LIFI耳機(jī)_設(shè)計(jì)報(bào)告

1、北京交通大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心設(shè)計(jì)報(bào)告電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 報(bào) 告設(shè)計(jì)題目： Li-Fi耳機(jī)學(xué)院：專業(yè)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：任課教師：年月日 目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求11.1設(shè)計(jì)背景11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)11.3.評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)12 設(shè)計(jì)方案及論證22.1 方案分析32.2 具體電路設(shè)計(jì)42.3接收端電路設(shè)計(jì)63 制作及調(diào)試過程73.1 制作與調(diào)試流程73.2 遇到的問題與解決方法84 系統(tǒng)測試84.1 測試方案84.2 測試數(shù)據(jù)104.3 數(shù)據(jù)分析和結(jié)論115 系統(tǒng)使用說明115.1 系統(tǒng)外觀及接口說明115.2 系統(tǒng)操作使用說明126成本與效益評(píng)估137 總結(jié)137.

2、1 本人所做工作137.2 收獲與體會(huì)137.3 對(duì)本課程的意見與建議138 參考文獻(xiàn)141 設(shè)計(jì)任務(wù)要求1.1設(shè)計(jì)背景LiFi（LightFidelity）是一種利用可見光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o線通信技術(shù)，于2011年由英國愛丁堡大學(xué)的Harald Haas教授發(fā)明。該技術(shù)利用電信號(hào)控制發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的肉眼看不到的高速閃爍信號(hào)來傳輸信息，具有傳輸速度快、保密性好、安全無輻射等優(yōu)點(diǎn)，可以在正常照明的同時(shí)提供數(shù)據(jù)、音頻、視頻等無線通信服務(wù)。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)使用LED臺(tái)燈和光電二極管設(shè)計(jì)并制作一套Li-Fi耳機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分組成。發(fā)射機(jī)中的發(fā)射板通過音頻線與音頻播放裝置（

3、如MP3播放器、手機(jī)或計(jì)算機(jī)等）連接，對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行處理后驅(qū)動(dòng)經(jīng)過改造說明2的LED臺(tái)燈發(fā)光，在提供照明的同時(shí)利用臺(tái)燈發(fā)出的光線傳送信息。接收機(jī)中的光電二極管接收到的來自發(fā)射機(jī)的光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過接收板處理后將其還原為原始的音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)發(fā)聲輸出。1.3.評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)基本部分：（1）發(fā)射機(jī)具有白光照明功能，LED臺(tái)燈的驅(qū)動(dòng)電流說明4不小于100mA，輸出照明光線無肉眼可見閃爍（10分）（2）接收機(jī)應(yīng)能夠通過阻抗為832的立體聲耳機(jī)（左右兩只耳機(jī)應(yīng)均有輸出）播放發(fā)射機(jī)發(fā)送的音頻信息，輸出聲音質(zhì)量等級(jí)說明5不低于VI級(jí)。（25分）（3）發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的最大通信距離說明6不小于15

4、cm。（15分）（4）接收機(jī)耳機(jī)輸出應(yīng)同時(shí)包含發(fā)射機(jī)輸入的左、右兩個(gè)聲道的音頻信息，左、右聲道分別輸出（立體聲）或合成輸出（L+R）均可，兩聲道聲音大小保持原有比例。（10分）（5）系統(tǒng)供電方式及供電電壓不限，但發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的電源必須完全獨(dú)立，相互隔離。（6）測試時(shí)允許采用適當(dāng)?shù)恼诠獯胧┮员苊馔饨绻饩€對(duì)通信的干擾。提高部分：（1）提高照明亮度，LED臺(tái)燈的驅(qū)動(dòng)電流不小于200mA。（10分）（2）提高系統(tǒng)的聲音通信質(zhì)量說明5（40分）a) 接收機(jī)耳機(jī)輸出音頻信號(hào)聲音質(zhì)量等級(jí)為I級(jí)。（40分）b) 接收機(jī)耳機(jī)輸出音頻信號(hào)聲音質(zhì)量等級(jí)為II級(jí)。（25分）c) 接收機(jī)耳機(jī)輸出音頻信號(hào)聲音質(zhì)量等級(jí)為

