基于MSP430的莫爾斯報訓(xùn)練裝置設(shè)計

莫爾斯電報自問世以來，已廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域之中。目前基于通用計算機平臺的報務(wù)終端已能夠?qū)崿F(xiàn)莫爾斯報的自動收發(fā)，但傳統(tǒng)的人工拍發(fā)和收報方式以其便攜性和頑存性仍然無法被完全替代。針對以往報，務(wù)人員的莫爾斯報訓(xùn)練裝置存在著依賴電腦使用不便，用鍵盤模擬手電鍵缺乏真實感，算法適應(yīng)性差，識別率低等問題，采用以TI公司的MSP430低功耗16位單片機為核心，設(shè)計了一種莫爾斯報訓(xùn)練裝置，具有單獨使用和連接電腦兩種方式，使用標(biāo)準(zhǔn)報務(wù)手電鍵和耳機，能夠完成發(fā)報和收報兩種訓(xùn)練，提高了模擬訓(xùn)練的真實性和訓(xùn)練水平。

1 整體設(shè)計方案
??? 莫爾斯碼的原理是以長短信號及間隔的不同組合代表數(shù)字、字母等字符。訓(xùn)練器以MSP430單片機為核心處理攜帶此信息的電鍵信號，如圖1所示。

??? 訓(xùn)練器設(shè)計了兩種訓(xùn)練方式：發(fā)報訓(xùn)練和收報訓(xùn)練。
l．1 發(fā)報訓(xùn)練
??? 發(fā)報訓(xùn)練是指報務(wù)人員根據(jù)指示的一組報文拍發(fā)，手電鍵敲擊的信號由訓(xùn)練器采集、處理并識別出莫爾斯碼，在數(shù)碼管上顯示或通過TUSB3410芯片提供的USB接口傳至電腦上位機軟件。
??? 在發(fā)報訓(xùn)練時，分別使用高、低電平表示間隔和點劃。這樣拍發(fā)出的電鍵信號實際上就是一組時長不等的高、低電平組合，如圖2所示。

??? 圖2中td，th，tm，tz分別表示點碼、劃碼、碼間隔、字間隔信號的時長。
??? 用單片機的I／O口對整形后的電鍵信號進(jìn)行不間斷采樣，根據(jù)高、低電平持續(xù)時間，通過識別算法解析出碼符號。同時，在電鍵信號的控制下給出頻率為500 Hz的方波作為發(fā)報監(jiān)聽音送往耳機。
1．2 收報訓(xùn)練
??? 收報訓(xùn)練是指訓(xùn)練器在電腦的控制下發(fā)出莫爾斯碼對應(yīng)的電鍵音，報務(wù)人員通過耳機或喇叭監(jiān)聽并同時記錄報文。
??? 在收報訓(xùn)練時，將TUSB3410傳來的報碼實時翻譯為點、劃和間隔碼，并在此信號的控制下發(fā)出500 Hz單音。

2 電鍵信號預(yù)處理電路
??? 電鍵信號的預(yù)處理電路如圖3所示。

??? 設(shè)計中，用一個上拉電阻將電鍵開關(guān)跳線J4的一腳拉至高電平，另一腳接地。這樣，在發(fā)報訓(xùn)練中，當(dāng)電鍵抬起時，輸出高電平，表示間隔信號；當(dāng)電鍵被按下時，輸出低電平，表示點劃信號。為了消除高低電平交替過程中可能出現(xiàn)的毛刺，消除抖動，用CD4011芯片中的兩級與非門(U6A和U6B)對此信號進(jìn)行整形處理，此時來自MSP430 P3．1腳的KEY_CTL控制信號為應(yīng)高電平。在4腳輸出的信號連接到MSP430的P3．0腳，利用定時器A進(jìn)行周期為1 ms的查詢，以獲取各信號的時長，再通過譯碼算法譯出字符。電鍵信號的拍發(fā)過程中還需要提供電鍵音反饋給操作者。同樣利用定時器在每次查詢的同時對P3．2腳取反，能夠得到500 Hz的方波，提供給CD4011的8腳。利用經(jīng)過U6A一次取反后的電鍵信號(3腳)作為輸出使能，控制與非門U6C的開啟和關(guān)閉，保證只有在按下電鍵開關(guān)時才輸出電鍵音。電鍵音通過LM386芯片放大后，由耳機或喇叭輸出。
??? 收報訓(xùn)練時，電鍵是一直抬起的，而KEY_CTL信號受MSP430的控制。當(dāng)MSP430解析出點劃或間隔信號時，使KEY_CTL相應(yīng)的拉低或拉高，從而使KEY_SND電鍵音同步輸出或斷開。

