王耀賢，王建衛(wèi)

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，貴州畢節(jié)，551700）

0 引言

紅外通信技術(shù)歷史悠久，自90年代以來，該技術(shù)又獲得了重大突破，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，如生活家居（紅外照相/攝像機(jī)、夜視儀、家電遙控器等）、航空航天、汽車、軍事等領(lǐng)域。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國在紅外通信技術(shù)方向的科研項(xiàng)目已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)步，許許多多的正規(guī)研究所拔地而起，更有紅外通信實(shí)驗(yàn)室和眾多的研究項(xiàng)目組，在許多高等院校里，也出現(xiàn)了紅外通信專業(yè)或者與紅外通信專業(yè)相關(guān)的光電子技術(shù)系，數(shù)量眾多的民營企業(yè)、股份制企業(yè)相繼誕生，至今已形成了規(guī)模各不相同的產(chǎn)品。

近幾年來，隨著智能化設(shè)備越來越普遍，紅外通信技術(shù)因其抗磁場(chǎng)性能優(yōu)異，從而被普遍的利用到針對(duì)智能電器、智能家居的設(shè)計(jì)方案中。紅外通信是最常用的中近距離無線信息傳輸方式之一，采用紅外通信的獨(dú)到之處是成本低、速率高且功耗低。因此對(duì)如何最大化的還原紅外光攜帶的信息、如何將信息更好的植入紅外光載體等問題的研究具有重要意義。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是利用了數(shù)字編碼通信技術(shù)，當(dāng)話筒或者3.5mm音頻輸入端輸入語音信號(hào)時(shí)，高速單片機(jī)處理接收到的音頻信號(hào)；同時(shí)，發(fā)射端的溫敏電阻采集溫度數(shù)據(jù)，送入高速單片機(jī)內(nèi)，與音頻信號(hào)一起定向發(fā)送；由紅外發(fā)射模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過中繼器后，由另一塊高速單片機(jī)控制的紅外接收端接收數(shù)據(jù)，再經(jīng)過解碼調(diào)制、功放調(diào)制；最后可在耳機(jī)中收聽到清晰且不失真的音頻。系統(tǒng)要求傳輸距離不低于2m，中繼距離不低于4m。本設(shè)計(jì)所用到的模塊如下：高速單片機(jī)C8051F020、紅外發(fā)射接收管、中繼轉(zhuǎn)發(fā)部分；在語音信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)和輸出到耳機(jī)之前，還需經(jīng)過濾波、功放模塊；溫度數(shù)據(jù)顯示部分使用LC01602液晶顯示器。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

■2.1 數(shù)據(jù)收發(fā)部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)收發(fā)部分使用的是紅外接收管TFDU4100來完成紅外光信號(hào)的接收，其與紅外發(fā)射模塊TSFF6410相匹配，可以和一個(gè)用于脈沖調(diào)制的I/O口相連，電路簡易的同時(shí)資源利用率高。

2.1.1 紅外發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì)

紅外發(fā)送模塊使用的是TSFF6410紅外發(fā)射二極管。紅外發(fā)射端與高速單片機(jī)相連，由于紅外通信需要考慮許多因素，例如不同環(huán)境下的光照，發(fā)射器自身的發(fā)射功率等；要實(shí)現(xiàn)通信距離長，通信質(zhì)量高，就需要聚光性好、發(fā)射功率大的紅外二級(jí)管；由于我們使用的編碼頻率較高，這對(duì)紅外二極管的高頻率特性有高要求。而TSFF6410紅外發(fā)射二極管具有如下參數(shù)：波長為870mm、調(diào)制帶寬為24MHz、輻射功率和輻射強(qiáng)度高。其與設(shè)計(jì)要求相對(duì)應(yīng)，所以選擇該器件作為發(fā)射端。電路圖如圖2所示。

2.1.2 紅外接收模塊電路設(shè)計(jì)

紅外接收部分使用的是TFDU4100。TFDU4100的發(fā)射和接收是一體化的；它具有如下參數(shù)：供電電壓為6V，操作電壓范圍是2.5～5V，最低供電電流為1.3mA，通信速率為115.2Kbit/s。由電路圖可以看出，芯片電源引腳上拉一個(gè)47Ω的電阻再與5V電源相連，該電阻和C2、C3一起組成一個(gè)低通濾波器，用于濾掉電源自身的干擾。在電路板制作中，可盡量將C2、C3與TFDU4100的距離拉近，可有效抑制射頻噪聲。芯片SC引腳的作用是控制接收靈敏度，由于我們的設(shè)計(jì)是在有光環(huán)境下，所以將SC引腳懸空，即可實(shí)現(xiàn)有光環(huán)境的數(shù)據(jù)接收，且能保證不受燈光強(qiáng)度差異的影響。

