USLink 水下通訊模組（上）：項目發想與電路設計

為什麼要做一個水下通訊設備

水下無線通訊第一個反直覺的地方是：電磁波在水裡幾乎不能用。海水對 RF 的衰減極大，低頻雖然能傳得遠一點，但代價是天線尺寸與發射功率都要放大到不合理的程度。所以把手機丟進水裡，它不是「訊號變弱」，而是直接失去意義。

能在水裡傳遞的唯一實用載體是聲波。這也是為什麼聲納存在了一百年，而水下數據機至今仍是活躍的研究題目。

決定做這個題目之後，很快就發現一件事：水下聲通道不是「比較吵的無線通道」，而是一條性質完全不同的通道。下面這張表列出的四道關卡，決定了後面所有的設計決定。

其中最容易被低估的是傳播速度。聲音在水裡約 1500 m/s，只比客機慢一點，但這是空氣的 4.5 倍 —— 意味著任何相對運動都會產生明顯的都卜勒偏移，而且多徑回波的到達時間差也跟著放大。這條通道對「低速而穩定」的傳輸方式特別友善，對「快而花俏」的方式特別殘忍。

三個關鍵取捨

1. 為什麼是 40 kHz

頻率選低一點，水中吸收損失就小一點，這是課本上的第一句話。但專案不是照課本做的 —— 真正決定的是「手上能不能買到便宜又穩定的換能器」。

40 kHz 剛好是車用倒車雷達與測距模組大量使用的規格，所以換能器又便宜又到處都有；而 40 kHz 的方波用一顆 NE555 就能穩定產生。這兩件事的權重，在這個專案裡遠高於「理論上最低衰減」。如果目標改成拉長距離，那就該降到 25 kHz 以下 —— 但那是另一個取捨了。

2. 為什麼用 8051

選 STC8H8K64U 有三個理由，其中第三個才是真正的動機。

第一，便宜而且好焊：SOP16 封裝、DIP 版本也有，不需要特殊製程或昂貴的開發板。第二，它是 1T 架構（一個時脈週期執行一條指令），在 11.0592 MHz 下處理本專案所需的即時時序已經綽綽有餘。

第三，也是最關鍵的：這個專案刻意不用任何現成的無線模組，而是從調變層自己做起。如果用一顆現成的藍牙或 LoRa 模組，「水下通訊」就只剩下接線與 API 呼叫；而自己從 OOK 調變、同步、除錯一路走完，才會真的碰到「通訊原理」這四個字的意思。

3. 目標規格

把範圍收斂成一句話：公尺級短距離的文字訊息交換。不是影像、不是高速資料流，而是「A 裝置打一行字，B 裝置收得到」這種最基本的通訊需求。後面的所有設計，都是為了讓這件事在一個會咬人的通道上穩定發生。

系統架構總覽

整個系統可以拆成三塊：發射鏈路、接收鏈路，以及夾在中間的自適應閾值控制。

這裡有個貫穿全案的設計哲學：把所有難的、快的、類比的事情都交給硬體，讓 MCU 只讀一個數位腳。接收端從放大、整流、包絡檢波到比較，全部是類比電路；MCU 拿到的已經是一個乾淨的「有載波／沒載波」。發射端更乾脆 —— 40 kHz 由 NE555 產生，MCU 只負責切換開關。

另一個必須先講的限制是半雙工：發射時自己的訊號會讓接收鏈路飽和，所以發射期間必須暫停接收。這不是偷懶，而是這組換能器與前端架構下的物理現實。

發射鏈路：把 40 kHz 交給硬體

發射端的電路簡單到有點不好意思：MCU 一支腳接到 NE555 的 RST，NE555 產生 40 kHz 方波去推換能器。

就這樣？對，OOK 調變就是這麼回事 —— 用「有沒有載波」來表示 1 與 0。要送 bit 1 就把 NE555 放開讓它振盪，要送 bit 0 就把它停住。調變這件事被簡化成了「切開關」，而這正是它聰明的地方：

• 高頻完全由硬體產生，MCU 不需要用軟體去 toggle 出 40 kHz（在 11 MHz 的 8051 上這根本不可能）
• 不佔 CPU：切完腳就可以去做別的事
• 沒有軟體抖動：方波頻率只取決於 RC 與晶片，不受中斷延遲影響

