基于STM32的低功耗紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計

楊　奕，楊　川，周川云

基于STM32的低功耗紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計

楊奕1，楊川2，周川云3

（1.重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶400054；2.重慶機電職業(yè)技術(shù)學院自動化工程系，重慶402760；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

為解決目前紅外光通信成本高、距離近、傳輸方向單一、功耗偏高的問題，采用STM32為控制核心，設(shè)計一種紅外光通信系統(tǒng)。發(fā)送端通過STM32自帶的高速AD對音頻信號采樣，為保證信號不失真，采樣頻率為15kHz。通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）來實現(xiàn)音頻信號與環(huán)境溫度信號的調(diào)制，接收端STM32對光脈沖進行解調(diào)。實驗結(jié)果表明，在10m范圍內(nèi)能實時傳輸一路300～3400Hz音頻信號和一路數(shù)字信號，聲音信號傳輸正常，無失真，環(huán)境溫度傳輸最大誤差為0.3℃；實現(xiàn)信號中繼任意方向轉(zhuǎn)發(fā)，并且中繼站功耗為0.06W，達到節(jié)能目的。

紅外光通信；STM32；脈寬調(diào)制；中繼轉(zhuǎn)發(fā)；奈奎斯特定理

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.022

0　引言

紅外光通信技術(shù)是一種無線連接技術(shù)，主要用于取代點對點的線纜連接、進行近距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，也有用于近距離無線網(wǎng)絡(luò)接入［1-3］。因其抗電磁干擾能力強，國外主要將紅外光通信運用在軍事與工業(yè)中，如用于高壓開關(guān)柜熱點溫度實時檢測、礦井安全檢測。國內(nèi)目前對紅外光通信的研究落后于其他國家，仍存在許多問題需要解決，如功耗偏高、傳輸距離近、傳輸方向單一等。

本文提出一種新的紅外光通信傳輸技術(shù)，采用脈寬調(diào)制實現(xiàn)信號的傳輸，比傳統(tǒng)的編碼方式更為簡單，并且可以實現(xiàn)數(shù)字、模擬信號同時傳輸。傳輸距離遠、中繼站功耗低。

1　紅外光通信技術(shù)基本原理

紅外光通信技術(shù)是利用950 nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體。通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)［4］。

常用的調(diào)制、解調(diào)方法有通過脈沖寬度實現(xiàn)信號調(diào)制的脈寬調(diào)制（PWM）和通過脈沖串之間的時間間隔實現(xiàn)信號調(diào)制的脈時調(diào)制（PPM）兩種方法［5-6］。而由于脈時調(diào)制（PPM）傳輸時間較長，不能實現(xiàn)音頻信號實時傳輸，所以本設(shè)計方案采用的是脈寬調(diào)制的方法。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2　系統(tǒng)總體方案

由于涉及大量的數(shù)據(jù)處理，故CPU采用增強型STM32。本系統(tǒng)設(shè)計包括前級信號放大、信號采樣、信號調(diào)制、信號發(fā)送、信號中繼、信號接收、信號解調(diào)、信號濾波放大等模塊，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，輸入信號經(jīng)過放大、濾波、偏置電路后，利用發(fā)射端STM32對語音信號進行采集，并將采集的溫度數(shù)據(jù)、語音信號和數(shù)字信號同時通過紅外發(fā)射裝置發(fā)射。中繼站的接收和發(fā)送模塊是獨立的，因此可以實現(xiàn)任意方向的轉(zhuǎn)發(fā)。由紅外接收裝置接收轉(zhuǎn)發(fā)之后的信號，利用接收端STM32對接收到的信號進行采樣，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換、濾波、音頻放大后輸出信號。調(diào)制與解調(diào)均采用脈寬調(diào)制（PWM）方法。

3　紅外發(fā)射與接收裝置的設(shè)計

本設(shè)計方案的創(chuàng)新之處就是發(fā)射和接收裝置，均采用最基本的元件實現(xiàn)，即電阻、電容、三極管。尤其是接收裝置，直接采用兩級共射級單管放大電路來實現(xiàn)紅外光通信的光信號接收（接收PWM信號）為本系統(tǒng)通信裝置的核心技術(shù)之一。

3.1紅外發(fā)射裝置

如圖2所示，紅外發(fā)射裝置將調(diào)制好的載波PWM波通過由三極管8050驅(qū)動的紅外光管發(fā)射出去，供電處增加3個耐壓的4700μF大電容儲存能量。由于電源供電電流較大，在電路中增加功率負載限流，經(jīng)測試選用10Ω的功率電阻作為功率負載最佳。

圖2　發(fā)射裝置電路

3.2紅外接收裝置

接收裝置采用由三極管構(gòu)成的共射級放大電路實現(xiàn)，其電路如圖3所示。紅外光管接收到的信號通過1μF的電容耦合到第1個三極管的基極，同時加入1μF的電容也使電路有很好的抗干擾能力。直流穩(wěn)壓電源通過電阻R2給三極管發(fā)射結(jié)提供正向偏壓，并產(chǎn)生基極直流電流。同時為集電結(jié)提供反向偏壓，使三極管工作在放大狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)電位器W1，改變Q1集電極輸出電壓，從而改變Q2的基極偏置電壓，使Q2導(dǎo)通處于放大狀態(tài)，對信號進行二級放大，同時，改變W1也有修正接收的PWM波占空比的作用。

