USLink 水下通訊模組（上）：項目發想與電路設計

2026 年 9 月 30 日 164點熱度 0人點贊 0條評論

USLink 水下通訊模組（上）封面

為什麼要做一個水下通訊設備

以前跑船的時候，我常常在當值時盯著Echo Sounder看他的反射波。想著或許能從中找到大魚的蹤跡，滿足作為釣魚愛好者的心。大學的課上有學到Echo Sounder的原理是超聲波回波測深。我就在想，超聲波除了這個功能以外，能不能做些其他的事情。後來上網查到超聲波還可以看胎兒發育之類的，更有甚者，還可以通訊。

於是，一個念頭在腦中萌芽：不如來做一個超聲波通訊模組吧！

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」，而是直接失去作用。

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。

水下聲通道的四道關卡

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」的方式特別不友善。

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，這是第一點。

為什麼選 40 kHz

而 40 kHz 剛好是車用倒車雷達與測距模組大量使用的規格（例如常見的HC-SR04模組），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。

（我參考 HC-SR04 上面是這麼做的，所以不用PWM而是用NE555無穩態產生40kHz方波驅動超聲波換能器）

2. 為什麼用 8051

選 STC8H8K64U SOP16 有幾個理由。

第一，我桌上剛好有一條不知道啥時候買的還沒用過的芯片。第二，他便宜又好焊，腳位很寬，保護眼睛。第三，他的性能在八位元的單片機裡算很不錯了。

3. 目標規格

短距離的文字訊息交換。

也就是「A 裝置打一行字，B 裝置收得到」這種最基本的通訊設備。

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。

USLink 系統全貌

我把所有類比的事情都交給硬體，讓 MCU 只讀一個腳，減輕負擔。（效能都用在讓蜂鳴器播放音樂了）接收端從放大、整流、包絡檢波到比較，全部是類比電路；MCU 拿到的只是一個OOK。而發射端只負責切換開關，40 kHz 由 NE555 產生。

另一個限制是半雙工：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。

發射鏈路

發射端的電路很簡單，完全按照HC-SR04上面去設計：MCU 一支腳接到 NE555 的 RST，NE555 產生 40 kHz 方波去推換能器。

發射鏈路

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「開關開關」：

高頻由硬體產生，MCU 不需要用軟體去 toggle 出 40 kHz
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) */

接收鏈路

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。

接收鏈路

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：

自適應閾值的開機校準流程

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 的動作則是靠軟體模擬的 SPI 完成的（不用硬體SPI是因為庫函式怪怪的）：

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。 */

這裡有個實測的小插曲值得單獨講。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。

這是這個專案裡第一個讓我學到東西的小插曲。