红外光通信装置.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除红外光通信装置（F题）摘 要 本设计要求设计一个红外光通信装置，通过确定红外发光管和接收管的静态工作点，使其工作于线性区，使得音频信号可以直接调制红外光强，从而实现语音红外通信。发挥部分采用MSP430单片机采集温度信息并通过38KHz的载波进行OOK调制，利用加法电路实现与音频信号的频分复用。本设计还通过加入中继转发节点增加了传输距离并改变了传输方向。在系统接收端分别通过高通和低通滤波器滤出低频语音信号和高频温度调制信号，并经耳机输出声音信号，同时将温度信息在LCD12864上显示。本系统在2m距离上利用红外装置实现了信号的顺利传输，通过中继成功实现了4m距离的信号传输，其他测量结果均满足要求。系统数字信道部分采用信道编码，提高了通信传输质量。 此文档仅供学习与交流1 系统方案1.1 方案比较与选择1.1.1调制方式选择方案一：采用数字调制。利用专业芯片将语音信号经过一定的编码，如PCM编码、增量编码等，转换成数字信号，将其与单片机采集的温度信号通过TDM组帧，并发射、接收。方案二：采用模拟调制。语音信号通过模拟方式对光强进行调制，温度信号通过OOK调制成38KHz的数字信号与语音信号做频分复用，并发射、接收。方案一经语音编码后的速率高（如PCM芯片编码后的速率为64Kbps）,这一速率对红外对管的工作频率要求较高，因此很难找到合适的器件；方案二实现简单，虽抗干扰能力差，但本系统要求传输的距离短，且红外光方向性好，弥补了这一缺点，因此在本设计中采用方案二。1.1.2数字温度信号调制方案选择方案一:采用OOK方案，以数字基带信号来控制载波的开启与关闭，很多红外遥控器采用该方案，且有现成的解码芯片可使用，解码方便。但OOK的信号抗干扰能力较差。方案二：采用FSK方案，以数字基带信号来控制载波频率，优点是抗干扰能力强，缺点是调制和解调电路都很复杂 。综合两种方案，采用OOK方法更容易实现信号的调制和解调，其抗干扰能力可以通过适当增加发射功率来改善。因此在本设计中采用方案一。1.1.3 中继转发选择 方案一：直接转发，即光收二极管收到信号后直接通过红外光发二极管发送。其优点是中继电路设计简单，中继功率小，缺点是接收端信号容易产生一定失真。方案二：中继接收到信号经过滤波、整形、解调、放大后再转发。优点是信号传输距离大，信号失真度小，缺点是电路设计复杂，中继功耗大。综合两种方案，采用直接转发可以对功率有较好的控制，对于可能出现的误码可以在接收端通过滤波放大整形之后再检波还原出输入信号。因此在本设计中采用方案一。1.2 方案描述 1.2.1 整体方案流程本系统主要由三个模块组成：发送模块，中继模块和接收模块。系统由耳机输入音频信号，由MSP430单片机采集温度信号。发送模块负责将音频信号和经过OOK调制的温度信号通过频分复用合成后，利用红外发光管发送出去；中继模块负责接收发送模块的信号，然后利用红外发光管转发出去；接收模块接收发送模块或中继模块发送的信号，进行光电转化后经高、低通滤波器分离低频音频信号和高频温度信号，并分别输出。发送模块音频信号中继模块红外发射温度信息OOK调制加法器38KHz载波发送传送并中继MSP430接收LCDMSP430包络检波高通滤波接收模块红外接收耳机放大输出低通滤波器器图1 整体方案系统框图 2.1 通信原理分析 图2 红外发光管 V-I特性曲线2.1.1光强调制解调原理分析图2为红外发光管工作的电压-电流（V-I）特性曲线。红外发光管具有与一般半导体三极管相似的伏安特性曲线。在AB段，电流随着电压增加而近似于线性增加，发光强度也随之增强，因而可以利用这一特性实现光强调制。为了保证输入有较大的动态范围，将静态工作点选在AB的中间段。 接收端输出电流的大小与接收光强度也存在着非线性关系，因此必须将静态工作点设置在线性区AB中间，才能得到较好的光电转换。2.1.2高频数字信号和低频语音信号频分复用分析根据频分复用原理，不同频率的信号占据不同的频带，可实现对信道的复用。由于语音信号的频率（300-3400Hz）较低，已调温度信号频率（载波频率为38KHz）较高，可通过加法器将两路信号合成，然后接收端分别通过低通、高通滤波器将两路信号分离，使两路信号能够同时传输，实现信道复用。接入数字信号后对语音信号有影响，因此采用了灵敏度高的数字信号解码芯片CX20106A，从而允许输入的数字信号幅度很小，减小对音频信号的影响。 2.1.3 数字信号的信道编码单片机将采集到的温度信号的每一位都连续发8次，在接收端采用多数判决的方式来恢复原信号，即对数字信号进行了信道编码。由于只有接收错误达到50%以上才会被错判，因此提高了本系统通信的可靠性。2.2提高转发器效率如图3所示，转发器由红外接收模块，射极跟随器和红外发射模块三部分组成。红外接收管用于接收光强信号，射极跟随器则将前后级隔离，减小前后级电路相互相影响。为了提高转发器效率，需要尽量减小Q1的集电极电流Ic。分析红外发射模块可知，当没有输入电压时可以求出通过二极管的静态电流IC：IC=VCC-VbeR1+1+R5* （1）因此可以通过增大可调电阻R1来减小集电极电流以提高转发器效率。但根据图2所示的红外发光管 V-I特性，过低的偏置会使发光二极管工作在非线性区，导致输入电压可变范围的减小及输出信号的失真。综合以上两点，在成功转发的条件下，可以通过增大R1来提高转发器效率。