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电设红外
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电设红外
2013年全国大学生电子设计竞赛
红外光通信装置(F题)
2013年9月7日
摘要
本文以STM32F103芯片为核心,利用TSFF6410红外发射管以及BPV22NF红外二极管的高速特性,结合语音信号采集、语音信号压缩、温度信息采集等手段实现红外无线通信系统。
本系统由三个部分组成:
语音和温度信息采集及发送模块、中继转发模块以及语音信号还原和温度显示模块。
本系统工作过程如下:
首先将语音信号迁移到0v~3v电压之间,通过STM32F103芯片进行AD采样形成语音数字信号,再将该信号进行a律压缩,然后把该语音信息以及采样得到了温度信息编码成对于的数据帧,最后通过红外发射管以115.2Kbit/s的传输速率发送出去;对于红外中继转发模块,采用BPV22NF红外光电二极管及LT1328芯片搭配生成的数字信号原样通过TSFF6410转发出去;对于语音信号还原和温度显示模块,首先将接受到的信息通过帧标记将语音信息帧及温度信息帧进行分离,对于分离而得的语音数据,先进行a律解压和DA转换,然后通过平滑滤波和音频功率放大器进行放大播放,对于分离而得的温度信息先进行校验,然后通过数码管显示电路显示出来。
本系统通过测试表明,设计方案合理且有效,各部分工作正常,效果良好。
关键字:
红外通信、红外发射、STM32单片机、温敏电阻
1系统方案
本系统主要由红外发送模块、红外接收模块、STM32控制模块、终极转发模块等组成。
1.1系统实现方案
方案一:
利用单片机控制电子开关的通断,实现模拟信号与数字信号的分时传输,同时接收端单片机以同样的方式控制电子开关并获取模拟信号或数字信号。
在较短的时间间隔内获取了数字信号和语音信号。
图1-1方案一
方案二:
将数字信号转换为模拟信号,利用红外光只传送模拟信号,在接收端用检波或滤波器将模拟与数字分离,分别获取模拟和数字信号并最终将数字信号显示出来。
具体为温度传感器产生的信号经单片机生成的语音信号经过晶体振荡变为模拟信号2,模拟信号2与模拟信号1经加法器相加,一起传给红外发送模块,信号经红外发送与红外接收,再传低通滤波器,滤去噪声,此时产生的信号分成两部分,一部分经过低通滤波器,再放大传给耳机,另一部分经过高通滤波器,再放大,传给单片机,由单片机控制数码管显示温度。
图1-2方案二
方案三:
利用数字信号传输稳定和抗干扰的优势,使用高速率的单片机采集语音信号和温度并进行AD转换或者融合温度传感器采集的数字信号进行包装后(规定简单的信号协议)经高速红外发送模块发送出去,接收端利用接受电路接受后再用单片机按照规定的协议分离语音与温度信号后分别进行DA转换,再在接受端输出语音和显示温度。
1.2方案论证与选择
方案一简单易行,但是实验室现无满足要求的电子开关,所以舍去方案一;
方案二数字信号效果比较理想,但语音信号失真较严重,电路结构复杂,晶体振荡电路无法达到设计要求且接收端无法完全分离音频信号与数字信号,所以放弃该方案;该方案电路图如下:
图1-3红外接收模块电路原理图
图1-4光发送模块原理图
方案三:
如果采用功能强大的高速率单片机能够很好的将模拟信号进行AD/DA转换,硬件电路简单可靠,采用高速红外信号发射接收器传输效果比较理想。
高速红外管的传输信道的带宽足够满足传输语音信号。
而高速单片机的处理速度能够在高波特率下满足处理要求。
综合以上三种方案,我们选择方案三。
1.3控制系统的论证与选择
方案一:
使用AT89C51单片机作为控制MCU,51单片机简单易操作,I/O少,但内部没有集成的AD/DA模块,不便于电路的设计与简化,处理速度慢,在高波特率传输情况下,极易会误码,造成语音信号的丢失。
方案二:
采用STM32作为MCU。
STM32系列是ARM公司基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的Cortex-M3内核。
时钟频率高达72MHz,从闪存执行代码,STM32功耗36mA,是32位市场上功耗最低的产品,相当于0.5mA/MHz。
内部集成12通道DMA控制器,多达11个定时器,2个12位的us级的A/D转换器(16通道),2通道12位D/A转换器,高达112个的快速I/O端口及SPI、IIC、USART等外设。
A/D支持测量范围:
0-3.6V。
以上条件均满足系统方案的要求。
综合以上两种方案,控制系统我们选择方案二。
2系统理论分析与计算
2.1模拟信号红外传输模块
根据系统传输信号不同,红外通信系统可分为模拟红外通信系统和数字红外通信系统。
由于发光二极管和半导体激光器的输出光功率(对激光器来说,是指阈值电流以上线性部分)基本上与注入电流成正比,而且电流的变化转换为光频调制也呈线性,所以可以直接调制对于半导体激光器和发光二极管来说具有简单、经济和容易实现等优点。
进行发光二极管及半导体激光器调制时采用的就是直接调制。