圖2 發(fā)射模塊電路圖

圖3 接收模塊電路圖

■2.2 語音預(yù)處理

語音數(shù)據(jù)的預(yù)處理選擇做特定的濾波處理和前端放大，再實(shí)行精度標(biāo)準(zhǔn)高的AD采樣，即可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，便于在紅外通信裝置中傳送。數(shù)據(jù)采集可通過MIC輸入，也可通過3.5mm音頻孔輸入；由于MIC或3.5mm輸入的數(shù)據(jù)為低幅信號(hào)，所以需要一個(gè)放大電路對(duì)其進(jìn)行放大處理，放大器為TL082芯片。當(dāng)聲音輸入較大時(shí)，可用二級(jí)放大1～10倍，反之輸入較小時(shí)，使用一級(jí)放大100倍。使用的電源電壓為5V，電源旁的C14、C15、C20、C21四個(gè)電容可起到消除電源自身干擾的作用。

■2.3 信號(hào)編碼解碼

信道編碼解碼選擇高速單片機(jī)8051F020；將前端信號(hào)輸送到單片機(jī)的外部中斷，根據(jù)定時(shí)器的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，由此可判斷間隔時(shí)間，即可獲得數(shù)據(jù)；再將收集到的數(shù)字信號(hào)由單片機(jī)編碼成PWM波調(diào)制信號(hào)。由于高速單片機(jī)本身具有AD、DA，便于模擬量的接收和發(fā)送使用。

■2.4 溫度顯示

溫度顯示界面由于溫度信號(hào)數(shù)據(jù)較少，所以采用LCD1602，因其擁有接口簡單，直觀省電，可采用囚線或八方向式傳輸數(shù)據(jù)，只需兩三根控制線等優(yōu)點(diǎn)，正好適合設(shè)計(jì)需求。溫度采集電路如圖5所示。

圖5 溫度數(shù)據(jù)采集電路圖

■2.5 MCU控制單元

控制單元MCU選擇Silicon Labs公司制造的C8051f系列C8051f020單片機(jī)，其擁有精簡指令集，且內(nèi)部集成DAC、ADC等模塊，還擁有64位的FLASH儲(chǔ)存器，可大幅降低電路復(fù)雜程度，并節(jié)省成本。

圖4 語音處理部分電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 發(fā)射端程序設(shè)計(jì)

控制單元MCU上電后，首先對(duì)所用到的定時(shí)端口、中斷端口、AD端口實(shí)行初始化。接著MCU讀取發(fā)射端的溫度數(shù)據(jù)，定時(shí)125μs后進(jìn)行判斷，當(dāng)時(shí)間到達(dá)且數(shù)據(jù)讀取完成，則開始進(jìn)行AD采樣，采樣完成后將數(shù)據(jù)編碼然后發(fā)送，每12位溫度數(shù)據(jù)為一個(gè)循環(huán)。當(dāng)溫度數(shù)據(jù)解碼出現(xiàn)延時(shí)，則先完成解碼端操作，再進(jìn)行第二組溫度數(shù)據(jù)采集和發(fā)送指令。

圖6 發(fā)射端程序框圖

■3.2 接收端程序設(shè)計(jì)

控制單元MCU上電開起后，首先對(duì)需要使用的定時(shí)端口、中斷端口、DA端口實(shí)行初始化。然后開啟定時(shí)器2接收編碼信號(hào)，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，還原出原來的語音數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，語音信號(hào)直接輸出到3.5mm音頻口或音響設(shè)備，溫度數(shù)據(jù)則由LCD1602顯示器顯示；當(dāng)溫度數(shù)據(jù)沒有完全接受時(shí)，延遲顯示同時(shí)繼續(xù)讀取發(fā)送端數(shù)據(jù)。

圖7 接收端程序框圖

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用C51F020單片機(jī)作為MCU，使用紅外發(fā)射管和紅外接收管作為收發(fā)器件，配合編碼解碼程序，可將語音信號(hào)或3.5mm音頻輸入信號(hào)通過紅外光發(fā)送；由于收發(fā)器件的性能良好，單片機(jī)處理速度優(yōu)異，則可增加一路數(shù)字信道，實(shí)現(xiàn)了溫度音頻雙信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸；定向傳輸距離為2m，中繼轉(zhuǎn)向?yàn)?m；可實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)無明顯失真，溫度誤差幅度不大于2度；在兩塊單片機(jī)之間加入多個(gè)中繼器可實(shí)現(xiàn)多方向、長距離傳輸，理論上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將保持穩(wěn)定。

* [1]楊劍飛.基于光傳輸?shù)恼Z音播放系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連:工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016.06

* [2]許可行，劉延飛，羊帆.基于紅外的音頻數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電聲技術(shù)，2016.10