基于MSP430的小功率无线发射/接收系统

杨光义， 程 鑫， 金伟正， 陈小桥

(武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 430072)

基于MSP430的小功率无线发射/接收系统

杨光义， 程 鑫， 金伟正， 陈小桥

(武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 430072)

以MSP430G2553单片机为控制核心，设计了一套小功率无线发射接收系统，给出了完整的系统方案和详细的发射功率计算过程。在接收端引入软件控制，实现了手动搜台和自动搜台等功能，既可以作为调频接收机单独使用，也可以作为发射/接收系统整体使用。系统涉及到的知识点丰富、综合性强，涵盖了压控振荡、频率调制、频率解调、射频功放、低频功放和MSP430单片机等内容。系统采用模块化设计，成本低廉、趣味性强，有助于学生深入理解相关理论知识，适合在实验教学中推广。

无线发射/接收系统； 功率放大； MSP430G2553

高频电子线路是通信、电子等专业的主干技术基础课程，也是一门教师难教且学生难学的课程，因此需要教师不断进行探索，开发可操作性强、难易程度适中，同时又兼顾趣味性的实验教学内容，调动学生的积极性，以便让学生更好地掌握该课程的相关知识[1]。为此，本文设计了一套小功率无线发射/接收系统，实现了短距离的无线发射和接收。系统以MSP430G2553单片机为控制核心，涵盖了压控振荡器、频率调制、频率解调、射频功放和低频功放等内容，组成了一个相对完整的通信系统。通过本系统的学习，有助于学生学习常用的电子元件器件、模拟电路以及简单的电路系统，掌握高、低频电子线路的基本概念和工作原理，掌握电子系统的分析和设计方法，为电子系统的工程实现等后续课程打下必备的基础[2]。

1 系统方案及理论计算

1.1 系统方案

小功率无线发射/接收系统总体框图见图1。发射部分包括压控振荡、频率调制、功率放大和电源4个模块。压控振荡器(VCO)产生高频载波信号，频率调制器完成高频载波和输入信号的调制，产生的调频信号经过射频功率放大后，获得足够的射频功率，馈送到天线上辐射出去。接收部分包括频率解调、主控单元、信号输出和电源4个模块。主控单元通过控制频率解调，实现从调频信号中还原出低频调制信号的功能，然后经过低频功率放大，推动扬声器发声。

图1 系统总体框图

1.2 理论计算

根据参考文献[3-4]，传输损耗Lt是路径损耗LP与天线增益G之差，即：

Lt=LP-G

(1)

其中，LP=32.45+20 lgf+20lgd+A，f为电波频率(MHz)，d为传播距离(km) ，A为电波衰减(dB)。天线增益G=Gt+Gr，Gt与Gr分别为发、收天线沿信号传输方向的平面波增益(dB)。

实际应用中，由于无线通信要受到各种外界因素的影响，比如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，一般取A=40 dB[4]。设发射频率f=100 MHz，发射距离d=50 m，可得LP=86.43 dB。

一般常用的拉杆天线增益为2.5～3.5 dBi[5]，本文取Gt=Gr=3 dBi，可得：G=Gt+Gr=6 dB，Lt=80.43 dB。

参阅SI4730(完成频率解调功能，将在硬件部分详细介绍)的资料[6]可知，系统接收灵敏度Pro=-100 dBm(2.2 μV)。所以，发射功率Pt必须满足：Pt≥Pro+Lt=-19.57 dBm(0.011 mW)

根据国家工信部的有关规定[7]，频率处于88.0～108.0 MHz的无线传声器的发射功率应不大于3 mW。因此，系统的发射功率实际的取值范围应为：3 mW≥Pt≥0.011 mW。

图2为发射天线的等效电路模型[8]，等效的信号源阻抗ZS=RS+jXS，RS为信号源电阻，XS为信号源电抗；天线的阻抗ZA=RA+jXA，其中RA为天线的输入电阻，XA为天线的输入电抗。

图2 发射天线的等效电路

(2)

(3)

2 系统硬件设计

仔细分析系统框图可知，系统硬件设计的重点和难点在于频率调制、射频功放、主控单元和频率解调4部分。受于篇幅限制，本文仅对这4部分详细介绍，低频功放可以参考文献[9-10]，电源模块可以参考文献[11]。

