紅外光通信裝置 設(shè)計(jì)報(bào)告

紅外光通信裝置設(shè)計(jì)報(bào)告紅外光通信裝置設(shè)計(jì)要求1基本實(shí)現(xiàn)方案分析22.1模擬調(diào)制方案2方式1： 調(diào)幅2方式2：調(diào)頻22.2數(shù)字調(diào)制方案23.紅外通信信道測試和數(shù)字調(diào)制方案選擇33.1發(fā)送管接收管性能測試33.1數(shù)字調(diào)制方案選擇34硬件電路設(shè)計(jì)44.1 AD輸入部分44.2 DA輸出部分54.3紅外發(fā)送部分64.4紅外接收部分（技術(shù)難點(diǎn)）64.6 MIC接收電路75軟件設(shè)計(jì)85.1基本工作方式85.4數(shù)字通信方式85.2發(fā)送模式85.3接收模式95.4轉(zhuǎn)發(fā)模式9紅外光通信裝置設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一款紅外通訊裝置，可以傳送頻率范圍為3003400Hz的語音信號和數(shù)字信號。圖1紅外光通信裝置方框圖圖2紅外光通倍中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置方框圖基本實(shí)現(xiàn)方案分析21模擬調(diào)制方案方式1：調(diào)幅原理：紅外發(fā)送端發(fā)送固定頻率的紅外信號，利用聲音信號對紅外信號進(jìn)行幅度調(diào)制。 優(yōu)點(diǎn)：方案簡單，純模擬電路即可實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：1）抗干擾特性較差，很容易受外界光強(qiáng)影響。2）傳輸距離較近，距離變遠(yuǎn)后聲音變小，接收效果明顯下降，噪聲增大。3）很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)地?cái)?shù)字信號的功能。方式2：調(diào)頻原理：紅外發(fā)送端發(fā)送一定幅度的紅外信號，利用聲音信號對紅外信號的頻率進(jìn)行調(diào)制。 優(yōu)點(diǎn)：1）抗干擾性比調(diào)幅方案好2）不怕信號衰減，傳輸距離比調(diào)幅方案遠(yuǎn)。缺點(diǎn)：1）調(diào)頻發(fā)送和調(diào)頻接收電路復(fù)雜，調(diào)試難度大。2）很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)地?cái)?shù)字信號的功能。22數(shù)字調(diào)制方案原理：把聲音信號首先按照一定速率進(jìn)行AD采樣量化，然后把AD采樣值通過紅外發(fā)送給 接收端，接收端再按照采樣速率進(jìn)行重現(xiàn)聲音。優(yōu)點(diǎn)：1）因?yàn)閭鬏斶^程為數(shù)字信號，信號的抗干擾特性好，不怕信號遠(yuǎn)距離衰減。2）紅外傳輸?shù)臑閿?shù)字信號，所以可以把其他數(shù)字信號一起發(fā)送，從而達(dá)到同時(shí)傳送數(shù) 字信號和聲音信號的功能。3）因?yàn)閭鬏數(shù)氖菙?shù)字信號，所以系統(tǒng)調(diào)試相對模擬電路可能會簡單些。 缺點(diǎn)：1）需要尋找可行的數(shù)字調(diào)制方案。2）該方式對單片機(jī)編程要求較高。3. 紅外通信信道測試和數(shù)字調(diào)制方案選擇3.1發(fā)送管接收管性能測試僅采用簡單的電路，測試紅外通信最高頻率范圍。測試發(fā)現(xiàn)：紅外發(fā)送二極管的發(fā)送頻率很高，可以達(dá)到 500KHz 以上。紅外接收二極管的工作頻率最高只有50KHz，當(dāng)頻率升高后輸出波形幅度急劇下降。紅外接 收管的輸出波形不是方波，而變成了三角波。光敏三極管的接收頻率也可以達(dá)到 500KHz 以上，但是其已受干擾，距離變遠(yuǎn)后輸出波形急 劇下降。