5、III級(jí)。（20分）d) 接收機(jī)耳機(jī)輸出音頻信號(hào)聲音質(zhì)量等級(jí)為IV級(jí)。（10分）e) 接收機(jī)耳機(jī)輸出音頻信號(hào)聲音質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。（5分）（3）提高發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的最大通信距離說明6。（通信距離15cm以上每增加2cm給1分，不設(shè)上限）（4）接收機(jī)具有輸出音量調(diào)節(jié)功能（20分） a) 模擬音量調(diào)節(jié)：使用電位器旋鈕調(diào)節(jié)音量。（5分） b) 數(shù)字音量調(diào)節(jié)：使用“+”、“-”按鍵調(diào)節(jié)音量，每次按鍵音量增加或減小1級(jí)，總共不少于8級(jí)。（12分） c) 數(shù)字音量調(diào)節(jié)及顯示：使用“+”、“-”按鍵調(diào)節(jié)音量，每次按鍵音量增加或減小1級(jí)，總共不少于8級(jí)，當(dāng)前音量等級(jí)通過數(shù)碼管或液晶顯示器顯示。（20分）（5）接

6、收機(jī)具有接收指示功能，即當(dāng)接收機(jī)接收到來自發(fā)射機(jī)發(fā)出的光信號(hào)并成功建立通信時(shí)點(diǎn)亮一個(gè)指示燈，未接收到發(fā)射機(jī)的信號(hào)時(shí)指示燈熄滅。（15分）（6）接收機(jī)具有輸出靜噪功能，即僅當(dāng)其接收到發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)時(shí)輸出音頻信號(hào)，未接收到發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)時(shí)輸出靜音，不會(huì)發(fā)出噪聲。（15分）（7）系統(tǒng)具有抗干擾能力，在周圍環(huán)境存在日光（非直射）或手電筒、室內(nèi)燈光（50Hz頻閃）照射情況下仍能正常通信，接收機(jī)輸出音質(zhì)不受影響。（20分）（8）發(fā)射機(jī)完全采用USB電源（含移動(dòng)電源）（DC +5V輸出，使用標(biāo)準(zhǔn)USB接口）或LED臺(tái)燈內(nèi)部原有電池（DC+4V）供電（保持LED臺(tái)燈原有充電功能）。（15分）（9）接收機(jī)完

7、全采用干電池（單電源，供電電壓最高不超過6V）或移動(dòng)電源（DC +5V輸出）供電。（15分）（10）其他有實(shí)際意義的新功能、性能提高、顯著的低功耗、低成本等。2 設(shè)計(jì)方案及論證2.1 方案分析 發(fā)射機(jī)中的發(fā)射板通過音頻線與音頻播放裝置連接，輸入的信號(hào)分為左右兩個(gè)聲道，經(jīng)過加法器和放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相加和放大，再通過調(diào)頻之后通過驅(qū)動(dòng)電路使LED燈發(fā)光傳遞信息。接收機(jī)中的光電二極管接收到的來自發(fā)射機(jī)的光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過接收板處理后將其還原為原始的音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)發(fā)聲輸出。2.2 具體電路設(shè)計(jì)圖表 1發(fā)送端整體電路2.2.1加法放大電路信號(hào)經(jīng)過音頻接分為左右兩個(gè)聲道，接收到信號(hào)之后先把他

8、們相加，采用LM324AD芯片實(shí)現(xiàn)加法和放大。2.2.2調(diào)制部分圖表 2鎖相環(huán)電路為了降低噪音干擾，我們要將信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻，將我們需要的信號(hào)搬移到高頻進(jìn)行傳輸。調(diào)制部分使用鎖相環(huán)電路和晶振共同完成， 具體原理晶振產(chǎn)生的振蕩頻率波和VCO的輸出一起作為鑒相器的輸入，鑒相器通過相位的比較后輸出然后經(jīng)過設(shè)計(jì)好的環(huán)路濾波器，再利用加法器與調(diào)制信號(hào)相加，共同輸入到壓控振蕩器，控制其輸出頻率，達(dá)到頻率調(diào)制的效果。輸入信號(hào) Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進(jìn)行放大、整形后加到相位比較器、的輸入端，圖3開關(guān)K撥至2腳，則比較器將從3腳輸入的比較信號(hào)Uo與輸入信號(hào)Ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓U則反映