圖3　接收裝置電路

3.3中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置

中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置直接是發(fā)射裝置和接收裝置的級聯(lián)。為盡可能減小系統(tǒng)供電電流，中繼轉(zhuǎn)發(fā)電路中的發(fā)射模塊只采用2個發(fā)射管，并且只用一路1個三極管驅(qū)動，2個發(fā)射管串聯(lián)的方式，同時，在保證傳遞信號正常的情況下，增大中繼發(fā)送裝置功率負載的大小，進一步達到減小電流的目的。

4　采樣頻率與紅外光通信協(xié)議

4.1音頻信號AD采樣頻率計算

1924年奈奎斯特（Nyquist）推導(dǎo)出在理想低通信道的最高碼元傳輸速率的公式：

在進行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當采樣頻率fs.max大于信號中最高頻率fmax的2倍時（fs.max≥2fmax），采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理［7-8］。

理想低通信道的最高碼元傳輸速率B=2W Baud（其中W是理想信道的極限信息速率），在本系統(tǒng)方案中，AD采樣信號必須大于音頻最大頻率的兩倍（6.8 kHz）。綜合硬件條件，經(jīng)測試，選擇采樣頻率15 kHz時，音頻信號與溫度信號能穩(wěn)定實時傳輸。

4.2通信協(xié)議的選定

紅外光通信的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的同步傳輸以及數(shù)據(jù)的完整性，為確保正確識別、接收音頻信號和溫度信號，可以采用同步傳輸協(xié)議。

采用同步傳輸協(xié)議即發(fā)送和接收同步進行，利用STM32F103ZE單片機的PWM輸出與PWM捕獲功能可對信號進行調(diào)制解調(diào)。采用同步協(xié)議時，發(fā)送端STM32F103ZE單片機采用15 kHz ADC采樣頻率對音頻信號進行采樣，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的占空比輸出，經(jīng)過紅外發(fā)送裝置發(fā)送，此時接收端通過接收裝置捕獲到PWM中斷，實時將PWM解調(diào)成對應(yīng)的音頻信號幅值，并通過DA輸出，濾波放大電路還原音頻信號［9］。對于溫度信號，此時脈寬調(diào)制可以分時復(fù)用，每間隔100ms對溫度信號進行脈寬調(diào)制，同時暫時停止音頻信號的調(diào)制。即實現(xiàn)了數(shù)字、模擬信號同時傳輸。脈寬調(diào)制信號如圖4所示。

圖4　脈寬調(diào)制信號原理圖

PWM脈寬與音頻信號的關(guān)系為

式中V為高速ADC對音頻信號采樣值。

PWM脈寬與溫度信號的關(guān)系為

式中T為環(huán)境溫度，范圍為20～40℃。

綜上所述，載波頻率為fc=15kHz，調(diào)制比為0.7。在紅外光發(fā)送端，脈沖的占空比0～70%用于傳輸響應(yīng)幅值的音頻信號，70%～90%用于傳輸環(huán)境溫度。在紅外光接收端，STM32F103ZE單片機捕獲PWM脈寬，求解式（2）、式（3）得到音頻與溫度信號［10-11］。

5　系統(tǒng)軟件設(shè)計

發(fā)射機程序中共有發(fā)送校準模式、音頻傳輸模式兩種模式；當模式切換按鍵按下時，進入校準模式，單片機輸出占空比為50%的PWM調(diào)制波，用于發(fā)射機與接收機之間的通信校準；當切換模式按鍵未按下時，進入音頻信號發(fā)送模式，程序以15kHz的ADC采樣頻率，使用同步傳輸協(xié)議對音頻信號與溫度信號進行脈寬調(diào)制，進而單片機輸出PWM調(diào)制波。發(fā)射裝置程序流程圖如圖5所示。

圖5　發(fā)射裝置程序流程圖

在接收機程序中，定時器定時200ms檢測接收信號是否異常，異常信號包括：溫度超出常溫、載波頻率波動較大等；當信號異常時，點亮LED燈報警；另外，在PWM捕獲中斷中，根據(jù)同步傳輸協(xié)議解析信號，同時DA還原音頻信號以及顯示環(huán)境溫度。接收裝置程序流程圖如圖6所示。

圖6　接收裝置程序流程圖

6　測試內(nèi)容與測試結(jié)果

6.1測試條件與內(nèi)容

電阻負載為8Ω喇叭條件下，測試信號傳輸距離；測試中繼5V供電條件下的最小電流；測試對輸入信號為300～3400Hz的選頻效果，波形有無失真；測試傳輸聲音信號時有無失真；測試靜噪效果；測試溫度傳輸誤差，數(shù)字信號與模擬信號同步傳輸。

