基于MSP430的莫爾斯報(bào)訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)

莫爾斯電報(bào)自問(wèn)世以來(lái)，已廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域之中。目前基于通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的報(bào)務(wù)終端已能夠?qū)崿F(xiàn)莫爾斯報(bào)的自動(dòng)收發(fā)，但傳統(tǒng)的人工拍發(fā)和收?qǐng)?bào)方式以其便攜性和頑存性仍然無(wú)法被完全替代。針對(duì)以往報(bào)，務(wù)人員的莫爾斯報(bào)訓(xùn)練裝置存在著依賴電腦使用不便，用鍵盤(pán)模擬手電鍵缺乏真實(shí)感，算法適應(yīng)性差，識(shí)別率低等問(wèn)題，采用以TI公司的MSP430低功耗16位單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一種莫爾斯報(bào)訓(xùn)練裝置，具有單獨(dú)使用和連接電腦兩種方式，使用標(biāo)準(zhǔn)報(bào)務(wù)手電鍵和耳機(jī)，能夠完成發(fā)報(bào)和收?qǐng)?bào)兩種訓(xùn)練，提高了模擬訓(xùn)練的真實(shí)性和訓(xùn)練水平。

1 整體設(shè)計(jì)方案
??? 莫爾斯碼的原理是以長(zhǎng)短信號(hào)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(jī)為核心處理攜帶此信息的電鍵信號(hào)，如圖1所示。

??? 訓(xùn)練器設(shè)計(jì)了兩種訓(xùn)練方式：發(fā)報(bào)訓(xùn)練和收?qǐng)?bào)訓(xùn)練。
l．1 發(fā)報(bào)訓(xùn)練
??? 發(fā)報(bào)訓(xùn)練是指報(bào)務(wù)人員根據(jù)指示的一組報(bào)文拍發(fā)，手電鍵敲擊的信號(hào)由訓(xùn)練器采集、處理并識(shí)別出莫爾斯碼，在數(shù)碼管上顯示或通過(guò)TUSB3410芯片提供的USB接口傳至電腦上位機(jī)軟件。
??? 在發(fā)報(bào)訓(xùn)練時(shí)，分別使用高、低電平表示間隔和點(diǎn)劃。這樣拍發(fā)出的電鍵信號(hào)實(shí)際上就是一組時(shí)長(zhǎng)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(diǎn)碼、劃碼、碼間隔、字間隔信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)。
??? 用單片機(jī)的I／O口對(duì)整形后的電鍵信號(hào)進(jìn)行不間斷采樣，根據(jù)高、低電平持續(xù)時(shí)間，通過(guò)識(shí)別算法解析出碼符號(hào)。同時(shí)，在電鍵信號(hào)的控制下給出頻率為500 Hz的方波作為發(fā)報(bào)監(jiān)聽(tīng)音送往耳機(jī)。
1．2 收?qǐng)?bào)訓(xùn)練
??? 收?qǐng)?bào)訓(xùn)練是指訓(xùn)練器在電腦的控制下發(fā)出莫爾斯碼對(duì)應(yīng)的電鍵音，報(bào)務(wù)人員通過(guò)耳機(jī)或喇叭監(jiān)聽(tīng)并同時(shí)記錄報(bào)文。
??? 在收?qǐng)?bào)訓(xùn)練時(shí)，將TUSB3410傳來(lái)的報(bào)碼實(shí)時(shí)翻譯為點(diǎn)、劃和間隔碼，并在此信號(hào)的控制下發(fā)出500 Hz單音。

