水下磁感应无线通信模块设计

朱景波,高天德,张博强

(西北工业大学 航海学院，西安 710072)

0 引言

海洋中蕴藏着丰富的油气、矿产和生物基因等资源，而且在维护国家领土安全、预防自然灾害等方面有着举足轻重的地位。随着人类探索范围的不断扩大，针对海洋的科学研究越来越多。研究人员通常需要在海洋中布放各种传感器网络，对海洋中的水文信息、环境信息等进行实时监测[1]。为了提升海洋观测系统的灵活性，传感器节点通常是独立密封的，因此水下无线通信技术在海洋观测系统中的应用越来越广泛。

现有的水下无线通信系统通常以声波或者蓝绿激光作为传输媒介。这两种信息载体在水中衰减较少，传输距离远，可以实现远距离通信[2]。在海洋观测系统中，主机可以移动到传感器附近进行信息收集，节点之间的通信一般发生在近场，声学和激光通信方式的优势不能充分发挥。而且声学通信系统一般功耗较大，且传输速率慢，信道复杂，实现算法难度大[3]；激光通信系统具有很强的方向性，水质和浮游生物等因素常常会影响通信效果，限制了应用范围[4-5]。针对水下近距离无线通信的应用需求，设计了一种基于磁场耦合的半双工无线通信模块。信号通过准静态磁场传输，不存在路径传输损耗和多径效应，能够实现稳定、高速的无线通信[6-7]。

1 原理及整体方案

在海洋观测系统中，传感器节点长期布放于水中进行数据采集。当我们需要某个传感器节点的数据时，可以下放一个遥控无人潜水器(ROV，remote operated vehicle)将数据回读，进行实时显示或存储。ROV通过电缆与船上连接，由船上控制移动到传感器节点附近，进行无线数据传输。ROV作为主机，通过转发上位机指令发起通信，传感器节点作为从机，收到指令后进行回复。

ROV和传感器节点分别装载磁感应无线通信模块，两者通过线圈在周围空间产生的交变磁场进行信息的传输，点对点的通信模型如图1所示。信号调制到载波频率后，经过驱动电路加载到线圈两端。由于线圈上的电流是交变的，会在周围空间产生交变的磁场，与此同时，接收端线圈位于交变的磁场中，会产生感应电流和感应电压。接收线圈两端的感应电压经过调理之后解调为基带信号，从而完成信号的传输[8]。

图1 磁感应点对点通信模型

为了保证通信效果，需要将基带信号搬移到高频信道进行传输。基本的调制方法有三种：幅移键控(ASK，amplitude shift keying)、频移键控(FSK，frequency shift keying)、相移键控(PSK，phase shift keying)。ASK调制方式抗干扰能力较差，PSK调制方式抗干扰能力强，但是实现复杂，增加设计难度。FSK调制方式抗干扰能力相对较强，且实现方式简单[9]。2FSK调制方式是用两种载波频率表示传输的信息，可以用计数器分频产生两种载波频率，基带信号电平变化时改变计数周期，从而实现2FSK调制。

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。

图2 通信模块整体框图

2 硬件设计

2.1 主控芯片

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270 μA/MHz，休眠时功耗仅有1.1 μA。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。

图3 MSP430F5338最小系统框图

2.2 接收调理电路

调理电路的作用是将线圈两端接入的微弱电压信号放大，同时抑制带外信号，提高信噪比。调理电路的频率特性为带通滤波器，通带内有一定的放大倍数，且具有低噪声、高输入阻抗的特点。我们采用前置放大、高通滤波、低通滤波的电路结构实现信号调理。由于调理电路需要持续工作，因此对功耗有严格的要求。我们选用TI公司的低功耗运算放大器TLV9002，该芯片为双通道运算放大器，每通道静态功耗仅有60 μA。该芯片噪声较低且价格低廉，适用于对成本敏感的设计。

前置放大电路要设置适当的增益，以充分利用运放的增益带宽积，起到抑制带外噪声的目的。同相放大电路具有较高的输入阻抗，电路结构如图4所示。

图4 前置放大电路

信号通过交流耦合方式接入电路，调节R1、R3的阻值可以设置增益。我们在反馈电阻两端并联电容C1来限制电路的带宽，抑制宽带噪声，截止频率按下式计算：

(1)

其中:fc表示图4中RC网络的截止频率。

滤波电路包括高通滤波和低通滤波两部分。为了保证频率响应的带内平坦度，我们选用巴特沃斯滤波器结构[10]。二阶巴特沃斯滤波器可以实现每倍频程12 dB的衰减，电路结构采用反相输入单放大器双二次节型(Neg SAB)，通过单个运放即可实现二阶滤波器结构，简化电路设计。滤波器电路如图5所示。

图5 滤波电路

2.3 解调电路

FSK解调可以通过软件和硬件两种方式实现。软件解调方式功耗较低，但是需要生成同频同相的本地载波，实现起来较为复杂。硬件解调方式一般通过锁相环电路，实现方式简单且误码率极低，缺点是电路功耗较大，需要单独关断。

