基于MSP430單片機的紅外光通信系統研究

潘佳琪 高韻淇 黃膺達 王哲然 李大宇

摘? 要：紅外光通信系統主要由紅外發射端和紅外接收端組成，以光為介質完成語音通信。系統中使用了MSP430F5529單片機作為工具對語音信號進行A/D，DSP，D/A，串口通信處理，在發射端應用了AM調制技術來降低誤碼率，提高通信的質量，進而使接收端得到的語音信號更加清晰。文章采用模塊化思想制作硬件電路，同時將軟件作為信號采集處理的工具，軟硬結合共同完成光通信裝置的理論分析和實物制作，傳輸的語音效果良好。

關鍵詞：紅外光通信;AM調制;DSP;串口通信

中圖分類號：TN929.1? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0060-03

Abstract： Infrared optical communication system is mainly composed of infrared transmitting end and infrared receiving end， and completes voice communication with light as medium. The MSP430F5529 single-chip microcomputer is to perform A/D， DSP， D/A and serial communication processing on the voice signal. AM modulation technology is applied at the transmitting end to reduce the bit error rate and improve the quality of communication， so that the receiving end can get the receiving end. The voice signal is clearer. In this paper， we use modular thinking to make hardware circuits and software as a signal acquisition and processing tool. The combination of software and hardware completes the theoretical analysis and physical production of the optical communication device， the transmitted speech effect is good.

Keywords： infrared optical communication; AM modulation; DSP; serial communication

引言

光通信是以光波為載波的通信方式。它采用紅外線傳輸信息，不易被發現，因此其具有保密性強的優點。近些年來，光通信領域發展迅速，在許多高等院校里，也出現了對紅外通信專業學生的實踐培養。光通信位于通信領域發展的前段，整個通信系統的性能對于通信的質量極為重要。因此，對于傳統裝置的改進與創新變得更加必要。

本文中設計了一套結合MSP430F5529單片機以及AM調制技術的光通信系統，可以實時完成語音信號的傳輸，且效果良好。

1 系統總體方案

本系統采用TI公司的MSP430F5529單片機為載體，對采集的語音信號做出處理，結合了AM調制方法，通過紅外發射管進行發送。紅外接收端通過I-V轉換電路實現對信號的放大，經過解調器進行解調處理，再將其通過自適應比較器進行波形整形，之后結合單片機進行DA處理并濾波，最后通過音箱實時播放傳輸過來的語音信號。

本系統主要分為發射和接收兩個主要部分，紅外發射管和紅外接收管均采用高帶寬的二極管，以光為載體，對電流的變化和感應作為傳輸信號進行通信。通過MSP430F5529單片機和模擬電路模塊作為工具對語音信號進行數字、模擬的處理。模擬硬件電路模塊均采用Altium Designer軟件進行PCB板設計，實踐效果良好。光通信系統總體模塊包括：語音放大濾波、乘法器、振蕩器、I-V轉換電路、解調器、自適應比較器、300-3400Hz濾波電路，DA轉換模塊等。整體系統框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

根據系統總體設計要求，對幾個主要功能模塊的設計方案進行介紹。

2.1 語音放大及濾波電路

麥克風將語音信號轉化成電信號，此電信號通過放大以及濾波電路進行電信號的初步信號處理。在這里，選用OPA2134芯片來設計放大器以及濾波器。OPA2134具有低噪聲，極小失真，具有良好的聲音品性的特點，因此，放在語音處理的電路部分。

在本文中，通過TI公司的FilterPro Desktop軟件進行濾波器的設計。語音信號頻率在300-3400Hz，為了避免其余頻率的噪聲對語音信號的干擾，選用中心頻率1850Hz，帶寬為3100Hz的帶通濾波器對語音信號進行濾波處理。

2.2 單片機預處理

首先，用MSP430F5529單片機進行AD采集，將語音轉化成的電信號通過AD處理轉變為數字信號。之后將單片機與Uart進行通信，輸出PWM方波，便于在紅外通信裝置中傳播。此方波便是帶有語音信息的數字信號，此異步幀格式由1個起始位、7或8個數據位、校驗位（奇/偶/無）、1個地址位、和1或2個停止位[2]。

PWM波設置的波特率為256000bps。因此當每個音節對應的八位數字信號為01010101或10101010時，所傳輸的數字信號頻率最大，為128KHz。當信號在信道中傳輸時，信號的傳輸速率越快（頻率越高），相對應的時間延遲越小，通信效果更佳。所以，在這里選取了當前時鐘下所對應的最大波特率。