2.1 频率调制

为了将语音信号调制到100 MHz左右的频率上，系统采用新型调频发射压控振荡器MAX2606。MAX2606采用SOT23-6微型封装，内部集成低噪声考比兹(Colpitts)压控振荡器，调谐范围、偏置、触发值等均由片内电路决定，只需外接少量元件就能组成高性能调频发射器[12]，具体电路见图3。

图3 频率调制电路

图3中，压控振荡器MAX2606的中心频率由外部电感L1设置，当电感L1=330 nH时，中心频率fc=100 MHz。调节电位器R5，可以在85～107 MHz的FM波段选择一个频道作为发射频率。由麦克风MK1采集的音频信号经过电位器R3衰减后，从压控振荡器MAX2606的引脚3送入内部振荡电路，经过调制后的射频信号从引脚6输出。

调试MAX2606有2个关键点：一是选用电感L1的品质因素Q应大于35，以确保振荡器能够正常起振，且让振荡器具有良好的噪声特性；二是输入音频信号幅度高于60 mV时将产生失真，因此使用时需要调整电位器R3将信号衰减到60 mV以下。

2.2 射频功放

鉴于MAX2606产生的调频信号功率较小，故在MAX2606后级联一个射频功率放大器THS9000，以获得足够的发射功率。THS9000是针对高中频频率优化的中等功率器件[13]，具体电路见图4。

图4 射频功放电路

由于THS9000输入阻抗和MAX2606的输出阻抗均为50 Ω，故在设计电路时可直接将MAX2606产生的调频信号输入射频功放THS9000。改变偏置电阻R2的阻值，可以改变功率放大的倍数。

2.3 主控单元

主控单元采用+3.3 V供电，由超低功耗单片机MSP430G2553为核心的电路构成，外接TFT液晶屏和4个按键，具体电路见图5。MSP430G2553单片机是一种混合信号微控制器，拥有强大的数据处理和运算能力，具有16位精简指令集(RISC)架构和62.5 μs指令周期时间，可在不到1 μs的时间里从待机模式超快速地唤醒，支持JTAG仿真调试[14]。

图5 MSP430G2553主控单元电路

2.4 频率解调

频率解调采用Silicon Labs的全数字COMS单晶片集成FM/AM广播接收器SI4730，其内部集成了高频放大器、混频器和低通滤波器，并且由单片机MSP430G2553实现全数字式控制，具体电路见图6。SI4730频带范围较宽，收音频率为76～108 MHz，只需要极少的外围元件，并且基本上不需要外部对高频信号进行手动调准[15]。

图6 SI4730频率解调电路

3 系统软件设计

3.1 总体思路

系统主程序由系统初始化、接收器SI4730控制、按键处理和LCD液晶显示4大模块组成。系统初始化包括单片机MSP430G2553初始化、接收器SI4730初始化和LCD液晶屏初始化，同时打开按键中断。主控模块使用单片机MSP430G2553的2个I/O引脚模拟I2C总线的SDA/SCL时序与接收器SI4730通信，实现对接收器SI4730的控制。按键处理通过调用函数的方法实现按键复用，完成手动搜台和自动搜台等功能。各项操作提示和操作结果均通过LCD液晶屏显示出来。系统主程序流程见图7，S14730读写子程序流程见图8。

图7 系统程序流程

图8 S14730读写子程序流程

从图7可以看出，根据按下不同按键，程序对应的端口不同，进行处理的方式也不同。若按下按键1，进入手动搜台模式；按下按键4，则进入自动搜台模式。在手动搜台模式中，按下按键2，则当前频率加上单位步长0.1 MHz；若频率已经超过最高频率108.0 MHz，那么就回到最低频率88.4 MHz重新搜索，否则继续加单位步长。若按下按键3，则当前频率减上单位步长0.1 MHz，若频率低于最低频率88.4 MHz，就回到最高频率108.0 MHz进行搜索，否则继续减单位步长。与此同时，LCD液晶屏将当前工作模式和工作频率实时显示出来。在自动搜台模式中，系统从最低频率88.4 MHz开始全频率搜索，每次步进0.1 MHz，如此不断地写入和读出，同时调用频率显示函数不断地刷新频率。当搜索到最高频率108 MHz时，自动退出搜台模式。

