作时间大于系统窄带无线电台和计算机正常工作的时间。
6 结语
本文根据MSP430系列单片机的特点，充分挖掘单片机的功能及软、硬件资源，设计的数据传输模块能够实现数据信息的转换处理及收发控制，具有体积小、功耗低、构成简单、集成度高、接口灵活及开发周期短、性价比高、易于实现等特点，并有较强的扩展性和移植性。数据传输模块应用于窄带无线电台的模拟信道上进行数据通信，其工作稳定可靠、电磁兼容性好、抗干扰能力强。窄带无线数据传输模块的开发设计具有良好而广泛的应用与推广价值，够满足野外野战环境条件下的军用和工业等方面作业使用的基本需要。
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参考文献
[1] 沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[2] 李智龙.MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.
[3] 英庆，工代华，张志杰.基于nRF24L01的无线数据传输系统[J].现代电子技术，2008，31（7）：68?70.
[4] 赵负图.无线接收发射应用集成电路手册[M].北京：北京化学工业出版社，2004.
[5] 李金鹏，吴婷，赵传申.单片机原理与接口技术[M].北京：科学出版社，2008.
[6] 张晞，王德银，张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2005.
作者介绍：党朝发（1963—） 男，陕西澄城人，高级实验师。主要研究方向为军事信息系统及无线电通信。