基于MSP430单片机的信标机系统设计

崔丽丽丁永红尤文斌姚琴琴

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

基于MSP430单片机的信标机系统设计

崔丽丽1，2，丁永红1，2，尤文斌1，2，姚琴琴1，2

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

针对黑匣子、弹载记录仪搜寻问题，设计一种用来指示记录仪方位的新型信标机系统。该系统由锁相环、微处理器、GPS模块、电源模块等部分组成。实测验证该系统具有较好的可实现性和较高的可靠性，可应用于多领域进行记录仪的搜寻，有效减小搜寻范围、提高工作效率，且该系统具有体积小、功耗低、抗冲击等特性。

记录仪搜寻；信标机；锁相环；MSP430单片机

0 引 言

信标机是地面或飞行器中发射无线电信号以提供自身位置信息的电子设备。黑匣子和记录仪能够记录被测物体在运行过程中的重要参数，如飞行高度、速度、运行轨迹等，这些信息对研究被测装置的性能有着十分重要的作用[1]，这就决定了记录仪搜寻研究的重要性。在发送导弹和其他特殊试验时，弹载记录仪因试验往往落在沙漠戈壁等自然环境复杂的地方，使得人工搜寻工作变得相对困难，仅依靠人眼搜寻，会出现搜寻成本高、时间长、直接影响工程进度等问题[2]。目前国内外研究的信标机主要有：船载信标机或者浮标上面的信标机，一般体积和质量较大，并且加载很高的天线以使信标信号能传输得更远；陆地使用的信标机有人员佩带的小型信标机，这种信标机体积很小，一般发送单频点的信号作为野外人员的求救设备；另外一种是应用于航空领域中存储器搜寻的信标机，信标机和存储器等一起下落，落地之后采用无线射频的方式发射信号，由直升机或车载设备进行搜寻[3]。利用信标机来指示记录仪的方位能够缩小搜寻范围、降低搜寻难度，由此可见信标机的研发具有重要意义。

本文针对应用于航空领域中搜寻存储器的信标机，设计了一种基于MSP430单片机的新型信标机系统。

1 系统组成

该信标机系统由发射端和搜索仪两部分组成。发射端采用MSP430单片机控制锁相环芯片的分频比产生特定频率。数字锁相环是直接从接收数据信息中提取位同步信号的一种环路[4]。发射端由锁相环芯片、参考源、环路低通滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）、MSP430单片机、时钟电路和微带天线组成。

参考源采用温补晶振，经锁相环芯片分频后送到鉴相器鉴相，得到相位误差信号并送到LPF，滤除鉴相频率和噪声后得到直流电压信号，然后送到VCO，VCO的输出信号经分频后回送到鉴相器。分频设置由单片机向锁相环芯片发送相应的频率控制字，从而得到相应的频率，最后通过天线发送频率。

由于信标机随着被测物体飞行跌落，天线可能损坏无法发射信号，而微带天线具有尺寸小、剖面低、成本低、可与载体共形等优点[5]，故本系统采用微带天线结构，且该微带天线采用覆铜板制作工艺，能够承受信标机着地时较大的冲击加速度而不损坏。时钟电路的作用是控制信标机工作时间，在特定的时间进行工作，可以降低功耗。信号发射端系统框图如图1所示。

搜索单元系统主要由电源模块、GPS模块、天线、MSP430单片机、液晶显示组成，其框图如图2所示。GPS模块主要显示搜寻人员所处位置，防止走丢。天线接收信号并送到单片机，最后在液晶显示屏上显示接收信号的强弱，从而判断信标机发射端所处方向。

图1 发射端系统框图

图2 搜索仪系统框图

2 系统设计

2.1 硬件电路设计

2.1.1 锁相环部分的硬件设计

本设计选用的锁相环芯片是PE3336，该芯片采用并行数据输入模式，参考源采用温补晶振，交流耦合到PE3336的参考频率输入口。温补晶振输出的波形幅值不能太高也不能太低，控制在1V左右，用II型电阻衰减网络得到需要的波形幅值[6]。鉴相器产生PD_U和PD_D双路输出信号，经环路滤波器滤波后得到控制电压，VCO的频率向参考信号的频率靠拢，直至最后两者频率相等而相位同步，从而实现频率锁定。

环路滤波器具有低通特性，其作用是滤除误差电压中的高频无用分量，更重要的是对环路参数调整起着决定性的作用。环路滤波器是一个线性电路，在环路中常用的低通滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器[7]，本系统中采用有源比例积分滤波器。

VCO是电压控制器件，根据输入电压的大小调整输出信号的频率[8]，它的振荡频率随输入控制电压线性而变化，它的输出反馈到鉴相器上，主要通过相位对鉴相器输出误差电压起作用。

2.1.2 单片机控制电路硬件设计

本系统的发射端和搜索仪的微控制器均采用TI公司MSP430系列的超低功耗混合信号处理芯片MSP430F1611，它具有低电压、超低功耗、处理能力强大、片上外围模块丰富等特点，能够满足低功耗的系统要求。MSP430F1611微控制器采用64引脚封装，内置3通道DMA、两个16位定时器，一个快速12位A/D转换器，双12位D/A同步转换器，一个或两个通用串行同步/异步通信接口（USART、SPI、I2C）[9]。

2.1.3 时钟电路及GPS模块设计

时钟芯片采用美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的DS1302实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供对后背电源进行涓细电流充电的能力。

