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文檔簡介

1、 1 / 20摘要摘要本套設(shè)計是一個紅外光語音通信系統(tǒng),該系統(tǒng)采用一對 850nm 波長紅外光發(fā)光、接收管作為收發(fā)器件,實現(xiàn)了定向語音信號傳輸,無明顯失真條件下最大傳輸距離可達 5m,并可以實時傳輸發(fā)射端環(huán)境溫度。設(shè)計采用 STM32F10XC8T作為控制核心,通信方式選用數(shù)字通信,即將語音信號放大濾波后進行 A/D 采樣,轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以串行通信形式紅外發(fā)射,接收端信號經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換后,放大、濾波,通過揚聲器輸出語音信號。系統(tǒng)另外設(shè)計了中繼轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點,通信方向改變 90 度以后,依然可以實現(xiàn)清晰傳輸。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:紅外;語音信號;無線通信;溫度顯示 2 / 20目錄目錄1 1 設(shè)計任務(wù)與要求

2、設(shè)計任務(wù)與要求 1 11.1 設(shè)計任務(wù) 11.2 要求 12 2 系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案 3 32.1 方案比較與選擇 32.2 總體方案設(shè)計 53 3 理論分析與計算理論分析與計算 5 53.1 通信原理分析 53.2 提高轉(zhuǎn)發(fā)器效率方法 74 4 電路與程序設(shè)計電路與程序設(shè)計 8 84.14.1 系統(tǒng)的硬件 842 程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計 135 5 測試方案與測試結(jié)果測試方案與測試結(jié)果 1515參考文獻參考文獻 1717附錄一系統(tǒng)元器件清單 18 1 / 201 1 設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計任務(wù)與要求1.11.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個紅外光通信裝置。1.21.2 要求要求1. 基本要求(1)紅外光

3、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,傳輸距離為 2m,如圖 1 所示。圖 1 紅外光通信裝置方框圖(2)傳輸?shù)恼Z音信號可采用話筒或 3.5mm 的音頻插孔線路輸入,也可由低頻信號源輸入;頻率圍為 3003400Hz。(3)接收的聲音應(yīng)無明顯失真。當(dāng)發(fā)射端輸入語音信號改為 800Hz 單音信號時,在 8 電阻負載上,接收裝置的輸出電壓有效值不小于 0.4V。不改變電路狀態(tài),減小發(fā)射端輸入信號的幅度至 0V,采用低頻毫伏表(低頻毫伏表為有效值顯示,頻率響應(yīng)圍低端不大于 10Hz、高端不小于 1MHz)測量此時接收裝置輸出端噪聲電壓,讀數(shù)不大于 0.1V。如果接

4、收裝置設(shè)有靜噪功能,必須關(guān)閉該功能進行上述測試。(4)當(dāng)接收裝置不能接收發(fā)射端發(fā)射的信號時,要用發(fā)光管指示。2發(fā)揮部分(1)增加一路數(shù)字信道,實時傳輸發(fā)射端環(huán)境溫度,并能在接收端顯示。數(shù)字信號傳輸時延不超過 10s。溫度測量誤差不超過 2。語音信號和數(shù)字信號能同 2 / 20時傳輸。(2)設(shè)計并制作一個紅外光通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,以改變通信方向 90,延長通信距離 2m,如圖 2 所示。語音通信質(zhì)量要求同基本要求(3) 。中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點采用5V直流單電源供電,電路見圖3。串接的毫安表用來測量其供電直流電流。圖 1 中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點供電電路(3)在滿足發(fā)揮部分(2)要求的條件下,盡量減小中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點供電電