3 碼識別算法的設(shè)計
3．1 算法難點分析
??? 莫爾斯碼中，點碼時長td、劃碼時長th之比一般為1：3，碼間隔tm、字間隔tz、詞間隔tc之比通常為1：3：5。人工拍發(fā)的摩爾斯碼信號，由于報務(wù)人員熟練程度和使用習(xí)慣的不同，碼速和各信號實際時長都相差很大，比例也不可能非常標(biāo)準(zhǔn)，在拍發(fā)過程中還會不斷變化，因此，算法對信號時長閾值的選取要因人而異，在運行中自動調(diào)整適應(yīng)。以往的算法要么采取固定時長閾值的方法，犧牲了適應(yīng)性，如絕對比較法；要么采取固定修正因子的方法犧牲了初期的識別率，如岡瑟算法，難以取得識別速度、識別準(zhǔn)確度和適應(yīng)性之間的平衡。
3．2 判定閾值基準(zhǔn)值的選取
??? 電鍵剛開始拍發(fā)時程序不知曉報務(wù)人員的情況，因此必須選取合適的判定閾值基準(zhǔn)值，以保證此時識別的準(zhǔn)確性。按照一般的拍發(fā)速度和規(guī)定，選擇點碼時長基準(zhǔn)值td=50 ms，劃碼時長基準(zhǔn)值th=3td=150 ms，點劃碼的判定閾值Tdh=(td+th)／2=2td=100 ms，碼間隔時長基準(zhǔn)值tm=50 ms，字間隔時長基準(zhǔn)值tz=3tm=150 ms，碼、字間隔的判定閾值Tmz=(tm+tz)／2=2tm=100 ms。
3．3 碼識別方法
??? 莫爾斯碼中的字符由一系列點、劃信號的組合惟一表示。算法中采用改進(jìn)的查表法來進(jìn)行莫爾斯碼的譯碼。設(shè)計一個定長表，將莫爾斯碼放入表項值中。由于莫爾斯碼中長碼、短碼的長度不一，為了方便比較為每項預(yù)留16 b，用10表示點碼，用11表示劃碼，剩余用OO補齊，如圖4所示。

??? 算法采取等距離判定法區(qū)分點碼與劃碼、碼間隔與字間隔，即取點、劃碼時長的平均值作為它們之間的判定閾值，取碼、字間隔時長的平均值作為其判定閾值。識別的完整流程如圖5所示。

??? 采樣電平翻轉(zhuǎn)時，記錄上一個狀態(tài)的持續(xù)時間t。對于碼信號，當(dāng)t>Tdh時，表示解出劃碼，在碼值中存入11，反之則存入10；對于間隔信號，當(dāng)t>Tmz時，代表解出字間隔，將碼值用00補足16 b后進(jìn)行順序法查表，查出的位置值經(jīng)過換算就能得到對應(yīng)的莫爾斯碼符號。
3．4 判定閾值的修正方法
??? 為了實時跟蹤報務(wù)人員的擊鍵狀態(tài)，算法需要根據(jù)最新的輸入碼時長不斷對判定閾值做出修正，采用加權(quán)平均的方法可以實現(xiàn)判定閾值的平滑變化。最近一次判定為點碼的修正流程如圖6所示。其他時長的修正方法與此類似。

??? (1)判斷最近一次點碼時長是否符合篩選要求。因為碼文中總有一些出錯的或時長相差較大的，如果將這些時長也用來修正閾值會對其準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響。t′d表示最近一次的點碼時長，t′d表示上一次的點碼時長，a為篩選因子。a取的越大則閾值起伏越大，此處取為O．5。滿足篩選要求的數(shù)據(jù)進(jìn)入步驟(2)，否則放棄本次修正。
??? (2)對點碼時長求加權(quán)平均。t′d表示修正后的點碼時長，β為修正因子。β越接近于1，對閾值的平滑作用越強，但跟蹤能力越差。開始階段為了迅速適應(yīng)報務(wù)人員的習(xí)慣，取β為0．5，隨著拍發(fā)的進(jìn)行，為了保證閾值的平穩(wěn)變化，將β盧逐步減小到0．2。?
??? (3)根據(jù)最近一次點碼時長更新點劃碼判定閾值。其中t′d表示上次的劃碼時長。
??? (4)對點劃判定閾值做平滑修正。T"db表示點劃碼判定閾值的最新值，t′dh表示上一次的點劃碼判定閾值。

4 結(jié) 語
??? 采用上述設(shè)計的莫爾斯報裝置可在不接駁電腦的情況下使用，識別結(jié)果直接在LED上滾動顯示，也可連接電腦，在上位機軟件中進(jìn)行成績評定，使用方便靈活。經(jīng)過改進(jìn)的算法識別速度快，錯碼率低，在算法跟蹤速度和識別準(zhǔn)確度間取得了良好的平衡。該裝置經(jīng)報務(wù)人員大規(guī)模使用，60～140碼／分條件下誤識別率小于10-5，效果良好。