搜索仪设计GPS模块的目的是显示搜寻人员的地理位置。该模块可根据应用情况选择是否开启。GPS模块采用是北京东方联星公司的CNSS0-009卫星导航接收板，其定位准确度水平5m，垂直10m，速度0.2 m/s，标准工作电压为5 V，接收板实现了射频、基带、导航结算一体化软件/硬件设计，高动态、高可靠性、体积小、工作稳定。其波特率为115 200 b/s，该模块收到启动命令才会工作，定位数据输出格式为NMEA0183。定位数据输出语句以0114EB3A开头，共66个有效字节[10]。

表1 主寄存器控制字数据格式

2.1.4 电源模块

本系统选用5000mA的移动电源，满电压时通常能达到8V左右，输出电流最大为1.5A。单片机的工作电压为1.8～3.6 V，本设计选用GPS工作电压3.3 V。锁相环芯片正常工作电压为3V。采用MAX667把电源电压稳定到5 V，再采用AMS1117电源模块把电压从5V转换为3.3V，为GPS模块、单片机和时钟模块供电，采用MAX667将电源电压稳定到3 V，为锁相环芯片PE3336供电。

2.2 系统软件设计

2.2.1 PE3336的可编程分频器数据格式

单片机控制M2_WR、M1_WR、A_WR、HOP_WR和D0～D7，由此可控制20b的可编程参考分频比和前置分频比。主寄存器控制字数据格式如表1所示，其中M计数器9位，R计数器6位，A计数器4位。

当环路锁定时，锁定频率FVCO和参考频率fr的关系满足式：

式中A≤M+1，1≤M≤511，0≤R≤63。fr/（R+1）为鉴相频率。将数据写入分频器的过程为：首先将HOP_WR管脚保持低电平，然后分别在M1_WR、M2_WR、A_WR管脚的上升沿将并行数据D0～D7锁入主寄存器中，从而完成可编程分频器的编程设置。

2.2.2 信号发射端软件设计

系统的软件调试采用IAR Systems公司的IAR Embeded Workbench IDE进行编程调试。该软件是一个用于编译和调试嵌入式应用程序的集成开发环境，按项目进行管理，它提供了应用程序和库程序的项目模板。程序采用C语言进行编写。

发射端锁相环技术产生特定频率信号，将信号发送出去。主程序开始后调用时钟子程序，当得到有效的时间数据后，调用控制子程序，流程图如图3所示。

2.2.3 搜索单元软件设计

图3 发射端系统流程图

搜索单元一方面接收发射端发送的特定频率的信号，另一方面接收GPS信号。系统开始时判断是否开启GPS定位请求，若开启判断数据帧头，数据帧头正确将数据送入存储数组，最后通过液晶屏进行显示。接收到的特定频率的信号直接显示即可。流程图如图4所示。

图4 搜索单元系统流程图

3 系统测试结果

图5 搜索仪显示接收的信号强度

本次试验通过一个发射端和搜索仪进行通信测试，发射端采用正六面体结构，6个面分别安装采用覆铜板结构的微带天线，循环发射信号。发射端发射信号的频率为2645MHz。搜索仪对不同方向接收信号，显示的信号强度如图5所示。

将发射端放置在距搜索仪1km处，手持搜索仪接收发射端信号，进行3种实验。

1）将发射端露天放置在距搜索仪大约1km处，手持信标机搜索天线，分别将天线抬高距离地面2m、1.5 m处和地面上，依次旋转接收天线与发送端角度，记录搜索仪接收到的信号强度，如表2所示。

表2 发射端未被遮挡时接收信号强度

2）将发射端放置在距搜索仪单元1 km处草丛中，将发射端完全覆盖，手持信标机搜索仪天线，分别将天线抬高距离地面2m和1.5m处，依次旋转接收天线与发送端角度，记录接收的信号强度，如表3所示。

表3 发射端完全被遮挡时接收信号强度

表4 信号强度达到90%、95%和99%时距离发射端距离

3）信标机发射端无遮挡，手持搜索仪由远到近接收信号，记录信号强度一直达到90%、95%和99%时距离发射端距离，如表4所示。

根据实验可以发现，在距离发射端较远时，对准发射端方向接收的信号最强，根据接收到的信号强度可以准确判断发射端所在方向。当发射端被遮挡时，接收的信号强度变弱，但仍可以判断发射端方向。手持搜索仪沿着发射端所在方向靠近发射端，当改变接收天线方向而接收到的信号强度均达到90%以上时，表明发射端就在附近，可以有效缩小搜索范围。

4 结束语

本文设计了一种基于MSP430单片机的信标机系统，该系统应用锁相环技术，具有低功耗、体积小等特性，能够应用于航空航天和弹载记录仪回收等领域。实测表明该信标机可以有效判断发射端所在方向和范围，将其应用于航空航天记录仪搜寻等领域，可缩小搜寻范围，降低搜寻难度。

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Design of beacon system based on MSP430 microcontroller

CUI Lili1，2，DING Yonghong1，2，YOU Wenbin1，2，YAO Qinqin1，2
（1.Key Lab of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

A new beacon system which indicates the orientation of the recorder is designed in this paper in order to solve the onboard logger searching problem.The system consists of Phase-locked loop，microprocessor，GPS modules，power modules and so on.Actual measurement proves the system is reliable and can be achieved.This beacon can be applied in many fields logger search，which can effectively reduce the search scope to improve work efficiency.And this system is small，low power consumption and impact resistance.

recorder search；beacon；phase-locked loop；MSP430 MCU

A

：1674-5124（2015）10-0081-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.018

2015-01-05；

：2015-02-29

崔丽丽（1989-），女，吉林敦化市人，硕士研究生，专业方向为动态测试与智能仪器。