5、流。(4)其他。 3 / 202 2 系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案2.12.1 方案比較與選擇方案比較與選擇a. 通信方式的選擇方案一:模擬通信,將模擬信號與載波進行調(diào)制,使其帶有一定載波特性,又不失模擬信號的獨特性,接收端通過低通濾波器,還原初始模擬信號。 疊加放大驅(qū)動語音信號溫度信號38K調(diào)制濾波濾波高頻載波放大紅外發(fā)射裝置濾波紅外接收裝置解調(diào)輸出信號圖 2 模擬通信結(jié)構(gòu)框圖方案二:數(shù)字通信,將語音信號放大濾波后進行 A/D 采樣并存儲在存儲器中,以數(shù)字量形式輸出(串行)紅外發(fā)射。紅外接收并經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換輸出語音信號,放大后從揚聲器輸出。 4 / 20放大濾波D/A轉(zhuǎn)換A/D采樣紅外接收紅外發(fā)射語

6、音信號放大濾波拾音器揚聲器驅(qū)動電路輸出信號 圖 3 數(shù)字通信結(jié)構(gòu)框圖由于模擬信號傳輸過程中易受到噪聲干擾,而且噪聲不斷積累,通信質(zhì)量較差,而數(shù)字通信抗干擾能力強且噪聲不積累,便于對數(shù)字信息進行處理、變換、存儲,因此本系統(tǒng)最終選用方案二。b.控制器的選擇方案一:采用美國儀器(TI)公司生產(chǎn)的 MS430 系列單片機作為系統(tǒng)的控制器。MS430 是 16 位單片機。其針對實際應(yīng)用需求,把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上,以提供“單片”解決方案。片上資源較豐富,功能強大,速度快,且低功耗。方案二:采用 ARM 公司的 STM32F103 系列單片機作為系統(tǒng)的控制器。STM32F103

7、 是基于 Cortex- M3 核的是新型的 32 位嵌入式微處理器,它是不需操作系統(tǒng)的 ARM,部自帶 AD 轉(zhuǎn)換,無需外加芯片,經(jīng)常用于高速信號采集系統(tǒng)。綜合比較 STM32F103 系列單片機性能更高,因此本套系統(tǒng)最終選用方案二。 5 / 202.22.2 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計本套系統(tǒng)設(shè)計采用 STM32F10XC8T 作為控制核心,通信方式選用數(shù)字通信,即將語音信號放大濾波后進行 A/D 采樣,轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以串行通信形式紅外發(fā)射,接收端信號經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換后,放大、濾波,通過揚聲器輸出語音信號。系統(tǒng)另外設(shè)計了中繼轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點,通信方向改變 90 度以后,依然可以實現(xiàn)清晰傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

8、框圖如圖所示:數(shù)字輸出數(shù)字輸入放大濾波D/A轉(zhuǎn)換A/D采樣紅外接收紅外發(fā)射語音信號放大濾波拾音器揚聲器驅(qū)動電路輸出信號溫度顯示溫度采集 圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 6 / 203 3 理論分析與計算理論分析與計算3.13.1 通信原理分析通信原理分析本套通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用串口通信方式,利用 UART 實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,軟件程序過串口的中斷函數(shù)判斷一幀的數(shù)據(jù)是否完成的傳送。串口通信的概念非常簡單,串口按位(bit)發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)(byte)的并行通信慢,但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離通信。由于串口通信是異步的,端口能夠在一根線上發(fā)

9、送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。UART 作為異步串口通信協(xié)議的一種,工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個字符一位接一位地傳輸。其中各位的意義如下:起始位:先發(fā)出一個邏輯”0”的信號,表示傳輸字符的開始。資料位:緊接著起始位之后。資料位的個數(shù)可以是 4、5、6、7、8 等,構(gòu)成一個字符。通常采用 ASCII 碼。從最低位開始傳送,靠時鐘定位。奇偶校驗位:資料位加上這一位后,使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗)或奇數(shù)(奇校驗),以此來校驗資料傳送的正確性。停止位:它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志??梢允?1 位、1.5 位、2 位的高電平。 由于數(shù)據(jù)是在傳輸