對應的程式碼只有幾行，先看接腳定義：

/* ==================== 接腳定義 ==================== */
#define PIN_US_RX     P10    /* 超聲波接收: 比較器輸出 (輸入) */
#define PIN_US_TX     P11    /* 超聲波發射: NE555 RST (輸出) */
#define PIN_RS485_DE  P32    /* MAX3485 方向控制 (輸出) */
#define PIN_MCP_CS    P33    /* MCP41010 CS# (輸出, 低有效) */
#define PIN_MCP_SI    P34    /* MCP41010 SI (輸出) */
#define PIN_MCP_SCK   P35    /* MCP41010 SCK (輸出) */

換句話說，MCU 在發射端的角色是「節拍器」而不是「訊號產生器」。這個分工讓後面所有的事情都變簡單 —— 包括接收端。

接收鏈路：把類比留給類比

接收端是整個硬體設計裡最費心的地方。訊號從換能器進來之後，要經過四道處理才會變成 MCU 看得懂的東西。

逐段說明：

• LM386 放大：換能器收到的訊號只有毫伏等級，用 LM386 的 GAIN 腳接 10 µF 電容把它拉到約 200 倍
• 整流與包絡檢波：1N5819WS 整流之後，用 10 nF／22 kΩ 做包絡檢波，時間常數約 0.22 ms。這一步把 40 kHz 的載波「抹平」成它的振幅包絡
• LM393 比較器：把包絡與參考電壓比較，輸出乾淨的數位訊號
• P1.0：MCU 讀這個腳，1 代表有載波、0 代表沒有。開集極輸出需要外部 4.7 kΩ 上拉到 5 V

包絡檢波是這裡的關鍵。它把「一個 40 kHz 的類比訊號」轉換成「一個振幅大小的問題」，而振幅只要跟門檻比一次就變成 0 與 1。時間常數 0.22 ms 遠小於 16 ms 的位元寬，所以位元邊界不會被糊掉。

整個接收鏈路的設定，在程式的檔頭註解裡寫得很清楚：

 * 接收鏈路 (訊號流):
 *   超聲波換能器 -> LM386 放大 -> 1N5819WS 整流 -> 10nF/22K 包絡檢波
 *   -> LM393 比較器 (1IN+ = 包絡, 1IN- = MCP41010 PW0 閾值)
 *   -> 1OUT -> P1.0 (1 = 有超過閾值的載波, 0 = 無)
 *
 * MCP41010 的角色: 提供比較器參考電壓 (偵測門限 threshold)。
 *   wiper 越大 -> PW0 電壓越高 -> 閾值越高 -> 越不容易觸發 (抗雜訊)。
 *   自動調整 = 自適應閾值控制 (adaptive threshold control), 效果等同 AGC。

自適應閾值：用數位電位器對抗不穩定的振幅

前面的比較器需要一個參考電壓 —— 也就是「多大聲才算是有載波」。這個門檻是所有設計裡最麻煩的一個數字，因為它同時要滿足兩個相反的需求：

• 門檻太高：雜訊不會誤觸發，但微弱的訊號會整段漏掉
• 門檻太低：訊號都收得到，但環境雜訊會讓接收端瘋狂誤判

更麻煩的是，這個「最佳門檻」會變。空氣與水的聲阻抗匹配天差地遠 —— 在水中匹配良好、在空氣中嚴重失配，同一套硬體換了介質，收到的訊號強度可能差一個數量級。加上水溫、距離、氣泡都會影響振幅，一個固定的門檻根本不可能通用。

解法是用一顆數位電位器 MCP41010 來當可程式化的參考電壓源。它的 PW0 輸出電壓是 VCC × wiper／256，接到 LM393 的負輸入端。wiper 越大、門檻越高、越不容易觸發。也就是說，只要改變一個數值，就能改變整條接收鏈路的靈敏度。

