基于MSP430单片机的2FSK通信系统设计

　　摘要 :使用TI公司的超低功耗单片机MSP430F149设计并实现了一种2FSK通信系统。

　　关键词 :MSP430,2FSK,调制解调

　　在某些带通型模拟信道，如在有线电话信道中进行数据传输，目前最通用的方法是将数字基带信号调制在话带内的音频载波上，形成适合话带传输的已调信号进行数字传输，而二进制频移键控2FSK调制是一种基本的较常用的数字频带调制方式。在话带内实现FSK调制的技术已经非常成熟，并且有丰富的套片可供选择，本文介绍的是一种通过电感线圈耦合实现半双工2FSK串行通信的无线通信系统，载波频率在25kHz附近，现有话带调制解调套片并不适用。传统的设计方法是使用2FSK调制解调功能的集成芯片，利用锁相环路的鉴频功能进行非相干解调，但其功耗较大，在使用电池供电的设备上并不让人满意，并且还有另外一个缺点，就是因为其调制频率由电阻电容确定，故频率稳定性不好，影响通信的可靠性，且调试麻烦。本文通过MSP430F149单片机实现的2FSK软件调制解调通信系统，则正是克服了这两个缺点。

　　1　MSP430F1XX单片机简介

　　MSP430F1XX系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，它根据不同的应用提供不同的具体型号的单片机，以满足不同用户的需求，应用范围非常广阔，它主要有以下特点。

　　l 低电压、超低功耗。MSP430F1XX系列单片机在1.8V～3.6V的工作电压、1MHz的时钟频率下运行，耗电电流在0.1μA～400μA之间，这个和不同的工作模式有关。

　　l 强大的处理能力。MSP430F1XX系列单片机为16位的RSIC结构，具有丰富的寻址方式、简洁的指令、大量的寄存器，在8MHz时钟下运算能力达到1MIPS。

　　l 系统工作稳定。MSP430F1XX系列单片机在上电复位后，首先由数字控制的振荡器启动CPU，保证程序从正确的位置开始执行，同时也保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。

　　l 丰富的外设资源。MSP430F1XX系列单片机主要的外设资源有定时器、看门狗、比较器、串口、硬件乘法器、ADC模块和丰富的端口资源。

　　l 方便的调试功能。MSP430F1XX系列单片机一般是基于FLASH型的，而且提供了JTAG口，通过集成的IDE开发环境，用户可以很容易地进行在线调试。开发工具支持C语言开发，这样能缩短程序开发的时间，也保证程序的可移植性。

　　2　硬件组成及工作原理

　　该系统的硬件主要由接收电路、单片机电路和发射电路三部分组成。

　　接收电路将耦合线圈上接收的信号经过电压放大、滤波、下变频、整形等处理，然后送给单片机的I/O口P2.3进行信号解调;单片机电路作为整个系统的核心控制部分，主要完成2FSK调制解调功能以及与上位机的通信，解调后的结果经过I/O口P1.7输出作为串口接收信号RX给上位机，上位机的串口发送信号TX则送至单片机的I/O口P1.6由单片机进行信号调制，调制后的信号经I/O口P2.4送至发射电路;发射电路则是将调制后的信号进行功率放大，驱动耦合线圈发送信号。

　　下面主要介绍接收电路和单片机电路两部分。

　　2.1 接收电路

　　接收电路较复杂这里就不附电路图了，下面详细介绍一下电路的关键组成部分。

　　接收电路首先经收发转换电路进行输入端的限幅保护，防止信号发射时的高电压损坏接收电路。之后是由运算放大器组成的高输入阻抗的同相放大电路对接收信号进行电压放大，再经过运算放大器组成的有源带通滤波器，通带范围24kHz～28kHz，滤除带外的各种干扰。

　　由于两种调制频率24.7kHz和27.4kHz较为接近，使得单片机在进行解调处理时的误差包容范围太小，容易造成误判，故在此增加了混频电路，对接收信号进行下变频处理，混频后两种调制频率为4.7kHz和7.4kHz，这样就增大了两种频率的相对差值，提高了解调的可靠性。混频后还需进行低通滤波，以滤出混频产生的高频成分。

