水下磁感应无线通信模块设计
发布时间：2021-02-11 13:39
为了解决海洋观测系统中传感器节点与主机之间的无缆信息传输问题,设计了一种基于磁场耦合的低功耗水下半双工无线通信模块;通过线圈之间的电磁感应进行信息传输,采用二进制频移键控（BFSK,binary frequency shift keying）调制方式对基带信号进行调制;选用超低功耗单片机MSP430F5338作为主控单元;通过内部定时器的输出模块产生调制载波,在外部中断中进行频率切换,实现信号调制;采用专用解调芯片XR2211实现信号解调;模块由通信总线上的信号唤醒,设计了一种通过软件检测载波信号的方法,降低误触发概率;实验结果表明,模块在水下间隔2米时,通信成功率达到100%;该模块实现方案简单,成本和功耗较低,满足海洋观测系统中的应用需求。
【文章来源】：计算机测量与控制. 2020,28(10)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
磁感应点对点通信模型
主机和从机都包含调制发送和接收解调两部分。不同的是主机通过转发上位机指令发起通信，而从机大部分时间处于休眠状态，由主机唤醒并进行回复。本文主要介绍从机通信模块的实现方案，通信模块由主控、调制发送、接收解调和电源管理几个部分构成。我们选用TI公司的低功耗系列单片机MSP430作为节点的控制中心，通过单片机内部的定时器实现调制功能。接收到的信号经过放大滤波处理，然后通过硬件解调电路转换成串行信号，接入单片机的串口接收端。从机模块在大部分时间处于休眠状态，由通信总线上的有效信号唤醒。调理电路是模块的“看门电路”，迟滞比较器的作用是提高响应速度，过滤噪声干扰。信号经过迟滞比较器变成同频率的方波，接入单片机的比较器输入端，触发单片机中断。单片机程序中进行频率检测判断信号的有效性，当通信总线上出现有效信号时，将从机唤醒。通信模块整体如图2所示。2 硬件设计
通信模块的主控芯片选用低功耗微控制器MSP430F-5338。该芯片主时钟可达到20 MHz，工作状态下功耗为270μA/MHz，休眠时功耗仅有1.1μA。MSP430F5338内部有4个16位定时器，配有多个捕获寄存器和比较寄存器。定时器的输出模块支持7种输出模式，改变计数周期就可以改变输出信号的频率，满足信号调制的应用需求。该芯片集成两个通用串行通信接口控制器，可以用于串行信号的发送和接收。串行信号高低电平变化时，载波频率要随之切换。我们可以通过外部中断实现频率控制，将串口发送信号接入外部中断输入引脚，当信号发生高低电平变化时，会触发上升沿或下降沿中断，这时我们修改定时器的计数值，改变输出频率。用外部中断控制频率变化，可以省去复杂的定时机制，同时保证调制信号的码元宽度。单片机最小系统如图3所示。2.2 接收调理电路
【参考文献】：
期刊论文
[1]开展近海生态系统长期观测 引领海洋生态系统健康研究[J]. 孙晓霞,孙松. 中国科学院院刊. 2019(12)
[2]水声通信技术进展[J]. 朱敏,武岩波. 中国科学院院刊. 2019(03)
[3]一种微弱电荷信号的调理电路设计[J]. 任勇峰,尉易庆,贾兴中. 仪表技术与传感器. 2019(03)
[4]水下无线光通信关键技术应用研究[J]. 易丛琴,周汝雁. 通信技术. 2017(10)
[5]无线地下磁感应通信系统研究与实现[J]. 孙彦景,徐胜,施文娟,吴天琦,王晓琳,牛洪海. 传感技术学报. 2017(06)
[6]线圈磁耦合模型仿真及其应用[J]. 杨宏正,曹军青,王三胜,王三成,李华. 测试技术学报. 2016(06)
[7]挑战环境下无线磁感应传感网理论与关键技术[J]. 施文娟,孙彦景,李松,翟文艳,谭泽富,蔡黎. 工矿自动化. 2016(06)
[8]基于单片机的远程开关机模块的设计与实现[J]. 杨法红,马志伟,徐信宏. 现代电子技术. 2016(01)