3.2 SI4730软件设计

根据SI4730的读写协议[16]，调用公用I2C驱动即可编写出SI4730的读写函数OperationSi47XX_2w()。它们可为手动搜台、自动搜台等FM功能调用，以实现程序的模块化结构。SI4730的读写流程中Si4730_Start()和Si4730_Stop()分别表示启动和停止I2C总线，Si4730_Ack()为应答信号，Si4730_Writebyte()和Si4730_Readbyte()分别表示主机向从机写入地址和从从机读取地址。

4 系统测试

在实验室环境下，首先单独测试接收部分接收调频广播的能力；然后将发射部分和接收部分放置间隔约30 m，为保证最佳接收效果，发射天线与接收天线始终平行放置。设置接收部分工作在手动搜台模式，同步调整发射部分和接收部分的参数，实现系统的完整功能。

4.1 接收部分测试

主控单元设置的工作频率范围为88.4～108 MHz，因此理论上可以接收到整个广播频段的信号。实验记录见表1，共接收到18个调频广播电台，其中10个电台的信号非常清晰，5个电台的信号比较清晰。

表1 接收调频广播能力测试记录

4.2 系统整体测试

利用信号源产生调制信号，通过示波器观察系统关键节点的波形，利用扬声器测试系统最终输出，结果见图9。图9(a)为信号源输出的频率1 kHz、峰峰值700 mV正弦波，图9(b)为压控振荡器MAX2606产生的100 MHz载波信号，图9(c)为压控振荡器MAX2606输出的调频信号，图9(d)为射频功放THS9000输出的调频发射信号，图9(e)为接收器SI4730输出的解调信号，图9(f)为低频功放输出的音频信号。另外，连续缓慢调节信号源输出频率，在扬声器端可以清晰地听到不断变化的音阶，说明系统各部分工作正常。

图9 调频发射机的测试波形

对比图9(c)和9(d)可知，信号经过射频功率放大后，幅度放大了4.57倍，功率放大了20.89倍。由公式(3)计算可知，发射天线得到的可用功率PS=1.6 mW，而一般工程应用中，天线的辐射效率在40%～60%之间，则发射机的有效发射功率的范围应为0.64～0.96 mW，符合本文1.2节发射功率计算的取值范围。

5 结语

本文设计了一套基于MSP430G2553的小功率无线发射接收系统，完成了小功率调频发射和调频接收，最终实现了音频信号的还原输出。系统采用模块化设计，在接收端引入软件控制，实现了手动搜台和自动搜台等功能，既可以作为调频收音机单独使用，也可以作为发射接收系统整体使用。由于实验条件限制，本文没有测试系统最远通信距离，读者可在法律允许的前提下，级联射频功放THS9000，或者更换更大功率的功放型号，实现更远距离的通信。

在此，特别感谢武汉大学设备处的大力支持。

References)

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Low power wireless transmitting and receiving system based on MSP430

Yang Guangyi, Cheng Xin, Jin Weizheng, Chen Xiaoqiao

(Electronic Information College, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

A set of the low power wireless transmitting and receiving system is designed by using the MSP430G2553 SCM as the control core, and the complete system scheme and detailed calculation process of transmitting power are presented. The software control is introduced at the receiver, and the functions of the manual searching and automatic searching are realized, which can be used either as an individual FM receiver or as a whole integrated transmitting and receiving system. The system is rich in knowledge points and comprehensive, covering the voltage controlled oscillation, frequency modulation, frequency demodulation, radio frequency power amplification, low frequency power amplification, MSP430 SCM, etc. The system adopts the modular design which is of low cost and strong interest. It helps the students to understand the relevant theoretical knowledge and is suitable for promotion in experimental teaching.

wireless transmitting and receiving system; power amplification; MSP430G2553

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.024

TN710；G484

A

1002-4956(2017)11-0096-06

2017-07-04

武汉大学教学改革建设项目(2016JG52)；武汉大学2017年实验教学中心开放实验项目(WHU-2017-KFSY-02)

杨光义(1983—)，男，湖北孝感，在职博士研究生，实验师，从事高频电子线路教学和图像处理等科研.

E-mailygy@whu.edu.cn