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

??? 設(shè)計(jì)中，用一個(gè)上拉電阻將電鍵開(kāi)關(guān)跳線J4的一腳拉至高電平，另一腳接地。這樣，在發(fā)報(bào)訓(xùn)練中，當(dāng)電鍵抬起時(shí)，輸出高電平，表示間隔信號(hào)；當(dāng)電鍵被按下時(shí)，輸出低電平，表示點(diǎn)劃信號(hào)。為了消除高低電平交替過(guò)程中可能出現(xiàn)的毛刺，消除抖動(dòng)，用CD4011芯片中的兩級(jí)與非門(mén)(U6A和U6B)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行整形處理，此時(shí)來(lái)自MSP430 P3．1腳的KEY_CTL控制信號(hào)為應(yīng)高電平。在4腳輸出的信號(hào)連接到MSP430的P3．0腳，利用定時(shí)器A進(jìn)行周期為1 ms的查詢，以獲取各信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)，再通過(guò)譯碼算法譯出字符。電鍵信號(hào)的拍發(fā)過(guò)程中還需要提供電鍵音反饋給操作者。同樣利用定時(shí)器在每次查詢的同時(shí)對(duì)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(guò)U6A一次取反后的電鍵信號(hào)(3腳)作為輸出使能，控制與非門(mén)U6C的開(kāi)啟和關(guān)閉，保證只有在按下電鍵開(kāi)關(guān)時(shí)才輸出電鍵音。電鍵音通過(guò)LM386芯片放大后，由耳機(jī)或喇叭輸出。
??? 收?qǐng)?bào)訓(xùn)練時(shí)，電鍵是一直抬起的，而KEY_CTL信號(hào)受MSP430的控制。當(dāng)MSP430解析出點(diǎn)劃或間隔信號(hào)時(shí)，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(kāi)。

3 碼識(shí)別算法的設(shè)計(jì)
3．1 算法難點(diǎn)分析
??? 莫爾斯碼中，點(diǎn)碼時(shí)長(zhǎng)td、劃碼時(shí)長(zhǎng)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(hào)，由于報(bào)務(wù)人員熟練程度和使用習(xí)慣的不同，碼速和各信號(hào)實(shí)際時(shí)長(zhǎng)都相差很大，比例也不可能非常標(biāo)準(zhǔn)，在拍發(fā)過(guò)程中還會(huì)不斷變化，因此，算法對(duì)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)閾值的選取要因人而異，在運(yùn)行中自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)。以往的算法要么采取固定時(shí)長(zhǎng)閾值的方法，犧牲了適應(yīng)性，如絕對(duì)比較法；要么采取固定修正因子的方法犧牲了初期的識(shí)別率，如岡瑟算法，難以取得識(shí)別速度、識(shí)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(kāi)始拍發(fā)時(shí)程序不知曉報(bào)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(shí)識(shí)別的準(zhǔn)確性。按照一般的拍發(fā)速度和規(guī)定，選擇點(diǎn)碼時(shí)長(zhǎng)基準(zhǔn)值td=50 ms，劃碼時(shí)長(zhǎng)基準(zhǔn)值th=3td=150 ms，點(diǎn)劃碼的判定閾值Tdh=(td+th)／2=2td=100 ms，碼間隔時(shí)長(zhǎng)基準(zhǔn)值tm=50 ms，字間隔時(shí)長(zhǎng)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(shí)別方法
??? 莫爾斯碼中的字符由一系列點(diǎn)、劃信號(hào)的組合惟一表示。算法中采用改進(jìn)的查表法來(lái)進(jìn)行莫爾斯碼的譯碼。設(shè)計(jì)一個(gè)定長(zhǎng)表，將莫爾斯碼放入表項(xiàng)值中。由于莫爾斯碼中長(zhǎng)碼、短碼的長(zhǎng)度不一，為了方便比較為每項(xiàng)預(yù)留16 b，用10表示點(diǎn)碼，用11表示劃碼，剩余用OO補(bǔ)齊，如圖4所示。

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

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

??? (1)判斷最近一次點(diǎn)碼時(shí)長(zhǎng)是否符合篩選要求。因?yàn)榇a文中總有一些出錯(cuò)的或時(shí)長(zhǎng)相差較大的，如果將這些時(shí)長(zhǎng)也用來(lái)修正閾值會(huì)對(duì)其準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響。t′d表示最近一次的點(diǎn)碼時(shí)長(zhǎng)，t′d表示上一次的點(diǎn)碼時(shí)長(zhǎng)，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(duì)點(diǎn)碼時(shí)長(zhǎng)求加權(quán)平均。t′d表示修正后的點(diǎn)碼時(shí)長(zhǎng)，β為修正因子。β越接近于1，對(duì)閾值的平滑作用越強(qiáng)，但跟蹤能力越差。開(kāi)始階段為了迅速適應(yīng)報(bào)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(diǎn)碼時(shí)長(zhǎng)更新點(diǎn)劃碼判定閾值。其中t′d表示上次的劃碼時(shí)長(zhǎng)。
??? (4)對(duì)點(diǎn)劃判定閾值做平滑修正。T"db表示點(diǎn)劃碼判定閾值的最新值，t′dh表示上一次的點(diǎn)劃碼判定閾值。

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