基于MSP430的莫尔斯报训练装置设计

1 整体设计方案
    莫尔斯码的原理是以长短信号及间隔的不同组合代表数字、字母等字符。训练器以MSP430单片机为核心处理携带此信息的电键信号，如图1所示。

    训练器设计了两种训练方式：发报训练和收报训练。
l．1 发报训练
    发报训练是指报务人员根据指示的一组报文拍发，手电键敲击的信号由训练器采集、处理并识别出莫尔斯码，在数码管上显示或通过TUSB3410芯片提供的USB接口传至电脑上位机软件。
    在发报训练时，分别使用高、低电平表示间隔和点划。这样拍发出的电键信号实际上就是一组时长不等的高、低电平组合，如图2所示。

    图2中td，th，tm，tz分别表示点码、划码、码间隔、字间隔信号的时长。
    用单片机的I／O口对整形后的电键信号进行不间断采样，根据高、低电平持续时间，通过识别算法解析出码符号。同时，在电键信号的控制下给出频率为500 Hz的方波作为发报监听音送往耳机。
1．2 收报训练
    收报训练是指训练器在电脑的控制下发出莫尔斯码对应的电键音，报务人员通过耳机或喇叭监听并同时记录报文。
    在收报训练时，将TUSB3410传来的报码实时翻译为点、划和间隔码，并在此信号的控制下发出500 Hz单音。

2 电键信号预处理电路
    电键信号的预处理电路如图3所示。

    设计中，用一个上拉电阻将电键开关跳线J4的一脚拉至高电平，另一脚接地。这样，在发报训练中，当电键抬起时，输出高电平，表示间隔信号；当电键被按下时，输出低电平，表示点划信号。为了消除高低电平交替过程中可能出现的毛刺，消除抖动，用CD4011芯片中的两级与非门(U6A和U6B)对此信号进行整形处理，此时来自MSP430 P3．1脚的KEY_CTL控制信号为应高电平。在4脚输出的信号连接到MSP430的P3．0脚，利用定时器A进行周期为1 ms的查询，以获取各信号的时长，再通过译码算法译出字符。电键信号的拍发过程中还需要提供电键音反馈给操作者。同样利用定时器在每次查询的同时对P3．2脚取反，能够得到500 Hz的方波，提供给CD4011的8脚。利用经过U6A一次取反后的电键信号(3脚)作为输出使能，控制与非门U6C的开启和关闭，保证只有在按下电键开关时才输出电键音。电键音通过LM386芯片放大后，由耳机或喇叭输出。
    收报训练时，电键是一直抬起的，而KEY_CTL信号受MSP430的控制。当MSP430解析出点划或间隔信号时，使KEY_CTL相应的拉低或拉高，从而使KEY_SND电键音同步输出或断开。

3 码识别算法的设计
3．1 算法难点分析
    莫尔斯码中，点码时长td、划码时长th之比一般为1：3，码间隔tm、字间隔tz、词间隔tc之比通常为1：3：5。人工拍发的摩尔斯码信号，由于报务人员熟练程度和使用习惯的不同，码速和各信号实际时长都相差很大，比例也不可能非常标准，在拍发过程中还会不断变化，因此，算法对信号时长阈值的选取要因人而异，在运行中自动调整适应。以往的算法要么采取固定时长阈值的方法，牺牲了适应性，如绝对比较法；要么采取固定修正因子的方法牺牲了初期的识别率，如冈瑟算法，难以取得识别速度、识别准确度和适应性之间的平衡。
3．2 判定阈值基准值的选取
    电键刚开始拍发时程序不知晓报务人员的情况，因此必须选取合适的判定阈值基准值，以保证此时识别的准确性。按照一般的拍发速度和规定，选择点码时长基准值td=50 ms，划码时长基准值th=3td=150 ms，点划码的判定阈值Tdh=(td+th)／2=2td=100 ms，码间隔时长基准值tm=50 ms，字间隔时长基准值tz=3tm=150 ms，码、字间隔的判定阈值Tmz=(tm+tz)／2=2tm=100 ms。
3．3 码识别方法
    莫尔斯码中的字符由一系列点、划信号的组合惟一表示。算法中采用改进的查表法来进行莫尔斯码的译码。设计一个定长表，将莫尔斯码放入表项值中。由于莫尔斯码中长码、短码的长度不一，为了方便比较为每项预留16 b，用10表示点码，用11表示划码，剩余用OO补齐，如图4所示。[page]

    算法采取等距离判定法区分点码与划码、码间隔与字间隔，即取点、划码时长的平均值作为它们之间的判定阈值，取码、字间隔时长的平均值作为其判定阈值。识别的完整流程如图5所示。

    采样电平翻转时，记录上一个状态的持续时间t。对于码信号，当t>Tdh时，表示解出划码，在码值中存入11，反之则存入10；对于间隔信号，当t>Tmz时，代表解出字间隔，将码值用00补足16 b后进行顺序法查表，查出的位置值经过换算就能得到对应的莫尔斯码符号。
3．4 判定阈值的修正方法
    为了实时跟踪报务人员的击键状态，算法需要根据最新的输入码时长不断对判定阈值做出修正，采用加权平均的方法可以实现判定阈值的平滑变化。最近一次判定为点码的修正流程如图6所示。其他时长的修正方法与此类似。

    (1)判断最近一次点码时长是否符合筛选要求。因为码文中总有一些出错的或时长相差较大的，如果将这些时长也用来修正阈值会对其准确性产生较大的影响。t′d表示最近一次的点码时长，t′d表示上一次的点码时长，a为筛选因子。a取的越大则阈值起伏越大，此处取为O．5。满足筛选要求的数据进入步骤(2)，否则放弃本次修正。
    (2)对点码时长求加权平均。t′d表示修正后的点码时长，β为修正因子。β越接近于1，对阈值的平滑作用越强，但跟踪能力越差。开始阶段为了迅速适应报务人员的习惯，取β为0．5，随着拍发的进行，为了保证阈值的平稳变化，将β卢逐步减小到0．2。 
    (3)根据最近一次点码时长更新点划码判定阈值。其中t′d表示上次的划码时长。
    (4)对点划判定阈值做平滑修正。T"db表示点划码判定阈值的最新值，t′dh表示上一次的点划码判定阈值。

4 结 语
    采用上述设计的莫尔斯报装置可在不接驳电脑的情况下使用，识别结果直接在LED上滚动显示，也可连接电脑，在上位机软件中进行成绩评定，使用方便灵活。经过改进的算法识别速度快，错码率低，在算法跟踪速度和识别准确度间取得了良好的平衡。该装置经报务人员大规模使用，60～140码／分条件下误识别率小于10-5，效果良好。