HS0038紅外接收頭的載波頻率為38KHz，輸出為數(shù)字信號。若要對其進(jìn)行調(diào)制，則調(diào)制頻 率最多有l(wèi)OKHz。因?yàn)閭魉托盘栴l率最高3.4KHz,同時(shí)需要對聲音電壓幅度進(jìn)行量化，則量 化僅1OKHz/3.4KHz=3左右，根本無法通信。測試結(jié)論：采用紅外發(fā)送二極管不用擔(dān)心擔(dān)心頻率問題。采用紅外接收二極管，帶寬只有50KHz，需要搭建放大，濾波整形電路。3.1數(shù)字調(diào)制方案選擇方案 1：原理：利用載波信號調(diào)制38KHz紅外信號，接收直接用HSOO38紅外接收頭即可。分析：按照聲音信號100級電壓量化等級，該方案只能發(fā)送38K/100=380Hz以下的音頻信號。 結(jié)論：該方案不可行。方案 2：原理：自己產(chǎn)生高頻紅外信號，利用聲音信號對該信號進(jìn)行調(diào)制。分析：按照3.4KHz, 100級量化等級，需要發(fā)送頻率為340KHz。經(jīng)過測試接收二極管的特 性不足，該方案無法實(shí)現(xiàn)。結(jié)論：該方案頻率要求太高，器件無法滿足要求。方案 3：（最終方案）原理：因?yàn)榧t外接收二極管的頻率范圍只有 50KHz 以下，所以發(fā)送端可以直接發(fā)送 50KHz 以下的信號。比如發(fā)送端發(fā)送 10KHz 的信號，該信號的占空比即聲音信號的幅度。 10KHz即信號采樣速率。分析：1）按照采樣定理，發(fā)送3.4KHz的信號，需要的采樣頻率大于6.8KHz即可，所以選 擇10KHz作為采樣頻率可行。聲音信號的賦值按照10KHz信號的PWM占空比來量 化。2）數(shù)字信號和模擬信號可以通過占空比范圍來判斷。數(shù)字信號占空比為10%或90%。 模擬占空比為25%到75%。結(jié)論：該方案可行，發(fā)送端按照 10KHz 進(jìn)行電壓采樣，發(fā)送利用 10KHz 的占空比代表聲音 信號的幅度。接收端接收10KHz的上升沿進(jìn)行采樣頻率同步，通過測量信號的占空比 來衡量信號的幅度。發(fā)送端的波形：（綠色為輸入信號，藍(lán)色為調(diào)制后的信號）（當(dāng)發(fā)送波形為正弦波時(shí)，輸出后的調(diào)配波形很類似SPWM信號）接收端的波形：（黃色為接收信號，藍(lán)色為單片機(jī)解調(diào)后的波形）OMilwwopr4硬件電路設(shè)計(jì)41 AD輸入部分因?yàn)椴蓸宇l率為lOKHz，所以需要增加一套低通濾波器來濾除高頻信號，防止AD采樣 的頻率高于5KHz，造成額外米樣失真。4ih Order low P3$s BuiterAarthF1UE>IH FlHptlEp SlXOKHZ陽迪円怙沖:慕21怡42 DA輸出部分因?yàn)镈A的輸出能力有限，所以DA后需要增加緩沖器做音頻功率放大。 需要注意5V下運(yùn)放可能不是軌到軌特性，造成輸出波形失真，發(fā)送幅度不夠。 可以采用提高電源電壓的方式。DA發(fā)送增加2階低通濾波電路，降低輸出諧波。2nd Order Low Pass ButterworthPass Eend Frequency - 5 KHz43紅外發(fā)送部分紅外發(fā)送需要因?yàn)槊子?V發(fā)送，又因?yàn)榧t外二極管的管壓降只有1.2V，所以可以米用2 顆-3顆發(fā)光二極管串聯(lián)方式發(fā)送。4.4紅外接收部分（技術(shù)難點(diǎn)）受接收管的影響，接收波形并非方波，而是變成了一定占空比的三角波。所以需要設(shè)計(jì)制作一套可以把一定占空比的三角波整形為一定占空比的方波的電路。 注意常見微分電路雖然整出的波形也是方波，但是占空比一律變?yōu)?0%，無法使用。