一種簡易紅外通信裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李一鳴，榮 軍，王岳斌，嚴(yán)權(quán)峰，彭 錦

（1.湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南岳陽 414006；2.湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽 414006）

紅外通信具有控制簡單、實(shí)施方便、傳輸可靠性高的特點(diǎn)，是一種較為常用的通信方式，它的應(yīng)用場合非常廣泛，比如應(yīng)用于紅外熱像、紅外攝像、紅外光譜儀和紅外傳感器等方面［1-2］。在紅外通信系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)上，文獻(xiàn)［3］利用分立元件組成紅外光通信系統(tǒng)，該方案雖然結(jié)構(gòu)簡單、易于制作和成本低，而且音頻信號可以直接通過紅外發(fā)光管進(jìn)行原碼傳輸，不會因?yàn)檠訒r(shí)而導(dǎo)致音頻信號失真，缺點(diǎn)是該方案不能同時(shí)傳輸溫度等多路信號，且易受干擾。文獻(xiàn)［4］采用雙路紅外光通信，該方案在發(fā)射接和收端分別設(shè)計(jì)用于數(shù)字信號和模擬信號發(fā)射的電路，有兩個(gè)不同紅外發(fā)射管發(fā)射出頻率不同的兩種紅外光信號，這種方式巧妙地利用了通過光信號的疊加實(shí)現(xiàn)模數(shù)信號的疊加，避免了電路信號疊加所帶來的信號干擾問題，實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字信號的實(shí)時(shí)傳輸；缺點(diǎn)是該方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。紅外通信系統(tǒng)中在調(diào)制方式選擇上，文獻(xiàn)［5］采用FM調(diào)制方式，該調(diào)制方式具有較高的抗噪聲能力，但一般需要鎖相環(huán)調(diào)制。考慮到紅外發(fā)射載波一般不高于38 kHz，如果使用FM調(diào)制，其頻偏將會很小，難以解調(diào)。文獻(xiàn)［6］采用PPM調(diào)制方式，該調(diào)制方式具有更高光功率利用率和頻帶利用率。但紅外發(fā)光二級管不能在100%時(shí)間段內(nèi)全功率工作，經(jīng)測試實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有紅外管的最高發(fā)送頻率為35 kHz，若采用脈沖調(diào)制發(fā)送語音，速率較難保證。針對以上情況本文提出采用PWM調(diào)制技術(shù)利用紅外光通信技術(shù)設(shè)計(jì)一種簡易數(shù)字控制的紅外通信裝置，它具有成本低，抗干擾性強(qiáng)，性能穩(wěn)定和容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

1 紅外通信裝置的系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)是一套簡易數(shù)字控制的紅外光通信裝置，主要由發(fā)射裝置、中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)和接收裝置3部分組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理方框圖如圖1所示。紅外通信裝置以紅外光為載體，采用PWM調(diào)制技術(shù)、曼徹斯特編碼方式，實(shí)現(xiàn)了語音和溫度信號的實(shí)時(shí)傳輸。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，通過采用低功耗器件、有效控制發(fā)射脈沖占空比等措施，提高中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的效率，其中采用PWM調(diào)制技術(shù)利用紅外光通信技術(shù)的原理實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示，在圖2所示的設(shè)計(jì)中，從最優(yōu)信號傳輸角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了紅外通信電路，使傳輸?shù)男盘栐诟鱾€(gè)電路中實(shí)時(shí)同步傳輸，且抗干擾性強(qiáng)。整個(gè)系統(tǒng)采用低功耗、低成本單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，靈活度高、性能穩(wěn)定，更大程度上突現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)的理念。

圖1 紅外光通信裝置總體方框圖

圖2 PWM調(diào)制方式紅外光通信原理框圖

2 紅外通信裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

紅外通信裝置的硬件電路主要由供電電路、控制電路、發(fā)射裝置電路、中繼站電路以及接收裝置電路組成，下面詳細(xì)地介紹其電路設(shè)計(jì)過程。

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

電源供電主要由+5 V電源電路組成，原理圖如圖3所示。電源供電電路采用LM317可調(diào)電源穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)，其1、2腳之間為1.25 V的電壓基準(zhǔn)，供電電路輸出電壓計(jì)算公式為式（1）所示［7］。

為保證供電電路的輸出性能，圖3中的R2取值應(yīng)小于240 Ω，在這里R2取為220 Ω，從式（1）可以看出通過改變R3阻值即可調(diào)整輸出電壓值，圖3中的兩個(gè)二極管D1和D3是用來設(shè)計(jì)保護(hù)LM317。