我们采用硬件解调器XR2211实现信号解调。XR2211是一个专门为数字通信设计的单片锁相环系统，频率范围0.01 Hz～300 kHz。模拟输入电压的动态范围从10 mV～3 V，解调信号开漏输出，兼容多种电平标准。XR22111只需要设置几个阻容就可以完成解调功能，电路原理如图6所示。芯片采用5 V电源供电，由负载开关tps22860控制电源通断。调制信号从2脚交流耦合输入，芯片内部将信号偏置到VCC/2。解调信号从7脚输出，通过5.1 K电阻上拉到3.3 V，与单片机的IO电平兼容。调节R1和C1改变内部振荡器的频率，使其等于两个载波频率的中心频率，通过R4设置合理的带宽，即可完成解调器配置。

图6 XR2211电路原理图

2.4 电源设计

从机通信模块应用于密封的水下系统，只能采用电池供电，为了延长使用时间，我们需要对模块的供电电路进行优化设计。通信模块的电源需求如表1所示。

表1 通信模块电源需求

电路模块按照工作模式分为两种。对于间歇工作的电路模块，供电电路要独立分开，或串接负载开关，可以通过单片机控制，分时关断其电源。对于持续工作的电路模块，要选择合适的供电方案，降低电源自身的耗散功率。常用的电源芯片分为开关稳压电源和线性稳压电源。开关电源效率很高，但是噪声较大；线性电源噪声低，但是自身消耗功率较大。主控和信号发送电路是数字电路，可以用开关电源供电；接收调理和解调电路是模拟电路，需要线性电源二次稳压以降低噪声[11]。

对于开关稳压电源，我们要选用低静态电流、高效率的芯片。由于电流需求较小，最大电流只有10 mA，我们选用ADI公司的开关电源芯片LT3990。该芯片最大可以输出350 mA电流，输入电压可以达到62 V。该芯片在轻载时也可以达到较高的效率，输出10 mA电流时，效率达到70%左右，远高于其他电源芯片。线性稳压电源的效率取决于输入和输出的电压差，在芯片选型时，除了要满足噪声要求，还要选择低压差的芯片。我们选用TI公司的线性稳压芯片TPS7A4701，该芯片在输出1A电流时，压降仅有307 mV，宽带噪声仅4.2 μVRMS，适用于低功耗模拟电路的供电。通信模块的供电方案如图7所示，输入电压12～48 V，主控和信号发送电路的电压由两片LT3990分别产生，调理电路的电源先由LT3990降压到5.5 V，然后再用TPS7A4701稳压到5 V，解调电路与调理电路共用5 V电源，通过负载开关TPS22860控制通断。

图7 供电方案

3 软件设计

模块之间的通信是半双工的，通信由主机发起，从机回复。每个从机有一个固定的序列号，主机根据序列号在通信总线上发起广播，从机收到广播后校验序列号，如果与自己的序列号相同则在总线上发出回复信息。主从之间的通讯时序如图8所示。主机下发命令都是固定长度，包含帧头、从机序列号、询问内容编码、校验和等信息；从机收到指令后，延迟固定时间td进行回复，包含帧头、帧长度、本机序列号、询问内容回应、校验和等信息。

图8 主从模块通讯时序图

主机发送的命令由上位机下发，通信模块起到信号转发的作用。主机收到上位机的命令，将指令调制发出，收到从机回复后，将信息转发给上位机。从机通信模块大部分时间处于休眠状态，由通信总线上的信号唤醒。从机模块唤醒后，打开解调电路和串口，开始接收命令。命令接收完毕后，进行指令解析和回复信息帧组装，然后延迟固定时间将信号调制发出。为了避免从机通信模块被错误触发，我们要对通信总线上的信号进行频率判断。软件设计的关键部分在于信号调制和频率检测的实现。

3.1 FSK调制

为了区分主机信号和从机信号，需要将主机和从机的载波频率区分开。主机下发的信号称为下行信号，从机回复的信号称为上行信号，其载波频率如表2所示。

表2 通信载波频率

我们使用单片机内部的定时器TA0产生载波信号。TA0是一个16位定时器，带有7个可配置的比较/捕获寄存器TA0CCRx，且每个比较/捕获模块都带有输出单元。我们把定时器的工作模式配置为递增，输出模式配置为翻转，即计数器从0增加到TA0CCRx的值，并将输出电平翻转，然后计数器清零，重复上述过程。我们选用TA0.0引脚输出调制信号，上述配置完成后，只需改变TA0CCR0的值，即可改变输出频率。假设定时器输入时钟频率为fTACLK，我们要输出的频率为fout，则比较寄存器TA0CCR0应该配置为:

(2)