5VC61吁.JXFGR6-180kQR8 180kOC3C21nF1nFR7R4、- 47kO100kCR5 47kGC1丨1pF10nF100nF 10nFR131.2kQ-R3.82kQMID2.5VD61N4148R12 100kG10nFD51N414825VC7 10nFRT0-Q-O-C9 10nF后級為三角波整形電路，可以實(shí)現(xiàn)一定占空比的三角波整形為相應(yīng)占空比的方波。R11100kQMID2.5V為了抗100Hz工頻干擾，前端為設(shè)計(jì)4階低通濾波器。注意因?yàn)椴捎?V供電方式，需要采 用軌到軌運(yùn)放。注意三角波的占空比需要兩顆芯片配合才可以判斷出，一個(gè)的上升沿和兩一個(gè)的下降沿。46 MIC接收電路采用2級帶通方案。濾除頻帶外干擾。C6 1pFXFG1 |pc _nr91R2 10kQVCG-5VR110kQd -R4vp10kQC1 "82nF10OkQ R8100kQ1MID220kQ :R11 >220kQ.R12C3WvII110kQ1.8nF :女R9 >18kQ=R10C410kQ1.8nFMID5.軟件設(shè)計(jì)5.1基本工作方式發(fā)送端按照lOKHz進(jìn)行電壓采樣，發(fā)送利用lOKHz的占空比代表聲音信號的幅度。 接收端接收lOKHz的上升沿進(jìn)行采樣頻率同步，通過測量信號的占空比來衡量信號的幅度。5.4數(shù)字通信方式數(shù)字信號和模擬信號可以通過占空比范圍來判斷。數(shù)字信號占空比為10%或90%。模擬占空 比為25%到75%。52發(fā)送模式/【發(fā)送端】_/ 1)20KHz自定時(shí)，采用T0P=0CR1A【中斷中，AD讀取數(shù)據(jù)，更新0CR1B，進(jìn)行 啟動AD采樣】/ 2)OCR1B作為比價(jià)匹配占空比輸出【不使用中斷】/ 3)ICP保留未使用/ 4)外部中斷未使用void timer1_init(void);定時(shí)器T1匹配中斷A服務(wù)程序ISR(TIMER1_COMPA_vect );void port_int_init(void); 無用，為了兼容性5.3 接收模式/ 【接收端】/ 1)外部中斷0接收同步信號，與TOP值比較，【中斷中】/若有效則【復(fù)位計(jì)數(shù)器，讀取上一次ICP值，更新DA數(shù)據(jù)】關(guān)無數(shù)據(jù)燈/若無效則【復(fù)位計(jì)數(shù)器，清除ICP，DA數(shù)據(jù)位2.5V】開無數(shù)據(jù)燈/ 2)TOP=OCR1A,為了防止誤差過大的溢出設(shè)置【120%TOP】【中斷中，清除ICP, DA數(shù)據(jù)位2.5V】開無數(shù)據(jù)燈/ 3)ICP無法保證該數(shù)據(jù)是否有效，所以【不使用中斷】/ 4) OCR1B 未使用/外中斷初始化void port_int_init(void);/外中斷0服務(wù)程序ISR(INT0_vect );void timer1_init(void);/定時(shí)器 T1 輸入捕捉中斷服務(wù)程序ISR(TIMER1_COMPA_vect );5.4轉(zhuǎn)發(fā)模式/ 【轉(zhuǎn)發(fā)端】/ 1)外部中斷0接收同步信號，與TOP值比較，【中斷中】/ 若有效則【復(fù)位計(jì)數(shù)器，讀取上一次ICP值，更新OCR1B的PWM數(shù)據(jù)=ICP】 關(guān)無數(shù)據(jù)燈/ 若無效則【復(fù)位計(jì)數(shù)器，清除ICP，OCR1B為PWM=1/2】開無數(shù)據(jù)燈/ 2)TOP=OCR1A，為了防止誤差過大的溢出設(shè)置【120%TOP】【中斷中，清除ICP， OCR1B為PWM=1/2】開無數(shù)據(jù)燈(直流電平不影響)/ 3)ICP無法保證該數(shù)據(jù)是否有效，所以【不使用中斷】/外中斷初始化void port_int_init(void);/外中斷0服務(wù)程序ISR(INT0_vect );void timer1_init(void);定時(shí)器T1匹配中斷A服務(wù)程序ISR(TIMER1_COMPA_vect );