6.2測試結(jié)果

6.2.1傳輸距離測試

當發(fā)射端輸入語音信號為800Hz單音信號，幅值為1V的正弦波，接收裝置輸出端接8Ω電阻負載，直傳時，改變發(fā)射裝置和接收裝置距離測試接收裝置負載兩端電壓有效值；當加入中繼后，發(fā)射裝置和中繼站的距離為5m，改變中繼站和接收裝置距離測試接收裝置負載兩端電壓有效值，其有效值與傳輸距離的關(guān)系如表1所示。

表1　電壓有效值與傳輸距離關(guān)系表

由表可知，從100～500cm，信號衰減速度較慢，且有效值＞1V；距離＞500 cm時，信號衰減較快，且有效值＜1V。實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)直傳和轉(zhuǎn)發(fā)的有效傳輸距離為5m以上。輸出有效值的大小反映的是STM32 DA輸出值的大小，值越小，證明接收電路接收到的信號占空比越小，太小會造成信號丟失。

6.2.2對信號的選頻效果測試

經(jīng)測試，發(fā)送裝置輸入信號頻率范圍為300～3 400Hz時，接收裝置輸出信號無衰減，波形完美，通帶內(nèi)無起伏，上截至頻率為3500Hz，下截至頻率為250Hz，選頻效果良好。播放聲音信號時，聲音無失真。

6.2.3靜噪效果測試

直傳時，當發(fā)射裝置為0輸入時，用交流毫伏表測試接收裝置輸出電壓為15.2mV。加入中繼后，同樣的方法，測得輸出電壓為20.2mV。靜噪效果良好。

6.2.4溫度傳輸

加入中繼裝置后，加載800Hz單音信號的條件下測試溫度傳輸，數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。家用溫度計顯示室溫29.55℃時，發(fā)射裝置顯示溫度29.5℃，發(fā)射裝置采集溫度正常。測試接收裝置溫度接收時，人為改變發(fā)射裝置溫度傳感器采集到的溫度，便于測試傳輸效果。

表2　溫度傳輸數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果表明，溫度傳輸正常，最大誤差≤0.3℃，且延時＜1 s。實現(xiàn)了數(shù)字、模擬信號同時傳輸。

6.2.5中繼站電流

中繼裝置供電電壓為5V，800Hz單音信號，發(fā)射裝置和中繼裝置距離為5m，中繼裝置與接收裝置距離為5m的情況下測得中繼電流為10mA，計算可得功率為0.05W。

改800Hz單音信號為音頻信號，其他不變，測得電流為12mA。計算可得功率為0.06W。

實驗證明本系統(tǒng)實現(xiàn)了超低功耗的中繼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，達到節(jié)能目的。并且如果采用性能更佳的發(fā)送、接收紅外管，電流可以進一步降低。

7　結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計的紅外通信裝置實現(xiàn)了直傳和中繼后傳輸距離都大于5m的信號無丟失、無失真?zhèn)鬏敚€增加了紅外發(fā)射對管校準程序。整個系統(tǒng)的亮點在于：

1）采用同步傳輸協(xié)議，配合高速ADC采樣頻率保證了音頻信號的準確實時發(fā)送。

2）中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置發(fā)射管采用2個發(fā)射管級聯(lián)方式，在保障數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)耐瑫r減少了電流，降低了功耗。

3）整個系統(tǒng)設(shè)計成本低、功耗低、性價比高。并且系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、無干擾、低噪聲的特點。

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Design of low-power infrared light communication devices based on STM32

YANG Yi1，YANG Chuan2，ZHOU Chuanyun3
（1.College of Electronic Information&Automation，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China；2.Department of Automation Engineering，Chongqing Electromechanical Vocational Institute，Chongqing 402760，China；3.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039，China）

In order to solve the infrared communication cost is high，Transmission distance near，the single direction of transmission；power consumption is on the high side.Using STM32 as the control core designed an infrared communication device system.By sending STM32 own highspeed AD the audio signal sampling，the sampling frequency up to 15 kHz.By pulse width modulation（PWM）to modulate the audio signal and the temperature signal，the receiver to demodulate STM32 optical pulse.Experimental results show in the range of about 10 meters realtime transmits a 300～3 400 Hz audio signals and one digital signal.that the normal audio signal transmission and without distortion，the maximum transmission error of the ambient temperature 0.3℃；Implements the signal relay any direction forward，Low power consumption and the purpose of energy saving that the relay station is 0.06W.

infrared light communications；STM32；PWM；relaying；Nyquist theorem

A

1674-5124（2015）09-0096-05

2015-01-09；

2015-02-07

國家自然科學基金項目（51107155/E0705）；重慶市科委自然科學基金項目（cstc2012jjA40066）；重慶市教委科學技術(shù)研究項目（KJ130807）；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（2014116600006）

楊奕（1970-），男，重慶市人，教授，碩士，研究方向為電工電子技術(shù)、通信技術(shù)、信息理論及汽車電子等。