9、出兩者的相位差。U經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號(hào)頻率f1。VCO的輸出又經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較器，繼續(xù)與Ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2f1，兩者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定。圖表 3晶振電路載波使用晶振提供，我們選取的是4MHZ的晶振，經(jīng)過五分頻后輸出125KHZ的方波信號(hào)作為載波信號(hào)。2.2.3驅(qū)動(dòng)電路我們采用兩級(jí)共射驅(qū)動(dòng)電路，可使得通過LED燈的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到200mA以上，且基極電流較小，不會(huì)對(duì)解調(diào)部分造成干擾。2.3接收端電路設(shè)計(jì)圖表 4接收端整體電路2.3.1感光部分光電二極管由LED燈發(fā)出的

10、光信息產(chǎn)生電流信號(hào)，我們用一個(gè)較大的電阻將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),然后再進(jìn)行相應(yīng)的處理。2.3.2放大部分由光電二極管感光而來的信號(hào)十分的微弱，所以必須對(duì)進(jìn)行高倍的放大，考慮到增益帶寬積的限制，我們這里采用二級(jí)放大，理論上來說，這兩級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)在一起能夠達(dá)到940倍的放大效果，但考慮到實(shí)際，放大倍數(shù)有一些偏差，只能達(dá)到400倍左右。2.3.3解調(diào)部分與調(diào)制部分相同，我們這里采用CD4046芯片利用鎖相環(huán)的特性進(jìn)行解調(diào)，將我們需要的音頻信號(hào)提取出來。當(dāng)從14腳輸入一倍信號(hào)調(diào)制的（中心頻率與CD4046的VCO的中心頻率相同）調(diào)頻信號(hào)，則相位比較器輸出端將輸出一個(gè)與信號(hào)具有相同變化頻率的包絡(luò)信號(hào)，經(jīng)低

11、通濾波器濾去載波后，即剩下調(diào)頻信號(hào)解調(diào)后的信號(hào)了。一般使用PCI，這時(shí)僅由R1和C1確定VCO的中心頻率f0，而不用R2來收縮頻率范圍（其為無窮大）。2.3.4功放電路 輸出左右聲道信號(hào)，播放音樂。3 制作及調(diào)試過程3.1 制作與調(diào)試流程3.1.1發(fā)射端制作與調(diào)試 第一步，先焊接USB接口以便能提供電源檢測。 第二步，焊接音頻接口和加法放大電路，然后輸入聲音信號(hào)在輸出端接上示波器觀察波形。 第三步，焊接晶振電路，用示波器對(duì)輸出進(jìn)行測試，得到125KHZ的方波，可知晶振電路沒有問題。 第四步，焊接加法器和鎖相環(huán)電路，然后將總電路級(jí)聯(lián)，給入一個(gè)音頻輸入信號(hào)，在鎖相環(huán)的VCO輸出端用示波器進(jìn)行觀察，

12、方波產(chǎn)生以125kHZ為中心頻率產(chǎn)生震蕩并且有偏壓正負(fù)25v左右，并用萬用表對(duì)CD4046的1管腳的電壓進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)電壓為5V左右，所以鎖相環(huán)成功鎖住并成功調(diào)頻，調(diào)制部分完成。第五步，焊接驅(qū)動(dòng)電路，然后利用信號(hào)發(fā)生器對(duì)電路進(jìn)行測試，若LED燈能夠?qū)π盘?hào)的頻率及幅度做出相應(yīng)的反應(yīng)，則驅(qū)動(dòng)電路部分完成。將所有單元電路按照規(guī)則連接起來，至此，發(fā)射板的焊接及調(diào)試工作基本完成。3.1.2接收端的制作與調(diào)試第一步：焊接USB電源接口提供電源。第二步：焊接感光部分的電路，此部分信號(hào)強(qiáng)度過小，所以暫且不進(jìn)行測試。第三步：焊接放大部分的電路，并利用發(fā)射板的LED燈進(jìn)行測試，若示波器能在輸出端檢測到相應(yīng)的波形，