10、線上定時的,并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘,很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束,并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多,不同時鐘同步的容忍程度越大,但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢??臻e位:處于邏輯“1”狀態(tài),表示當(dāng)前線路上沒有資料傳送。通信傳輸示意圖如圖所示: 7 / 20 圖 5 串口通信示意圖其中使用 RS-232 接口可增加串口的驅(qū)動能力、信號幅度與傳輸距離。系統(tǒng)主要參數(shù)(1)語音信號頻率圍為:3003400Hz,(2)采樣頻率:系統(tǒng)采樣頻率取 10KHZ。信號采樣時要符合抽樣定理:當(dāng)時間信號函數(shù) f(t)的最高頻率分量為 fM 時,f

11、(t)的值可由一系列采樣間隔小于或等于 1/2fM 的采樣值來確定,即采樣點的重復(fù)頻率 f2fM。(3)D/A 轉(zhuǎn)換位數(shù):8 位(4)波特率:80KHZ ( 10*8) ,收發(fā)兩端波特率一樣。(5)傳輸距離:2 米(6)語音信號的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為 300HZ3400HZ,此處我們假定中心頻率為 500HZ,帶寬f=3000HZ。假設(shè)信噪比 SNR=10db,由香農(nóng)公式:算出信道容量 C=10.38Kb/s 8 / 203.23.2 提高轉(zhuǎn)發(fā)器效率方法提高轉(zhuǎn)發(fā)器效率方法轉(zhuǎn)換速率是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的 AD 轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù),為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成,采樣速率(Sample Rate)必須小于

12、或等于轉(zhuǎn)換速率。因此將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率。而采樣頻率每秒鐘取得聲音樣本的次數(shù),根據(jù)抽樣定理應(yīng)大于等于 6.8KHZ,為提高轉(zhuǎn)發(fā)器效率,可采取以下方法:a、串口通信,提高單片機串口通訊響應(yīng)效率,可以盡量縮短 UART 的中斷服務(wù)子程序響應(yīng)時間 ISR,并單獨分配一組寄存器。b、 接收和發(fā)送都開雙緩沖區(qū)。 c、利用透鏡,在發(fā)射管和接收管前加一凸透鏡,利用凸透鏡物理原理增加其采集光線的能力。 4 4 電路與程序設(shè)計電路與程序設(shè)計4.14.1 系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件設(shè)計圖如圖所示: 9 / 20圖 6 系統(tǒng)的硬件電路圖(2) 電源模塊電源模塊為中繼節(jié)點提供5V電源,接入220V交流電壓經(jīng)過電

13、源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路最終得到+5V電壓輸出,其中穩(wěn)壓部分由7805三端穩(wěn)壓集成電路實現(xiàn),電路原理圖如圖3.3所示:T120:1V1220V50HzBR1DF005MVI3VO1GND2U278L05C34.7uFC20.33uFC11mF 圖 8 電源模塊電路圖(3) 數(shù)碼顯示模塊 10 / 20顯示模塊采用 LCD1602 進行顯示。LCD1602 是點陣字符型液晶顯示模塊,專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等。LCD1602 的屏幕為 2 行,每行顯示 16 個字符。1602LCD 主要技術(shù)參數(shù):顯示容量:162 個字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V

14、)模塊最佳工作電壓:5.0V引腳功能說明:1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳(無背光)或 16 腳(帶背光)接口,各引腳接口說明如表 10-13 所示:編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極 11 / 20P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7P0.7P0.6P0.5D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1

15、VDD2VEE3LCD1LM016LVCC56%RV110k圖 9 顯示模塊電路圖(3)音頻發(fā)射電路ULN2803 芯片介紹:ULN2803,采用 AP=DIP18,AFW=SOL18 封裝方式。八路NPN 達林頓連接晶體管陣系列特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路(諸如 TTL, CMOS或 PMOS/NMOS)和較高的電流/電壓要求之間的接口,所有器件具有集電極開路輸出和續(xù)流箱位二極管,用于抑制躍變。引腳圖如下;圖 10 ULN2803 芯片引腳圖信號經(jīng) ULN2803 驅(qū)動放大后輸出,電路圖如下: 12 / 20POWPOWPOWPOW1B12B23B34B45B56B67B78B81C182C