　　此时的信号还不能直接送到单片机内置的比较器输入脚，因为该比较器的工作原理是将输入的信号电压与其参考电压相比较，大于参考电压则输出1，小于参考电压则输出0，如果输入信号在参考电压附近有较多干扰，则经过比较器后就很容易造成信号频率的错乱，所以在比较器之前还加入了一个施密特触发器电路对信号进行整形，然后直接将整形后的方波送给比较器，这样就增大了电路的噪声容限，提高了解调的可靠性。

　　2.2 单片机电路

　　图1 单片机电路图

　　图1是单片机MSP430F149的核心电路图。如图所示，与上位机的接口P1.5脚为收发转换命令输入，缺省为接收状态逻辑高电平。与接收电路的接口P2.3脚设为单片机内置的比较器输入脚作解调输入，P1.7为解调输出(即接收信号RX)，软件解调的原理是输入的信号首先经过比较器进行整形成方波，之后再通过定时器的捕获比较模块计算出方波信号边沿的时间间隔(即信号的周期)，判断出是bit0的频率f0还是bit1的频率f1，从而实现解调。P1.6为调制输入(即发送信号TX)，与发射电路的接口P2.4脚作调制输出，调制的原理是利用P1.6的中断(上升沿中断和下降沿中断)控制定时器的参数改变来实现两种不同频率的振荡输出。

　　P3.4和P3.5为单片机内部的UART用来与上位机进行串口通信。TDO、TDI、TMS、TCK为JTAG调试接口，可以非常方便的进行在线调试。在单片机的时钟设计上，考虑到低功耗和通信速率的要求，采用了32kHz和8MHz两种晶体振荡器来实现两个时钟信号。为了减小电源的纹波对单片机的影响，在电源输入引脚增加了滤波电容以减小干扰。

　　3　软件设计

　　关于系统的软件下面将主要介绍调制模块和解调模块部分。

　　3.1 调制模块

　　进入发射模式后调制输入接口P1.6将开始打开中断，初始化是下降沿中断(因为起始位是bit0)，判断是下降沿则控制定时器产生bit0的调制频率f0从P2.4脚振荡输出，然后改变P1.6中断的边沿触发条件，上升沿中断时控制定时器产生bit1的调制频率f1从P2.4脚振荡输出，再改变P1.6中断的边沿触发条件，如此循环实现2FSK调制，其流程图如图2所示。

　　图2 2FSK调制流程图 图3 2FSK解调流程图

　　3.2 解调模块

　　解调模式时，P2.3比较器的输出结果送给单片机的捕获比较模块，同样是信号边沿产生中断，但与P1.6口不同的是捕获比较模块不需要设置触发边沿类型。进入中断后，如果是下降沿，则计算与上一个下降沿的时间间隔，如果是上升沿，则计算与上一个上升沿的时间间隔，即每遇到一个边沿就计算一次之前一个周期的信号的频率，若是bit0的频率f0，则变量Zeros累加，若是bit1的频率f1，则变量Ones累加，流程图如图3所示。当累加到一个bit位宽时P1.7脚输出相应的电平。这样处理的结果会造成约一个bit位的解调延时，但比较可靠。

　　4　结束语

　　本文中所设计的2FSK通信系统充分地利用了MSP430单片机低功耗、处理能力强大的特点，并且由于信号频率由单片机电路的晶体振荡器决定，所以频率稳定性很高。低功耗、高稳定性这两点就是本设计所要达到的目的，也是最大优势所在。此设计已经在课题研制过程中得到了实践验证，可以作为应用参考。

　　参考文献

　　[1] 罗伟雄，韩力，原东昌，丁志杰等. 通信原理与电路. 北京：北京理工大学出版社，1999.

　　[2] 秦龙. MSP430单片机应用系统开发典型实例. 北京：中国电力出版社，2005.

　　[3] Texas Instruments. Application Report. SLAA204. July 2004.

《基于MSP430单片机的2FSK通信系统设计》

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文章名称： 基于MSP430单片机的2FSK通信系统设计

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