圖3 電源供電電路原理圖

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制部分采用STM32L151設(shè)計(jì)，其硬件電路主要包含外圍時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源、JTAG接口和通用IO口等電路設(shè)計(jì)，其原理圖如圖4所示［8］。

圖4 控制電路原理圖

2.3 發(fā)射裝置電路設(shè)計(jì)

發(fā)射裝置電路包括語音信號處理電路、紅外光發(fā)射電路以及溫度檢測電路。在對語音信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，需要對其進(jìn)行調(diào)理以滿足ADC的輸入范圍，并進(jìn)行濾波使其信號凈化，消除干擾。由于此設(shè)計(jì)了一個(gè)三階巴特沃斯有源濾波器進(jìn)行抗混疊濾波，再利用運(yùn)算放大器對信號進(jìn)行可調(diào)放大和電平提升，為后面的A/D轉(zhuǎn)換做了充分的準(zhǔn)備，信號處理電路原理圖如圖5所示［9］。

圖5 信號處理電路原理圖

紅外光發(fā)射電路如圖6所示，由紅外光發(fā)射管、三極管、可調(diào)電阻和電容組成。該電路是由NPN型三極管8 050構(gòu)成的基本共射放大電路。其中負(fù)載電阻R16將變化的集電極電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。如何計(jì)算集電極負(fù)載電阻R16的最小阻值是設(shè)計(jì)紅外光發(fā)射電路的關(guān)鍵，假設(shè)三極管工作在飽和的時(shí)候，負(fù)載電阻R16應(yīng)限制其電流不超過三極管的集電極最大電流，其計(jì)算公式如式（2）所示。

查閱三極管8050的資料知道，集電極的工作電流在5 mA～1 500 mA之間。其中Vcc為電源供電+5 V，Usat為三極管的飽和電壓，即0.5 V。對于Icmax不能取得太小也不能取的過大，原因在于如果其取值太小，就沒有充分利用三極管的電流放大倍數(shù)，如果取得過大，三極管也容易燒壞，所以Icmax取適中值取為0.1 A。經(jīng)式（2）計(jì)算可得Rmin為45 Ω，為了便于調(diào)試將R16設(shè)計(jì)為200 Ω的可調(diào)電阻。

2.4 中繼站電路設(shè)計(jì)

中轉(zhuǎn)站電路由紅外接收和紅外發(fā)送驅(qū)動電路組成。紅外接收管接收到發(fā)射裝置發(fā)射過來的信號經(jīng)過處理后，接入單片機(jī)，單片機(jī)對該數(shù)據(jù)進(jìn)行周期判別，以排除錯(cuò)誤信號，再由I/O口輸出PWM波，再通過紅外發(fā)射管發(fā)送出去，中繼站電路原理圖如圖7所示［10］。

圖6 紅外發(fā)射電路原理圖

圖7 中轉(zhuǎn)站電路原理圖

2.5 接收裝置電路設(shè)計(jì)

接收裝置電路包括紅外光接收電路、語音濾波電路、音頻功率放大電路以及顯示電路。由于接收到的紅外信號非常微弱需要對信號進(jìn)行放大處理，為了能夠準(zhǔn)確檢測信號的脈寬，所以設(shè)計(jì)了遲滯比較器對信號進(jìn)行整形，紅外接收電路由放大電路和比較電路組成如圖8所示［11］。

圖8中的R11用于調(diào)節(jié)比較器的門檻電壓，通過運(yùn)放OP37將信號放大，放大倍數(shù)由R10和R7的比值決定，因此放大倍數(shù)為：

語音濾波電路如圖9所示，音頻信號由DA輸出通過有源帶通濾波器，此帶通濾波器由三階有源低通巴特沃斯濾波器和三階有源高通巴特沃斯濾波器組成，濾波電路原理圖如圖9所示。

音頻功率放大電路原圖如圖10所示。在圖10中音頻功放電路采用集成功率放大器LM386，它是是一個(gè)單電源供電音頻功放，內(nèi)部引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個(gè)電路具有穩(wěn)定的電壓增益，電壓放大倍數(shù)由R12決定。其中調(diào)節(jié)電阻R22為音量控制器，調(diào)節(jié)它可以控制音量的大小；C29為隔直電容，防止后級的LM386直流電位對前級音調(diào)電路的影響；電阻R23和電容C31的作用是防止放大器產(chǎn)生低頻自激。C19的作用可以決定功放電路下限頻率，因?yàn)檩敵鲂盘柋容^強(qiáng)，為了確保下限頻率比較低，C19一般選擇比較大的電解電容［12］。