从调制信号的形式来看,光调制可分为模拟信号调制和数字信号调制。
模拟信号调制直接用连续的模拟信号(如话音、模拟图像信号等)对光源进行调制。
图2-1就是对发光二极管进行模拟调制的原理图。
连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上,适当地选择直流偏置电流的大小,可以减小光信号的非线性失真。
电路实现上,LED的模拟信号调制较为简单,利用其P-I的线性关系,可以直接利用电流放大电路进行调制。
一般来说,半导体激光器很少用于模拟信号的直接调制,半导体激光器模拟调制要求光源线性度很高。
而且要求提高光接收机的信噪比比较高。
与发光二极管相比,半导体激光器的V-I线性区较小,直接进行模拟调制难度加大,采用图2-2调制电路,会产生非线性失真。
2.2数字信号红外传输模块
数字信号的光源驱动电路与模拟驱动电路原理有一定区别。
半导体激光器是利用其在有源区中受激发射的器件,只有在工作电流超过阈值电流的情况下,才会输出激光(相干光),因而是有阈值的器件。
图2-3为LD的P-I特性曲线及调制波形,图中的Ith为LD的阈值电流。
由图可见调制LD光源器件发光必须是直流偏置电流Ib和信号电流(即调制电流Im)的共同作用。
在电路驱动上,数字驱动电路采用射极耦合驱动电路。
所有数字信号先经过电平转换,进行直流偏置后直接幅度调制到激光器中。
数字信号红外传输系统组成框图如图2-4所示,对原始数字信号产生模块的信号进行各种不同方式的编码和译码,然后通过红外传输,在测试端口观测输出端的信号波形。
图2-4数字信号红外传输系统组成框图
数字信号采用CMI码编码方式。
CMI码我国数字通信标准制式所规定的两种接口码型之一,该码为信号反转码(CodeMarkInversion),是一种二电平不归零码,是PCM四次群的线路传输码型,也就是四次群数字红外通信设备与四次群PCM设备之间的接口码型。
CMI码有很多优点:
A.CMI码编译电路简单,便于设计与调试;B.CMI码的最大连“0”和连“1”都是3个;C.具有误码监测能力,当其编码规则被破坏,就表示有误码产生,便于线路传输中的误码监测;D.CMI码功率谱中的直流分量恒定,低频分量小,fr(变换前的码速率)频率处有限谱,频带较宽,便于定时提取;E.CMI码的速率是编码前信号速率的两倍。
2.3低通滤波器参数计算
设计低通滤波器的特点
通常阻带衰减越大,滤波器越难设计,而且实现的电路也越复杂。
实际中通常使用滤波器设计软件设计有源滤波器电路。
例如设计一个Butterworth低通滤波器,通带频率为3Hz,衰减30dB/十倍频程,SallenKey类型的电路,在3Hz只有0.1dB的衰减。
图2-5为指定滤波器类型显示图、图2-6为设置滤波器参数显示图、图2-7为在Circuit页面选择电路形式显示图、图2-8为在Frequency页面看到的频率特性显示图、图2-9为滤波器软件生成的低通滤波器电路图。
第1步:
启动FilterLab软件,选择Filter/Design菜单,然后在
图3所示的屏幕弹出的窗口中选择FilterSpecification页面,选择Butterworth和Lowpass。
第2步:
选择FilterParamenters页面设置图2-6窗口中滤波器参数。
通带衰减:
设置范围为0.01dB~3dB
阻带衰减:
设置范围为-10dB~-100dB
通带频率:
设置范围为0.1Hz~1000000Hz
阻带频率设置:
衰减某dB值时的频率值。
第3步:
在图2-7所示的Circuit页面选择电路形式。
在该页面可以选择SallenKey电路形式或是MPB电路形式;另外,用鼠标点击右侧电路的电容,可以决定电容值是自动生成还是人工选择。
还可以选择电路中的电阻值是采用1%误差的标准电阻,还是采用精确阻值的电阻。
设置完成后,单击确定,就可以查看频率特性、电路。
第4步:
查看频率特性。
进入图2-8所示的Frequency页面,可以观察所设计滤波器的幅频和相频特性。
第5步:
查看电路参数。
进入Circuit页面,可以看到图2-9所示的电路与电路参数。
图2-7在Circuit页面选择电路形式显示图图2-8在Frequency页面看到的频率特性显示图
图2-5指定滤波器类型显示图图2-6设置滤波器参数显示图
可以看出,FilterLab有源滤波器软件提供了完全的滤波电路原理图与元件值,可以显示出频率响应并计算出各元件的数值。
从而大大地减少了设计有源滤波器的工作。
计算得低通滤波器的参数如下:
图2-9低通滤波器参数
经过multisim仿真后
图2-10仿真图1
:
图2-11仿真图2
可知此滤波器可滤除30Khz以上的信号。
经过制板测试后达到了基本设计要求,但是中途由于方案调整,最后选用5k的滤波电路。
2.4提高转发器的效率
本设计采用红外以空气为介质传输,并不如光纤那样稳定,信号衰减较大,加之红外发射管发射红外线时是散射开的进一步使得红外接收管接受的信号减弱,鉴于这些缺陷我们采用放大镜聚光的特性将发射的红外信号聚集增强其发射信号的强度,我们采用两种不同规格的放大镜,经过实际测试2米距离内A放大镜放置在距离发射端5.5cm处,B放置在距离发射端3cm左右处,根据实际情况还可在接收端前加一放大镜进一步改善信号的传输效率。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图所示:
图3-1系统总体框图
3.1.2电位调整模块电路
模拟信号有正负电压的出现,而单片机的AD转换对象只能是0-3.3V之间的电压,所以要将语音输入信号进行电位调整,即将所有的信号搬移到0-3.3V之间,这样就符合AD转换的要求了。
该模块的核心为OP07,它是一个运放。
如图为该模块的电路图:
图3-2电平搬移电路
d
3.1.4红外发送模块设计
方案三的发射模块已经不像前两个方案所用模块那样的复杂了,可虽然是简单了许多,但是电路图中的元件参数是要经过严格计算的。
INPUT口为经过AD转换后的结果输入,AD转换后的信号是一个个高低电平,电路中使三极管工作在开关模式,这样红外发射管上发出的信号也就是高低的数字电平了。
刚开始C7选用的是50uf的电容实际用示波器观察接收端波形时不太好,经过计算后将其改为4.7uf电容,电阻R1也有原来的1k改为了现在的500欧姆,最终确定了如图3-1的红外发射原理图。
图3-4光发送模块原理图
3.1.5红外接收模块设计
由于使用了LT1328芯片所以本设计的只能接收数字信号,这也是为什么我们要采取AD/DA转换的原因之一,不过由于LT1328传输数字信号的优异性使得我们AD转换后的数据得以很好的传输给接收端,进而大大提高了我们的传输信号的品质和距离。
只要配置好它的引脚即可使用。
如图为该模块的电路图:
图3-5红外接收模块电路原理图
3.1.6中继转发电路
中继转发电路即把接受到的信号进行简单的整形和放大后直接输出。
数字信号的抗干扰能力极强,采用数字信号进行通信的优点进一步体现出来。
中继转发电路兼具接受和发送的功能,所以只需将上面介绍的发送和接受模块进行整合即可。
如图为中继转发PCB图
图3-6中继转发PCB图
3.1.7MCU处理部分(DA转换)
经接受到的信号接到stm32的串口接受端(PA3),处理后从DA输出端(PA5)输出。
3.1.8温度采集电路模块
在温度采集模块中我们分别试用了DHT11和DS18B20两种数字温度传感器以及温敏电阻,根据实际效果选择用哪一种,在电路图上我们都将它们的接口留了出来。
图3-7温度采集模块原理图
3.2程序设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现AD转换、DA转换和温度显示。
AD转换和DA转换。
采用单片机内部集成的AD和DA外设,来进行数模互转。
配置好GPIO口后,用PE口输出二进制的数字点亮LED代表温度值。
3.2.2程序流程图
1.温度传感器DHT11操作流程如图3-8所示:
图3-8温度传感器DHT11操作流程
2.AD转换部分程序流程图
3.DA转换部分程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、软件仿真测试
通过multisim、Proteus及Labview设计并仿真所需要的硬件及软件模块,例如:
滤波模块、串口发送程序以及AD、DA转换结果测试等。
2、硬件测试
制作好电路板并焊接好实物电路,通过信号源、示波器等实验测量工具实际测试制作出来的电路板的好坏,然后对各个模块功能及题目要求逐一进行测试。
3、硬件软件联调
用J-Link实现软件的单步调试。
将用于发挥部分的程序下载进入MCU进行测试。
特别是AD转换部分,用数字示波器可以观察到AD转换输出的码元,计算相关的波特率和串口输出值。
以核对和先前想的是否一致。
4.2测试条件与仪器
测试条件:
检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。
测试仪器:
交流电压表,模拟示波器,数字示波器,数字万用表,指针式万用表。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果
1、硬件测试结果及分析
图4-1红外发射测试图
图4-2红外接收信号测试图
3、题目测试
(1)基础部分第一题,2m以上距离可以完成语音传送,直接传输电脑音乐信号未发生明显失真。
(2)第二题给300--3400hz交流信号源可以达到题目要求。
(3)第三题可完成题目要求的指标。
当发射端输入语音信号为800Hz,在8欧姆电阻上有效值远大于0.4V。
不改变电路状态,减小发射端输入信号的幅度至0V,采用低频毫伏表测量此时接收装置输出端噪声电压,读数大约为35mV。
(4)当接收装置不能接收发射端发射的信号时,要用发光管指示。
(5)能实时传输发射端环境温度,并能在接收端显示。
数字信号传输时延不超过10s。
温度测量误差不超过2℃。
语音信号和数字信号能同时传输。
(6)红外光通信中继转发节点,能改变通信方向90°,可延长通信距离2m。
中继转发节点采用5V直流单电源供电。
串接的毫安表用来测量其供电直流电流。
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据,设计并实现了红外无线通信装置,本设计实现了以下功能:
1、可以将音频信号的数字信号发射,并在接收端用耳机或功放喇叭接收音频信号。
2、整个传输信道为数字信道,接收端不必滤除掉高频的杂波干扰,调试方便,状况稳定。
3、温度采集可以在两块单片机有线连接下传输并用LED显示,转到红外时接收端也可以正确显示。
4、本设计基本达到题目的要求指标。
参考文献
[1]蒋俊峰基于单片机的红外通讯设计[J].电子设计应用,2003,11.
[2]曾庆立.远距离红外通讯接口的硬件设计与使用[J].吉首大学学报(自然科学版),2001,4.
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[6]吴叶兰,廉小亲,石芹侠.电能计量芯片组AT73C500和AT73C501及其应用[J].电测与仪表,2002,7.
附录1:
AD和DA转换源程序
#include"stm32f10x.h"
#include"usart1.h"
#defineDAC_DHR12RD_Address0x40007420
DAC_InitTypeDefDAC_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure;
NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure;
uint16_tIdx=0,i=0;
floattemp;
uint8_tFlag_Uart_Send=0;
voidRCC_Configuration(void);
voidGPIO_Configuration(void);
voidDelay(__IOuint32_tnCount);
intmain(void)
{
RCC_Configuration();
USART2_Config();
GPIO_Configuration();
TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=0x19;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=0x0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0x0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM8,&TIM_TimeBaseStructure);
TIM_SelectOutputTrigger(TIM8,TIM_TRGOSource_Update);
DAC_InitStructure.DAC_Trigger=DAC_Trigger_None;//DAC_Trigger_T8_TRGO;
DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_None;
DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable;
DAC_Init(DAC_Channel_2,&DAC_InitStructure);
DAC_SetChannel2Data(DAC_Align_12b_R,0);
DAC_Cmd(DAC_Channel_2,ENABLE);
TIM_Cmd(TIM8,ENABLE);
while
(1)
{
while(USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_RXNE)==RESET)
{
}
temp=USART_ReceiveData(USART2)<<4;
temp=temp*1.241212;//4.1/3.3;
DAC_SetChannel2Data(DAC_Align_12b_R,temp);
}
}
voidRCC_Configuration(void)
{
SystemInit();
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA2,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM8,ENABLE);
}
voidGPIO_Configuration(void)
{
GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
}
voidDelay(__IOuint32_tnCount)
{
for(;nCount!
=0;nCount--);
}
#ifdefUSE_FULL_ASSERT
voidassert_failed(uint8_t*file,uint32_tline)
{
while
(1)
{
}
}
#endif
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
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