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基于PIC16F886MCU實現USB自動莫爾斯鍵控器設計方案

來源: toutiao
2021-12-15
類別:工業控制
eye 23
文章創建人 拍明

原標題:USB自動莫爾斯鍵控器設計方案

基于PIC16F886 MCU實現USB自動莫爾斯鍵控器設計方案

1. 引言

莫爾斯電碼在無線電通信中被廣泛應用,特別是在業余無線電領域中仍具有重要地位。隨著USB技術的普及,設計一款支持USB接口的自動莫爾斯鍵控器,可以顯著提高通信效率,同時簡化硬件設計。本設計基于Microchip公司的PIC16F886微控制器,結合USB接口和鍵控電路,詳細介紹了系統的軟硬件實現。

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2. 主控芯片選擇及其作用

主控芯片是整個系統的核心,負責讀取用戶輸入、生成莫爾斯電碼信號并控制輸出。本設計選用Microchip公司的PIC16F886微控制器。以下是選擇該芯片的主要原因及其在系統設計中的作用。

2.1 PIC16F886的主要特性
PIC16F886是一款低功耗、高性能的8位單片機,基于RISC架構,具有以下特性:

  • 程序存儲器:14 KB Flash存儲,可滿足自動莫爾斯鍵控器的代碼需求。

  • 數據存儲器:368字節RAM和256字節EEPROM,可用于存儲動態數據和用戶配置。

  • I/O端口:25個通用I/O引腳,滿足鍵控輸出、按鍵輸入和指示燈驅動的需求。

  • 通信接口:支持USART模塊,可用于與USB-串口橋接芯片通信。

  • 定時器:內置3個定時器,能夠準確生成莫爾斯電碼信號的時間間隔。

  • 工作電壓范圍:2.0V至5.5V,適應各種供電需求。

2.2 PIC16F886在設計中的作用

  1. 輸入讀取:通過GPIO引腳讀取按鍵狀態或外部輸入信號,決定輸出的莫爾斯電碼內容。

  2. USB通信:利用USART模塊與USB橋接芯片通信,實現與PC的USB接口連接。

  3. 莫爾斯電碼生成:基于定時器中斷和軟件邏輯,生成不同長度的信號以匹配電碼規則。

  4. 信號輸出:通過控制I/O引腳輸出高低電平,驅動鍵控電路實現莫爾斯信號的物理輸出。

  5. 用戶設置存儲:利用EEPROM保存用戶偏好設置,如發報速度和點劃比例。

3. 硬件設計

本設計的硬件部分包括主控單元、USB接口、鍵控電路和供電模塊。每個模塊的設計細節如下。

3.1 主控單元
主控單元以PIC16F886為核心,外圍包含復位電路和晶振電路。

  1. 復位電路:使用10kΩ電阻和0.1μF電容構成RC復位電路,確保系統上電后穩定復位。

  2. 晶振電路:采用20 MHz外部晶振,提供穩定時鐘信號以支持高速操作。

3.2 USB接口電路
由于PIC16F886不直接支持USB協議,本設計采用CP2102作為USB-串口橋接芯片。CP2102與PIC16F886通過UART連接,實現PC與鍵控器的通信。

  • CP2102的USB D+和D-引腳通過匹配電阻直接連接到USB接口。

  • 使用3.3V穩壓芯片為CP2102供電,確保兼容USB電壓標準。

3.3 鍵控電路
鍵控電路負責將主控芯片輸出的數字信號轉換為適合無線電發射機的鍵控信號。

  • 使用NPN三極管(如2N2222)作為開關器件,通過基極電阻連接到PIC16F886的輸出引腳。

  • 集電極連接到發射機的鍵控輸入,發射信號時三極管導通。

  • 加入一個防反向二極管以保護發射機輸入端口。

3.4 供電模塊
整個系統使用5V供電,可通過USB接口直接提供電源。

  • 使用AMS1117穩壓芯片提供3.3V供電,供給CP2102和部分邏輯電路。

  • 在電源輸入處增加電解電容和瓷片電容進行濾波。

4. 軟件設計

軟件設計采用C語言開發,基于MPLAB IDE和XC8編譯器完成。主要包括初始化、USB通信、莫爾斯電碼生成和鍵控信號輸出四個模塊。

4.1 初始化模塊

  • 配置時鐘頻率為20 MHz,確保芯片高效運行。

  • 初始化GPIO、USART和定時器模塊。

  • 配置EEPROM,加載用戶保存的設置。

4.2 USB通信模塊
通過UART實現與CP2102的通信。UART配置為9600波特率,8位數據位,無校驗位,1位停止位。PC端通過串口工具發送電碼內容,主控芯片解析后生成對應信號。

4.3 莫爾斯電碼生成模塊
使用定時器中斷生成點與劃的時間間隔。

  • 點的持續時間為基礎單位T,劃的持續時間為3T,間隔為T。

  • 通過查表法,將輸入字符轉換為電碼序列。

4.4 鍵控信號輸出模塊
根據電碼生成模塊的輸出,控制GPIO引腳高低電平,驅動鍵控電路輸出信號。

5. 系統測試與優化

5.1 測試環境

  • 硬件連接PC,通過串口工具發送測試字符。

  • 輸出端連接示波器,觀察生成的莫爾斯信號。

5.2 測試結果

  • PC端發送字符“CQ”,示波器顯示正確的莫爾斯編碼“— · — · ··—·”。

  • 測試不同發報速度下的信號穩定性,系統運行良好。

5.3 優化方向

  • 增加自定義字符表,支持更多語言符號。

  • 改善用戶界面,使用液晶屏顯示操作狀態。

6. 總結

基于PIC16F886設計的USB自動莫爾斯鍵控器結構簡單、功能實用。通過主控芯片生成準確的電碼信號,并與PC通過USB接口通信,滿足業余無線電通信的需求。未來可以進一步擴展功能,例如加入藍牙模塊實現無線控制,提升設備的便攜性和易用性。


責任編輯:David

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