[9]蓝绿激光水下通信技术综述[J]. 李宏升,岳军,金久才,陈冰泉,邓剑平,高洪秀,刘尊年,孙志坚. 遥测遥控. 2015(05)
[10]水下无线通信技术发展研究[J]. 王毅凡,周密,宋志慧. 通信技术. 2014(06)
硕士论文
[1]感应耦合数据传输技术及其在海洋领域的应用研究[D]. 邓云.天津大学 2009
本文编号：3029195
【文章来源】：计算机测量与控制. 2020,28(10)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
磁感应点对点通信模型
主机和从机都包含调制发送和接收解调两部分。不同的是主机通过转发上位机指令发起通信，而从机大部分时间处于休眠状态，由主机唤醒并进行回复。本文主要介绍从机通信模块的实现方案，通信模块由主控、调制发送、接收解调和电源管理几个部分构成。我们选用TI公司的低功耗系列单片机MSP430作为节点的控制中心，通过单片机内部的定时器实现调制功能。接收到的信号经过放大滤波处理，然后通过硬件解调电路转换成串行信号，接入单片机的串口接收端。从机模块在大部分时间处于休眠状态，由通信总线上的有效信号唤醒。调理电路是模块的“看门电路”，迟滞比较器的作用是提高响应速度，过滤噪声干扰。信号经过迟滞比较器变成同频率的方波，接入单片机的比较器输入端，触发单片机中断。单片机程序中进行频率检测判断信号的有效性，当通信总线上出现有效信号时，将从机唤醒。通信模块整体如图2所示。2 硬件设计
通信模块的主控芯片选用低功耗微控制器MSP430F-5338。该芯片主时钟可达到20 MHz，工作状态下功耗为270μA/MHz，休眠时功耗仅有1.1μA。MSP430F5338内部有4个16位定时器，配有多个捕获寄存器和比较寄存器。定时器的输出模块支持7种输出模式，改变计数周期就可以改变输出信号的频率，满足信号调制的应用需求。该芯片集成两个通用串行通信接口控制器，可以用于串行信号的发送和接收。串行信号高低电平变化时，载波频率要随之切换。我们可以通过外部中断实现频率控制，将串口发送信号接入外部中断输入引脚，当信号发生高低电平变化时，会触发上升沿或下降沿中断，这时我们修改定时器的计数值，改变输出频率。用外部中断控制频率变化，可以省去复杂的定时机制，同时保证调制信号的码元宽度。单片机最小系统如图3所示。2.2 接收调理电路
【参考文献】：
期刊论文
[1]开展近海生态系统长期观测 引领海洋生态系统健康研究[J]. 孙晓霞,孙松. 中国科学院院刊. 2019(12)
[2]水声通信技术进展[J]. 朱敏,武岩波. 中国科学院院刊. 2019(03)
[3]一种微弱电荷信号的调理电路设计[J]. 任勇峰,尉易庆,贾兴中. 仪表技术与传感器. 2019(03)
[4]水下无线光通信关键技术应用研究[J]. 易丛琴,周汝雁. 通信技术. 2017(10)
[5]无线地下磁感应通信系统研究与实现[J]. 孙彦景,徐胜,施文娟,吴天琦,王晓琳,牛洪海. 传感技术学报. 2017(06)
[6]线圈磁耦合模型仿真及其应用[J]. 杨宏正,曹军青,王三胜,王三成,李华. 测试技术学报. 2016(06)
[7]挑战环境下无线磁感应传感网理论与关键技术[J]. 施文娟,孙彦景,李松,翟文艳,谭泽富,蔡黎. 工矿自动化. 2016(06)
[8]基于单片机的远程开关机模块的设计与实现[J]. 杨法红,马志伟,徐信宏. 现代电子技术. 2016(01)
[9]蓝绿激光水下通信技术综述[J]. 李宏升,岳军,金久才,陈冰泉,邓剑平,高洪秀,刘尊年,孙志坚. 遥测遥控. 2015(05)
[10]水下无线通信技术发展研究[J]. 王毅凡,周密,宋志慧. 通信技术. 2014(06)
硕士论文
[1]感应耦合数据传输技术及其在海洋领域的应用研究[D]. 邓云.天津大学 2009
本文编号：3029195
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