2.3 乘法器

在本套系統中，使用基于AD835芯片的乘法器來模擬整個AM調制過程。如圖2所示。載波信號是由ADF4351本振源產生的高頻正弦波，基帶信號則為經過單片機預處理后的數字信號。將兩個信號通過乘法器相乘后，完成模擬調制過程。

數字信號進行通信時，在通信過程中的誤碼率較高，例如：在信道傳輸時，外界因素干擾，數字信號0跳變為1，導致一段數據信息錯誤，使聲音失真。若經過模擬AM信號調制后，由于正弦波經過倒相后所承載的信息不會發生變化，因此，調制后的信號在經過信道進行傳輸時便會大大降低誤碼率，使接收端處理后的語音信號更準確。

2.4 振蕩器

通過ADF4351振蕩器模塊產生正弦波，作為本振源，對單片機輸出的數字信號進行調制處理。通用異步收發傳輸器（Uart）發送 ADF4351的頻率配置指令，MSP430F5529將串口協議解析，以SPI的形式將配置指令發送至ADF4351，實現波形輸出。為了使調制效果更加明顯，輸出的正弦波頻率應達到10MHz以上[3]。

2.5 紅外發射端電路

紅外發射端電路使用的是TSFF6410[4]紅外發射二極管。紅外發射端與高頻率調制信號相連，由于紅外通信需要考慮許多因素，例如不同環境下的光照，發射器自身的發射功率等;要實現通信距離長，通信質量高，就需要聚光性好、發射功率大，帶寬大的紅外二級管;由于我們使用的編碼頻率較高，這對紅外二極管的高頻率特性有高要求。而TSFF6410紅外發射二極管具有如下參數：波長為870mm、調制帶寬為24MHz、輻射功率和輻射強度高。其與設計要求相對應，所以選擇該器件作為發射端。電路圖如圖3所示。

電路圖中的電容均為濾除電源自身噪聲的電容，在PCB板制作時，應盡量使電容靠近電源，最大程度上減小電源噪聲干擾。復合三極管用來穩定三極管射極的電流，當發射端的輸入電壓信號不斷變化時，通過三極管的穩定電流性能將電壓變化轉變為電流變化，再通過紅外二極管發射出去。

此發射端電路與傳統電路有所不同，此電路結合了集成運放OPA695來使三極管導通。優點是OPA695為高帶寬的電流驅動運放，使用它會使信號在高速傳播時仍具有穩定性，進而使紅外發射的效果更好。

2.6 紅外接收端電路

紅外接收部分使用的是TFDU4100。此紅外二極管同樣具有高帶寬特性。電路如圖4所示。

此接收端模塊同樣也為I-V轉換電路，將接收管接收到的電流信號，轉換成電壓信號并且放大106倍（彌補通信時信號幅度的衰減），選用500MHz高增益帶寬積的OPA656作為運放來構建此電路。

2.7 解調器

本系統采用包絡檢波（非相干解調）來對調制信號進行解調。基波為數字信號，最高頻率可達128KHz，載波為ADF4351振蕩器輸出的15MHz的正弦波。兩種信號經過AM調制后，得到了AM信號。在通信傳輸過程中，調制信號的頻率信息不發生變化，只有幅度產生變化。根據已知的頻率信息，設計解調器參數，實現基波的還原。

2.8 單片機DA處理

通過MSP430F5529單片機控制DAC7811芯片組成的DA模塊，完成數-模轉換，輸出采集到的音頻電信號。最后經過300-3400Hz的帶通濾波器后，通過音響放出語音信號，完成整個光通信系統。

3 系統軟件設計

本系統使用MSP430F5529單片機的程序編寫實現AD，DA和通信的功能。

在發射端，單片機通過AD轉換將模擬信號轉變為數字信號，在利用Uart實現串口通信，發出PWM波（含有模擬信號的全部信息）。

在接收端，單片機對解調出的數字信號進行DA處理，轉化成模擬信號（語音信號）。接收端軟件流程圖如圖5所示。

4 結束語

本系統利用了MSP430F5529單片機作為MCU，采用了AM調制技術來降低通信時的誤碼率。硬件系統的PCB板集成度較好，所采用芯片均適合高速電路，單片機處理速度較快，可以實現最高頻率可達1MHz的信號通信。系統未考慮通信距離問題，需要提高信號功率來增加通信距離。發射端與接收端都采用了紅外二極管，以語音為原始信號，以光為載體進行通信，接收端得到的語音效果良好。

參考文獻：

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