摩尔斯电码无线通讯仿真实验室

2020-12-07陆俊达

中国科技教育 2020年2期

陆俊达

研究背景

摩尔斯电码（Morse code）是一种以信号通断的时间长短和组合方式传输信息的信号代码。本人在进行科技活动课和信息技术课教学过程中，将摩尔斯电码收发报的知识和体验活动引入课堂。学生对摩尔斯电码很感兴趣，但是在学生学习完理论课程以后，我却没法找到合适的、仿真度高的教具和学具让学生体验摩尔斯电码收发报过程。所以，很有必要设计一套仿真度高的摩尔斯电码收发报体验设备用于装备学校实验室和课堂。

项目研究过程

确定项目研究目标

本项目研究的目标，是研究一种方法和相关的设备，便于师生在课堂上灵活地分组开展高仿真度的莫尔斯电码收发实验。该项目必须实现如下目标：①设备成本低廉，便于师生动手制作和使用;②可灵活方便地分组学习;③不会对外发射大功率高频无线电波，不干扰别的电子设备，无须考取业余无线电台操作证书就可以操作;④可自动收发和自动编解码，可对使用者的电码输入作检查与测评;⑤设备外形与使用方法、使用效果具有高度仿真性。

規划系统各部分的组成架构

摩尔斯电码无线通讯仿真实验室的总体架构设计为：实验室里的所有学生组成1个或多个学习小组，以小组形式开展学习活动的科普课堂模式，每个学习小组采用一发一收或一发多收的形式，轮流开展收发摩尔斯电码的活动。

设计摩尔斯电码无线通讯仿真终端机电路架构

摩尔斯电码无线通讯仿真终端机涉及数字和模拟信号的处理，因此电路采用模拟和数字混合的结构，内部架构设计如图1所示。智能收发一体终端机的应用方法框图如图2所示。单接收机没有发射功能，也没有智能编解码能力和学生练习的指导和评价功能，架构较为简单，如图3所示。

技术方案

◇仿真终端机通讯链路设计

学校教室和实验室是人员高度密集的场所，无论从保护学生身体健康、防止各教室之间的互相干扰，以及收发电路复杂度、成本等各方面综合考虑，都不宜使用常规的高频电磁波作为通讯链路，必须使用一种能兼顾以上需求的通讯链路替代。而低频（<5kHz）的电磁耦合现象，正好可以避免高频电磁波发射和接收电路的各种问题和弊端，也能很好地控制传输距离，完全可以满足本项目的需求。

◇收发电路的设计

本项目采用大功率、高效率数字功放，其核心为TI公司的TPA3116D2数字功放芯片，单电源12V的工作电压下，BTL模式最大输出功率为30W，电路效率可达85%以上。电路结构简单、体积小巧，工作时几乎不发热，十分符合本项目需求。

发射天线采用常规导线绕制的大直径环形天线，为了与数字功放芯片输出匹配，绕制的天线阻抗为3～4Ω，可以实现最大效率的电磁场转换。

为了满足接收电路对增益、功耗的要求，接收电路采用了NSC公司的小功率音频功放芯片LM386，该芯片最大可以实现200倍（46dB）电压增益，带宽可达300kHz，可以4～12V单电源供电，静态电流只有4mA，非常适合本项目对接收机电路的需求。

接收机天线从体积和重量及便携性能上考虑，采用了铁氧体磁棒线圈的形式，根据LC谐振公式计算，天线电感值在30mH左右，并联1uF薄膜电容，谐振点即可在1kHz左右，实现最大的天线效率。

◇自动收发码和编解码功能的设计思路

为了使本项目研究的设备更智能化，更好地辅助学生学习和练习莫尔斯电码的编解码能力，在系统功能上还加入了自动收发码和编解码功能。这些功能的实现，需要在仿真终端机内加入USB转串口电路和8位MCU为核心的数字电路，通过MCU内置8位与16位定时器产生发码时的1kHz信号和计算学生每次按键的时间长度和间隔时间长度。从电路复杂程度、成本等各方面综合考虑，USB转串口电路由Silicon Labs公司的CP2102芯片实现，MCU则采用Atmel公司的ATMEGA88芯片。

设计电路

电子CAD软件使用AltiumDesigner 10软件，主要设计了单接收机的模拟电路和智能收发一体终端机的数字模拟混合电路。

焊接PCB板

PCB板上的元器件全部由本人手工焊接而成。

设计加工外壳

使用AutoCAD 2014设计终端机外壳，并使用激光切割机切割和刻字。

设计规划系统功能菜单

为了便于教师和学生使用智能收发一体终端机，在人机界面上设计了“设定t值”“自适应学习”等菜单功能。

编写代码和烧录

固件代码编译和烧录使用了GCC的编译器和AVRstudio，上位机程序采用Embarcadero RAD Studio XE2环境编写与编译，使用Microsoft的串口控件操作上位机的串口，程序最终编译成32位单一可执行文件。

设备组装与测试

采用手工方式做系统总装。总装完成的设备和所有实物成果见图4和图5。