開機時系統會自己找出這個數值：

校準的邏輯是「掃描 → 找到雜訊臨界 → 往下退一段餘量 → 寫進 EEPROM」。這段程式只有幾行，但其中的一個符號決定了專案能不能動：

/* ==================== MCP41010 (自適應閾值) ==================== */
#define MCP_WIPER_INIT   128     /* 開機初始值 (0~255) */
#define MCP_WIPER_MIN    8       /* 校準掃描下限 */
#define MCP_WIPER_MAX    248     /* 校準掃描上限 */
/* 校準鎖定 = 臨界 - MARGIN (往下退 = 更靈敏, 訊號餘量)。
 * 為什麼是減不是加: 超聲波信封檢波對「短 burst」(14ms 1-bit) 的峰值
 * 比長 preamble 低, 閾值太接近峰值時短位元會整個偵測不到 (LEN=0x00)。
 * 往下退 16 格讓短 burst 也有充足餘量; 雜訊誤觸發由 preamble
 * 44 連續載波視窗門檻擋掉 (隨機雜訊湊不滿 44 個連續視窗)。 */
#define MCP_WIPER_MARGIN 16      /* 校準後往下退的訊號餘量 */

而設定 wiper 的動作是靠軟體模擬的 SPI 完成的（這顆晶片用 bit-bang 比硬體 SPI 更單純）：

static void mcp_spi_byte(uint8_t v)
{
    uint8_t i;
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        PIN_MCP_SCK = 0;
        PIN_MCP_SI  = (v & 0x80) ? 1 : 0;   /* SI 先就緒 */
        v <<= 1;
        PIN_MCP_SCK = 1;                    /* 上升緣: MCP41010 取樣 */
    }
    PIN_MCP_SCK = 0;
}

void mcp41010_set_wiper(uint8_t v)
{
    PIN_MCP_CS = 0;                 /* 片選 (低有效) */
    mcp_spi_byte(0x11);             /* 指令: 寫入 wiper (volatile) */
    mcp_spi_byte(v);                /* 資料: wiper 值 */
    PIN_MCP_CS = 1;                 /* 完成一次寫入 */
    g_wiper = v;
}

/* 寫入 wiper 並存入內部 EEPROM (指令 0x30) — 斷電後自動恢復此值。
 * 校準/手動設定用, 下次開機不需重新校準。 */

這裡有個實測打臉理論的教訓值得單獨講。最早的版本是「臨界 ＋ 16」—— 找到雜訊不會觸發的門檻後，往上再加一點餘量當作安全邊際，聽起來很合理。結果是：短訊息可以收，但長訊息完全收不到，LEN 永遠被解成 0x00。

追下去才發現，包絡檢波對「短 burst」（單一 1-bit 的載波，約 16 ms）所產生的峰值，低於長 preamble 的峰值。門檻一旦鎖得太高，短位元就會整個被吃掉 —— 而長訊息裡充滿了各種長短不一的位元組合。改成「臨界 － 16」（往下退，保留訊號餘量）之後，所有訊息都通了；至於雜訊誤觸發，改由後面的同步機制去擋。

這是典型「理論推導正確、實測打臉」的案例，也是這個專案裡第一個真正學到東西的地方。

接腳分配與資源盤點

晶片內部的資源分配也值得記一筆，因為它後來變成了一個架構警訊：

• Timer 0：250 µs 週期中斷，同時跑接收取樣狀態機與發送狀態機
• Timer 1：拿來做 delay_ms() 的軟體延時
• Timer 2：UART1 的鮑率產生器（115200 @ 11.0592 MHz，重載值剛好整除）
• IRAM：幾乎全滿，最大連續空閒只剩 3 bytes；XRAM 只用了 319／8192 bytes
• Flash：約 11.3 KB／64 KB

IRAM 只剩 3 bytes 這件事，在下一篇會變成真正的問題 —— 因為後面加的每一個功能，都得先想辦法把某個變數搬到 XRAM 去。這不是「最佳化」，而是「還能不能繼續加功能」的差別。

小結：硬體做完了，然後呢

到這裡，硬體的部分已經成形：發射端用一顆 NE555 產生載波，接收端用類比鏈路把聲音變成 0 與 1，中間再用一顆數位電位器讓門檻可以自我調整。MCU 只負責切腳與讀腳。

但真正的難題才要開始。這條鏈路每 16 ms 只能傳一個 bit，而「我收到的是 0x00 還是 0xE6」完全取決於軟體怎麼判斷位元邊界。下一篇會講軟體：框架怎麼設計、為什麼最後放棄了滑動視窗、以及三個「直覺做法反而是錯的」的教訓。

（下集：USLink 水下通訊模組（中）— OOK 軟體設計與除錯歷程）