图3 中继转发电路3 电路与程序设计3.1 电路设计3.1.1发射电路设计如图4所示，红外光发射电路主要由TL084及外围器件组成的反相加法电路和发光二极管驱动电路组成。其中加法电路将两路信号和为一路，同时可以实现前后级的隔离，消除后级电路对前级电路的影响 。根据理想运放电路的“虚短”和“虚断”概念，可知加法器的输出电压V0与输入电压V1，V2的关系为：V0=-( V2R3+ V1R2 )R4 （2） 选取R2=R3=R4，得到V0=-(V1+V2)，可直接实现两路信号混合。经过加法器得到的混合信号通过控制三极管的基极电压来控制三极管集电极电流的大小，使发光二极管发出不同强度的光强，完成对电信号的光强调制。图4 红外光发射电路3.1.2语音信号接收电路设计 如图5所示为语音信号接收电路，红外管LED1接收到的光信号转换为电信号后，先经过9013组成的射随器来增大输出电流，增强带负载能力，同时起到隔离前后级的作用，再经过LM386进行功率放大来驱动耳机或扬声器发出声音。图图5 红外接收电路3.1.3滤波器设计因为在接收端需要将低频语音信号（300-3400Hz）和高频数字信号（38KHz）分别选频输出，因此在滤波器设计软件Filter Solution中设计出5KHz的低通滤波器和20KHz的高通滤波器并调整其参数，并在软件Multisim中仿真。20KHz高通滤波器的仿真原理图及仿真得到的电阻R3、R5和电容C1、C2参数值如图6所示。图6 20KHz高通滤波器原理图利用仿真原理图，可以计算该电路的传输函数为:H(S)=R3R3*S*C1+1*1+R5*S*C1+R5 (3)由(3)式，代入仿真数据，可以求得其两个极点分别为S1=-1287902+3000000*iS2=-1287902-3000000*i分析其零点分布可知该滤波器为高通滤波器，且其截止频率为 fc=1287902(2*)=20.498KHz （4） 由（4）可知，验算结果与设计需求的20KHz基本相符。 同理可设计出5KHz的低通滤波器，仿真原理图如图7所示：图7 5KHz低通滤波器原理图 根据以上分析,可以利用上述原理图做出符合要求的滤波器,将高频数字载波信号和低频音频信号分离，同时也验证了采用频分复用实现同时传输两路信号的方案的可行性。3.1.4包络检波电路设计本实验采用CX20106A芯片来完成包络检波，将经过OOK调制的温度信号还原。如图8所示的电路是用来解调38KHz信号的电路图，1脚输入的38KHz信号依次经过前置放大和限幅放大实现对信号的放大，接着通过滤波器来滤除噪声，通过包络检波，积分器和比较器得到最终的温度信号送往单片机并在LCD上显示。图8 包络检波电路3.2 程序设计 本系统发送端与接收端均采用MSP430F149作为主控芯片，程序流程图如图所示。发送端单片机通过定时产生38KHz载波信号，每隔三秒采样一次温度数据，若采集温度正常且有变化，则串口发送300Hz温度信号。接收端单片机只需要开启串口中断，等待温度更新信号并显示。软件流程图如图9所示。发射端程序流程 接收端程序流程 图9 软件流程图4 测试方案与测试结果4.1 测试方案与测试仪器4.1.1测试方案中继转发器采用5V电池供电，发射和接收端均采用直流电源供电；发射端采集的语音信号和温度信息通过红外装置传输，2m距离的接收端用喇叭放大语音以检测声音是否失真，温度信息在LCD上进行显示；输入800Hz正弦波，在接收端测量负载的有效电压，并通过示波器清楚显示。4.1.2 测试仪器主要测试仪器如下表1所示。 表1 测试仪器仪器名称型号仪器名称型号信号发生器YB32020交流毫伏表YT1931数字示波器DSO-X 2002A直尺精度1mm万用表UT802温度计环境温度计4.2 测试条件与测试数据表2测试条件与测试数据序号测试内容测试结果1接收装置接收的声音信号是否失真否2接收装置无信号接收时，发光管是否点亮是3语音信号和数字信号（环境温度）能否同时传输是4环境温度测量误差（取测量平均值）测量温度：26实际温度：25测量误差：15中继节点能否改变通信方向90能6中继节点延长的通信距离是否达2m是7加入中继后，接收装置接收的声音信号是否失真否8中继节点的供电直流电流23mA通过信号源向发射装置输入800Hz正弦信号，用示波器测量8负载上的输出电压有效值，多次测量结果如表3所示（其中1-3及平均值1为不加入中继情况，4-6及平均值2为加入中继情况）。表3 800Hz正弦信号下的输出电压测量序号测量结果/mV测量序号测量结果/mV186545002870551238586445第一组平均值864.3第二组平均值485发射装置输入0V信号，用毫伏表测量接收装置的输出噪声电压有效值，结果如表4所示（测量序号情况同表3）表4 噪声测试测量序号测量结果/mV测量序号测量结果/mV156465248573364662平均值156平均值266.6误差分析：（1）发光二极管对温度敏感，温度变化影响发光二极管的光强调制。（2）单片机通过CPU直接AD转换测得电压，因此测得温度值比实际温度值大。（3）信号在传输过程中由于光的色散会导致信号的畸变，影响输出信号。 4.3 测试结果分析本系统设计了一个红外光通信装置，经测试，系统基本能达到题目要求。在2m范围内完成了语音信号和温度信号的正确传输，声音信号无明显失真，温度误差在允许误差范围内。传输800Hz单音信号时，8负载的电压有效值及输入信号0V时接收端输出噪声电压均能达到要求，未接收到发射端信号时可用LED灯指示。加入中继转发节点后