圖8 紅外接收電路原理圖

圖9 語音濾波器原理圖

圖10 音頻功放電路原理圖

3 紅外通信裝置軟件程序設(shè)計(jì)

紅外通信裝置軟件的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵，軟件程序編寫采用模塊化設(shè)計(jì)［13-14］，可以簡化設(shè)計(jì)步驟和便于調(diào)試，主要包括發(fā)射裝置程序設(shè)計(jì)、中轉(zhuǎn)裝置程序設(shè)計(jì)以及接收裝置程序設(shè)計(jì)。

3.1 軟件設(shè)計(jì)理論分析

語音信號程序的設(shè)計(jì)利用STM32F051C4將語音信號轉(zhuǎn)化為PWM的占空比，不同的占空比對應(yīng)不同的電壓值。紅外接收管接收到有用信號，經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后成矩形波，再由STM32F051C4將占空比轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，通過DA輸出。DA輸出值計(jì)算公式為式（4）所示。

DA輸出值=占空比×DA滿量程×放大系數(shù)（4）

溫度信號程序的設(shè)計(jì)是采用曼徹斯特編碼進(jìn)行傳輸，以寬高電平作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗嘉唬源_定數(shù)字信號的最高位。同時(shí)以與語音信號同頻的矩形波作為休止符，防止頻率變化的過程中，接收電路不能及時(shí)響應(yīng)，從而導(dǎo)致語音信號的占空比發(fā)生變化，影響語音輸出。通過記錄同頻矩形波的個(gè)數(shù)，以判斷休止符的結(jié)束與語音信號的開始，采用奇偶校正的方式對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。語音信號與溫度信號的實(shí)時(shí)傳輸采用脈寬調(diào)制方式，將模擬語音信號調(diào)制為PWM信號，利用時(shí)分復(fù)用的方法，將PWM語音與數(shù)字溫度信號結(jié)合，分時(shí)傳輸。

3.2 發(fā)射裝置程序設(shè)計(jì)

發(fā)射裝置程序流程圖如圖11所示，在圖11中，發(fā)射裝置通過ADC的DMA模式自動采集數(shù)據(jù)。在主函數(shù)中，先檢測溫度允許傳輸標(biāo)志位，當(dāng)允許操作時(shí)，將測量到的溫度值，生成曼徹斯特電平碼表。設(shè)置一個(gè)比較模式的定時(shí)器，通過更改比較值，可以方便地控制輸出PWM的占空比。在定時(shí)器中斷函數(shù)中，分時(shí)發(fā)送溫度與模擬數(shù)據(jù)。

圖11 發(fā)射裝置流程圖

3.3 中轉(zhuǎn)裝置程序設(shè)計(jì)

中轉(zhuǎn)裝置程序流程圖如圖12所示。在圖12中的主函數(shù)流程圖中，將中繼主控配置為低功耗模式，開啟中斷喚醒，然后進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)進(jìn)入中斷后，MCU自動喚醒，通過判斷信號周期，是否為正常范圍內(nèi)輸入，控制指示燈與電平輸出。

圖12 中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)裝置流程圖

3.4 接收裝置程序設(shè)計(jì)

接收裝置程序流程圖如圖13所示。在圖13中，其主函數(shù)中，判斷溫度值是否更新，若更新則顯示溫度。進(jìn)入中斷后，捕獲脈寬并記錄電平，根據(jù)周期不同，判斷出起始位，開始解碼，并更新溫度顯示。反之，解調(diào)為模擬量，并以發(fā)射裝置AD的采樣率進(jìn)行DA的DMA自動轉(zhuǎn)換模式。