16、173C164C155C146C137C128C11COM10U1ULN2803R120R220R320R420R520R620R71kR810kR91k圖 11 音頻發(fā)射部分電路圖(5)紅外接收電路OPA2340 介紹:集成電路 OPA2340 其功能有驅(qū)動 A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集放大、工程控制、音頻處理,引腳圖如下:圖 12 OPA2340 引腳圖接收部分電路(含濾波放大)如圖所示: 13 / 20POWPOWPOWPOWPOWGNDPOWGNDGNDGNDGNDGNDGNDPOWPOWGNDPOW32184U1:AOPA2340PAINPUTR110kC10.1uFR2200kR320

17、0k50%RV11kR410kR5100k32184U1:AOPA2340PAC10.1uFR2200kR3200k50%RV11kR410kR5100kR61kQ1MPSA06R710kINPUTOUTPUTOUTPUT 圖 13 接收部分電路圖(6)音頻放大器經(jīng)過放大濾波的信號要想從揚聲器輸出,必須進行功率放大,因此要進行功率放大器實現(xiàn)。用到的主要芯片是 LM386,它是專門為低損耗電源設(shè)計的功率放大器集成電路,它的建增益為 20,通過腳和腳位間電容的搭配,增益最高可達 200。GNDGNDPOWGNDGNDGNDINPUT50%RV11k53264718U1LM386C110uC2250

18、uC40.05uFR110LS1SPEAKERC310u 14 / 20圖 14 音頻放大電路圖4 42 2 程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(1 1)發(fā)射端程序)發(fā)射端程序發(fā)射端程序流程圖如下:發(fā)射端程序流程圖如下: 15 / 20初始化設(shè)定AD采樣速率是否收到聲音AD信號串口發(fā)送聲音數(shù)據(jù)是否收到溫度AD信號串口發(fā)送溫度數(shù)據(jù)否是否開始是結(jié)束圖 13 紅外發(fā)送流程圖 16 / 20(1) 接收并顯示溫度部分流程圖接收并顯示溫度部分流程圖初始化(定義串口接收中斷)顯示溫度聲音DA輸出開始結(jié)束聲音變量賦值是否為聲音數(shù)據(jù)是否為溫度數(shù)據(jù)溫度變臉賦值是是否否結(jié)束開始圖 14溫度顯示部分流程圖 圖 15 接收

19、部分流程圖5 5 測試方案與測試結(jié)果測試方案與測試結(jié)果(1)語音信號測試方案與結(jié)果:用 MP3 或者手機輸入音頻信號,看揚聲器時都能發(fā)出聲音。測試結(jié)果:出聲,有微弱失真,但是仍可以清楚的辨別出原音樂。當(dāng)發(fā)射端輸入語音信號改為 800Hz 單音信號時,在 8 電阻負載上,接收裝置的輸出電壓有效值約為 0.8V。 17 / 20不改變電路狀態(tài),減小發(fā)射端輸入信號的幅度至 0V,采用低頻毫伏表(低頻毫伏表為有效值顯示,頻率響應(yīng)圍低端設(shè)置為 8Hz、高端約為 50KHz)測量此時接收裝置輸出端噪聲電壓,讀數(shù)約為 0.05V。當(dāng)接收裝置不能接收發(fā)射端發(fā)射的信號時,發(fā)光管閃爍指示。(1)放大器的測試方案與結(jié)果:將放大器的輸入端接入 0.05V(最大值) ,1KHz 的電壓(使用信號源) ,用示波器測量輸出,記錄幅值。測試結(jié)果:輸出峰峰值 10V 左右,并可調(diào),說明放大了 100 倍,增益可調(diào)功能實現(xiàn)。(1)濾波器的測試方案與結(jié)果:用信號源產(chǎn)生 1V 的不同頻率的信號加到濾波器的輸入端,用示波器測輸出,觀察幅值。 測試結(jié)果:頻率為 200Hz 與其以下時候發(fā)生較為明顯的衰減,幅值約為300mv,頻率大于 4KHz 的時候幅值降到 400mv 左右,中間頻率的幅值沒有衰減,因此帶寬約為

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