13、則感光和放大部分的電路無誤。第四步：焊接解調(diào)部分電路，并與之前的電路連接起來，利用信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行檢測，利用示波器得到規(guī)則波形，解調(diào)部分完成。第五步：焊接音頻接口，至此，接收板的焊接調(diào)試工作基本完成。3.2 遇到的問題與解決方法問題一：鎖相環(huán)鎖不住 原因：有一個(gè)應(yīng)該接地的管腳沒有接地，調(diào)頻不成功 解決：將管腳接地問題二：焊接不熟練 原因：原理和作用都相同的電路圖，有的小組能實(shí)現(xiàn)更好的功能，我們?cè)谏厦婊ㄙM(fèi)了很長時(shí)間而且經(jīng)常出現(xiàn)問題。解決：重復(fù)操作。4 系統(tǒng)測試4.1 測試方案用音頻線將手機(jī)音樂作為輸入進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢測。在驅(qū)動(dòng)電路中，利用萬用表測得驅(qū)動(dòng)電流大約為220毫安，并且LED照明良好，沒有

14、肉眼可見的閃爍。將接收板的光電二級(jí)管近距離對(duì)準(zhǔn)LED燈，發(fā)現(xiàn)指示燈燈亮，利用耳機(jī)可在發(fā)射板上聽見音樂，音質(zhì)良好。然后緩慢的將發(fā)射板往遠(yuǎn)離LED燈的方向進(jìn)行移動(dòng)，直到不能聽清音樂，此時(shí)光電二極管到LED燈的距離大約為20厘米。除此之外，本系統(tǒng)全部由USB電源供電，接收板的接收性能不受其他正常燈光的影響。圖表 5整體系統(tǒng)測試圖表 6晶振產(chǎn)生125KHZ方波圖表 7鎖相環(huán)調(diào)試4.2 測試數(shù)據(jù)發(fā)送端放大電路輸出電壓1VCD4060芯片的八分頻管腳進(jìn)行示波器測試125kHZ的方波信號(hào)CD4046芯片1管腳電壓5V整個(gè)系統(tǒng)通信距離測試20厘米4.3 數(shù)據(jù)分析和結(jié)論晶振符合期望，可以作為載波頻率使用；鎖相環(huán)

15、關(guān)機(jī)電壓5V,說明成功鎖??；20厘米為系統(tǒng)進(jìn)行通信最大距離，超過這個(gè)距離無法通信。5 系統(tǒng)使用說明5.1 系統(tǒng)外觀及接口說明 上角為USB接口，為系統(tǒng)供電。左下方為音頻接口，輸入聲音信號(hào)。右上方接口可以接LED燈以及電流的測試。右上方為USB電源接口，左下方是光電二極管，用于感光產(chǎn)生電流信號(hào)。右上方即為音頻接口，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí)，可插入耳機(jī)收聽傳輸過來的音頻信息。5.2 系統(tǒng)操作使用說明給發(fā)射端與接收端USB供電，給發(fā)射端接入音頻信號(hào)，將臺(tái)燈對(duì)準(zhǔn)接收端的發(fā)光二極管，帶上耳機(jī)便能聽到傳輸過來的音頻。6成本與效益評(píng)估元件價(jià)格TLV2464芯片X224CD4046芯片X24CD4060芯片X12

16、8050三極管X22電阻1電容1成本34（元）7 總結(jié)7.1 本人所做工作分頻器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，發(fā)送端和接收端電路設(shè)計(jì)討論，電路板的焊接調(diào)試。7.2 收獲與體會(huì)通過接近一個(gè)月的辛苦努力，終于成功做出來一個(gè)屬于自己的實(shí)物作品，加深了我對(duì)課堂理論知識(shí)的學(xué)習(xí)運(yùn)用，從最開始的滿頭霧水，到實(shí)物的一步步的實(shí)現(xiàn)，既磨煉了我的耐心，又增強(qiáng)了自信心，同時(shí)也加深了和同學(xué)們的了解，體驗(yàn)到團(tuán)體的力量。7.3 對(duì)本課程的意見與建議電子設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的提高實(shí)踐能力的平臺(tái)，通過這門課程能夠很好的鍛煉我們動(dòng)手能力。我希望這門課程能夠提供更多的自我發(fā)揮空間，題目要求希望能夠比較廣泛，目前的設(shè)計(jì)雖然每個(gè)組的電路都不甚相同，但是大部分基本都差不多，提供更廣泛的題目，既能讓