以上行信号为例，定时器输入时钟频率为16 MHz，发送高电平载波时，TA0CCR0设置为163；发送低电平载波时，TA0CCR0设置为155。待调制的串行信号接入外部中断输入引脚，在外部中断服务函数中进行频率切换的控制。信号调制的软件流程如图9所示。在调制串行信号之前，我们首先发送一段表示高电平的载波，并将外部中断的触发模式设置为下降沿。串口输出端在空闲状态下为高电平，当串行信号开始发送时，会产生一个下降沿中断，我们在中断服务函数中改变TA0CCR0的值，开始发送低电平；同时将中断触发条件改为上升沿，等待下一次外部中断。

图9 信号调制流程图

3.2 频率检测

从机通信模块进入休眠模式后，等待通信线上的信号唤醒。通信总线在空闲状态下为低电平，有信号出现时，迟滞比较器输出高脉冲，触发单片机产生比较器中断。在理想情况下，我们可以在比较器中断里面唤醒模块，开始接收和回复指令。但是在实际应用时，通信总线上有很多干扰信号，导致模块误触发概率增加。通信模块被唤醒之后，需要给解调电路上电，并打开串口接收，经过串口接收超时，重新进入休眠状态。误触发不仅会导致功耗增大，还可能在超时过程中错过真正的信号。为了避免误触发，要选择一个更加严格的唤醒条件。

主机发送信号时总是以一段高电平载波作为起始，可以通过这段标志性信号来唤醒从机通信模块。起始信号与噪声干扰都会触发比较器中断，不同之处在于起始信号的频率是稳定的，且信号是连续的。当起始信号出现时，会以固定频率连续触发比较器中断，且中断频率与信号频率相同。通过定时器计算比较器中断产生的频率，当比较器中断以某个频率连续产生N次时，即可认为起始信号出现。定时器工作在连续模式，每次进入比较器中断时，读取定时器的计数值tnew，与上一次的计数值told相减，得到一个时间差Δt，这个时间差即为信号的周期。我们设置一个目标频率检测范围[flow,fup]，则时间差应该满足:

(3)

具体实现流程如图10所示。通信模块进入休眠模式之前打开定时器，允许比较器中断。当接收信号超过迟滞比较器的上门限时，迟滞比较器输出高电平，触发单片机中断。在比较器中断服务函数中读取定时器的计数值，与上一次的计数值相减，得到两次中断的时间差。根据目标信号的周期设置一个时间范围，如果时间差满足要求，则将脉冲计数值加1，否则将脉冲计数值清零。脉冲计数值增加到N时，说明满足频率范围的信号连续出现了N次，即起始信号出现。此时打开解调电路和串口接收，开始接收数据。

图10 频率检测流程图

4 试验与分析

为了验证磁感应无线通信模块的性能，对主机和从机之间的通信进行测试。两个通信节点的线圈放置于水中，间隔一定距离。主机节点通过RS232接口与上位机连接，通过串口调试助手发送命令；从机节点的序列号为7002，收到主机指令后进行回复。

上位机发送指令查询序列号为7002的从机是否在线。发送指令为FC 6C 1B 5A 55，其中FC是信息帧头，1B 5A是7002的16进制码。从机收到后，回复FC 1B 5A 55 CA，表示本机在线，其中CA是校验和。用示波器测量通信线上的信号，结果如图11所示，图中由上到下的3个通道分别表示从机解调信号、主机线圈两端信号和主机解调信号。

图11 示波器测量通信信号

上位机通过串口调试助手连续发送询问命令，通信结果如图12所示。

图12 串口调试助手收发指令

改变线圈之间的距离，进行长时间的测试，统计不同距离时节点的通信成功率，结果如表3所示。

由表3结果可以看出，当线圈间距2 m时，通信成功率仍可达到100%；线圈间隔2.14 m以上时，通信效果急剧下降。由于磁场是静态场，不具有传播性，当线圈间距较远时，接收端信号不能超过迟滞比较器的门限，从机通信模块没有被唤醒，因此无法正常通信。磁耦合无线通信模

表3 不同间距时的通信成功率

块主要应用于水下近场通信，解决水下无缆密封系统的信息传输问题，满足应用要求。水下磁感应通信不存在多径效应干扰，不需要复杂的算法，实现起来简单，且通信效果良好[12]。

5 结束语

为了解决海洋观测系统中无缆信息传输的问题，设计了一种基于磁场耦合的低功耗无线通信模块。通过线圈耦合交变磁场进行信息传递，实现半双工通信。主机通信模块通过转发上位机指令发起通信，从机通信模块大部分时间处于休眠模式，由通信信号唤醒。采用超低功耗单片机MSP430F5338作为主控芯片，通过软件方式实现通信总线上的载波信号频率检测。通过单片机内部定时器和专用锁相环电路实现2FSK调制和解调，提高信号的抗干扰能力。结果表明，磁感应无线通信模块设计简单，成本和功耗较低。在水下间距2 m以内时，通信成功率可以达到100%，在海洋观测系统中由良好的应用前景。