原標(biāo)題：USB自動(dòng)莫爾斯鍵控器設(shè)計(jì)方案

基于PIC16F886 MCU實(shí)現(xiàn)USB自動(dòng)莫爾斯鍵控器設(shè)計(jì)方案

1. 引言

莫爾斯電碼在無線電通信中被廣泛應(yīng)用，特別是在業(yè)余無線電領(lǐng)域中仍具有重要地位。隨著USB技術(shù)的普及，設(shè)計(jì)一款支持USB接口的自動(dòng)莫爾斯鍵控器，可以顯著提高通信效率，同時(shí)簡化硬件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)基于Microchip公司的PIC16F886微控制器，結(jié)合USB接口和鍵控電路，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。

2. 主控芯片選擇及其作用

主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)讀取用戶輸入、生成莫爾斯電碼信號(hào)并控制輸出。本設(shè)計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)，基于RISC架構(gòu)，具有以下特性：

• 程序存儲(chǔ)器：14 KB Flash存儲(chǔ)，可滿足自動(dòng)莫爾斯鍵控器的代碼需求。

• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：368字節(jié)RAM和256字節(jié)EEPROM，可用于存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和用戶配置。

• I/O端口：25個(gè)通用I/O引腳，滿足鍵控輸出、按鍵輸入和指示燈驅(qū)動(dòng)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(shí)器：內(nèi)置3個(gè)定時(shí)器，能夠準(zhǔn)確生成莫爾斯電碼信號(hào)的時(shí)間間隔。

• 工作電壓范圍：2.0V至5.5V，適應(yīng)各種供電需求。

2.2 PIC16F886在設(shè)計(jì)中的作用

1. 輸入讀取：通過GPIO引腳讀取按鍵狀態(tài)或外部輸入信號(hào)，決定輸出的莫爾斯電碼內(nèi)容。

2. USB通信：利用USART模塊與USB橋接芯片通信，實(shí)現(xiàn)與PC的USB接口連接。

3. 莫爾斯電碼生成：基于定時(shí)器中斷和軟件邏輯，生成不同長度的信號(hào)以匹配電碼規(guī)則。

4. 信號(hào)輸出：通過控制I/O引腳輸出高低電平，驅(qū)動(dòng)鍵控電路實(shí)現(xiàn)莫爾斯信號(hào)的物理輸出。

5. 用戶設(shè)置存儲(chǔ)：利用EEPROM保存用戶偏好設(shè)置，如發(fā)報(bào)速度和點(diǎn)劃比例。

3. 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(gè)模塊的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下。

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

1. 復(fù)位電路：使用10kΩ電阻和0.1μF電容構(gòu)成RC復(fù)位電路，確保系統(tǒng)上電后穩(wěn)定復(fù)位。

2. 晶振電路：采用20 MHz外部晶振，提供穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)以支持高速操作。

3.2 USB接口電路
由于PIC16F886不直接支持USB協(xié)議，本設(shè)計(jì)采用CP2102作為USB-串口橋接芯片。CP2102與PIC16F886通過UART連接，實(shí)現(xiàn)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(wěn)壓芯片為CP2102供電，確保兼容USB電壓標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 鍵控電路
鍵控電路負(fù)責(zé)將主控芯片輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合無線電發(fā)射機(jī)的鍵控信號(hào)。

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

• 集電極連接到發(fā)射機(jī)的鍵控輸入，發(fā)射信號(hào)時(shí)三極管導(dǎo)通。

• 加入一個(gè)防反向二極管以保護(hù)發(fā)射機(jī)輸入端口。

3.4 供電模塊
整個(gè)系統(tǒng)使用5V供電，可通過USB接口直接提供電源。

• 使用AMS1117穩(wěn)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(jìn)行濾波。

4. 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用C語言開發(fā)，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(hào)輸出四個(gè)模塊。

4.1 初始化模塊

• 配置時(shí)鐘頻率為20 MHz，確保芯片高效運(yùn)行。

• 初始化GPIO、USART和定時(shí)器模塊。

• 配置EEPROM，加載用戶保存的設(shè)置。

4.2 USB通信模塊
通過UART實(shí)現(xiàn)與CP2102的通信。UART配置為9600波特率，8位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，1位停止位。PC端通過串口工具發(fā)送電碼內(nèi)容，主控芯片解析后生成對(duì)應(yīng)信號(hào)。

4.3 莫爾斯電碼生成模塊
使用定時(shí)器中斷生成點(diǎn)與劃的時(shí)間間隔。

• 點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間為基礎(chǔ)單位T，劃的持續(xù)時(shí)間為3T，間隔為T。

• 通過查表法，將輸入字符轉(zhuǎn)換為電碼序列。

4.4 鍵控信號(hào)輸出模塊
根據(jù)電碼生成模塊的輸出，控制GPIO引腳高低電平，驅(qū)動(dòng)鍵控電路輸出信號(hào)。

5. 系統(tǒng)測試與優(yōu)化

5.1 測試環(huán)境

• 硬件連接PC，通過串口工具發(fā)送測試字符。

• 輸出端連接示波器，觀察生成的莫爾斯信號(hào)。

5.2 測試結(jié)果

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

• 測試不同發(fā)報(bào)速度下的信號(hào)穩(wěn)定性，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

5.3 優(yōu)化方向

• 增加自定義字符表，支持更多語言符號(hào)。

• 改善用戶界面，使用液晶屏顯示操作狀態(tài)。

6. 總結(jié)

基于PIC16F886設(shè)計(jì)的USB自動(dòng)莫爾斯鍵控器結(jié)構(gòu)簡單、功能實(shí)用。通過主控芯片生成準(zhǔn)確的電碼信號(hào)，并與PC通過USB接口通信，滿足業(yè)余無線電通信的需求。未來可以進(jìn)一步擴(kuò)展功能，例如加入藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無線控制，提升設(shè)備的便攜性和易用性。