圖13 接收裝置流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 設(shè)計(jì)要求

（1）紅外光通信裝置利用紅外發(fā)光管和紅外光接收模塊作為收發(fā)器件，用來定向傳輸語音信號，節(jié)點(diǎn)間通信距離可達(dá)2 m；（2）發(fā)送800 Hz單音信號時(shí)，在8 Ω負(fù)載上有效值小于0.4 V，且接收的聲音應(yīng)無明顯失真，同時(shí)在輸入信號為0時(shí)，最終輸出端噪聲有效值小于100 mV；（3）傳輸?shù)恼Z音信號可采用話筒或Φ3.5 mm的音頻插孔線路輸入，也可由低頻信號源輸入，頻率范圍為300 Hz～3 400 Hz；（4）增加一路數(shù)字信道，實(shí)時(shí)傳輸發(fā)射端環(huán)境溫度，并能在接收端顯示；數(shù)字信號傳輸時(shí)延不超過10 s，溫度測量誤差不超過2℃，語音信號和數(shù)字信號能同時(shí)傳輸；（5）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)紅外光通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，以改變通信方向90°，延長通信距離2 m，同時(shí)盡量提高中繼節(jié)點(diǎn)的效率。（6）將發(fā)射裝置與接收裝置擺放成以中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)的直角，并且各自到中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的距離調(diào)節(jié)為大于等于2 m，測試通信質(zhì)量。再按照圖14所示電路測試中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置的節(jié)點(diǎn)電流。

圖14 中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)供電電流測試示意圖

4.2 測量結(jié)果及分析

第1部分：語音通信測試結(jié)果如下：

（1）當(dāng)發(fā)射裝置與接收裝置相距2 m時(shí)，可以很好地進(jìn)行紅外光通信。

（2）本項(xiàng)目的裝置包含Φ3.5 mm新品插孔線插口，可以通過插孔進(jìn)行信號輸入；測試頻率范圍為300 Hz～3 400 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）參數(shù)設(shè)計(jì)要求：

表1 不同外界光強(qiáng)對系統(tǒng)通信效果影響比較

①負(fù)載輸出端電壓有效值不小于0.4 V；

②噪聲電壓有效值不大于0.1 V。

結(jié)果分析：從表1可以看出，由于外界光線中存在紅外線，所以不同外界光照情況會對本系統(tǒng)通信產(chǎn)生一定影響，但是本系統(tǒng)的紅外通信裝置的性能指標(biāo)均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且優(yōu)于裝置設(shè)計(jì)最低要求。

第2部分：溫度信號傳輸測試結(jié)果如下：

（1）通過與酒精溫度計(jì)的溫度測試值比較得出溫度誤差值；通過秒表估計(jì)溫度變化測試數(shù)字信號傳輸時(shí)延。

（2）參數(shù)設(shè)計(jì)要求：

①信號傳輸時(shí)延≤10 s；

②速度誤差≤2℃。

表2 溫度誤差及傳輸時(shí)延測試表

結(jié)果分析：由表2可以看出，本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高的工作性能。并且在測試信息傳輸時(shí)延時(shí)，用手指按住溫度傳感器的時(shí)候，接收端的溫度顯示馬上變化，說明該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較好。

第3部分：中繼站傳輸效果測試

表3 中繼站傳輸效果測試

結(jié)果分析：由于紅外通信系統(tǒng)的有效作用距離取決于發(fā)射二極管輻射的峰值功率，峰值功率取決于二極管導(dǎo)通時(shí)的瞬間電流，同樣瞬時(shí)電流的大小又取決于二極管的導(dǎo)通時(shí)間占整個(gè)載波周期的百分比，即占空比越大，通信距離越遠(yuǎn)，也就意味著功耗越高。在實(shí)際測試過程中，在保證傳輸距離及數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的條件下，占空比在20%～70%時(shí)既可以滿足傳輸距離，又能使系統(tǒng)功耗最小。表3測試結(jié)果表明：在中繼轉(zhuǎn)換過程中，中繼電路并不需要消耗很大的功率就能將信號轉(zhuǎn)向傳輸。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易紅外通信裝置，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程為：系統(tǒng)的方案論證、核心器件的選型、系統(tǒng)的模塊化硬件和軟件程序設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的綜合調(diào)試。本裝置主要是對紅外通信進(jìn)行初步研究，輸入頻率范圍在300 Hz～3 400 Hz。當(dāng)輸入語音信號改為800 Hz單音信號時(shí)，在8 Ω負(fù)載上，接收裝置的輸出電壓有效值可高達(dá)0.9 V。音頻輸入端口接地時(shí)，測試接收裝置噪聲有效值小于40 mV，且接收裝置裝有接收信號指示燈。通過多次各種環(huán)境下測試，設(shè)計(jì)的紅外光通信裝置可以在復(fù)雜環(huán)境中工作，并且具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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李一鳴（1979-），女，漢族，湖南岳陽人，碩士，講師，湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，410006，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用和電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作，93210179@qq.com；

榮 軍（1978-），男，漢族，湖南岳陽人，碩士，講師，主要從事開關(guān)電源以及學(xué)生考賽指導(dǎo)工作，rj1219@163.com。