基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計(發(fā)射部分)

1、大連海事大學(xué)裝訂線畢 業(yè) 論 文二一四年六月 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（發(fā)射部分） 專業(yè)班級： 通信工程2班 姓 名： 趙曉明 指導(dǎo)教師： 譚克俊 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 摘 要 紅外通信技術(shù)是當今被廣泛采用的短距離無線通信技術(shù)。本文在簡單介紹紅外協(xié)議基本原理的基礎(chǔ)上，重點論述了采用STM32平臺來實現(xiàn)一套紅外通信系統(tǒng)發(fā)射部分的具體工作原理及實現(xiàn)方法。本紅外通信系統(tǒng)發(fā)射部分由前置模擬信號調(diào)理電路、STM32F103ZETT6片內(nèi)AD設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換部分、溫度采集模塊和紅外發(fā)射驅(qū)動電路組成。前置模擬信號調(diào)理電路可將MIC、音樂和正弦波形3種模擬信號電壓調(diào)節(jié)至0至3.3V，配合STM32平臺的片內(nèi)

2、AD將3種模擬信號數(shù)字化。得到的數(shù)字信號發(fā)送至紅外發(fā)射驅(qū)動電路，利用紅外發(fā)光管，實現(xiàn)信號的定向傳輸。STM32平臺的片內(nèi)AD可達到較高的采樣率，完成語音信號的高質(zhì)量采樣。在發(fā)送語音信號的同時，通過STM32平臺上DHT11模塊得到的溫度信息可與語音信號采用信道時分復(fù)用的方式進行傳輸，每8秒傳輸一次溫度信息。本紅外光通信裝置發(fā)射部分實現(xiàn)了語音模擬信號與溫度數(shù)字信號的發(fā)送，傳輸距離達到2m,配合中繼轉(zhuǎn)接部分可將信號完成90度變換，且接收端的語音無明顯失真。 關(guān)鍵詞：紅外通信；STM32平臺；AD采樣率；時分復(fù)用 ABSTRACTInfrared communication technology i

3、s the short distance wireless communication technology is widely applied today. In this paper, on the basis of simple introduction to basic principle of infrared protocol, mainly discusses the STM32 platform to implement a set of infrared communication system is part of the working principle and imp

4、lementation method.The infrared communication system launch part by the front analog signal conditioning circuit, STM32F103ZETT6 chip AD part design of the A/D conversion, temperature acquisition module and infrared emission of driving circuit. Front analog signal conditioning circuit to MIC, music

5、and sine waveform three analog signal voltage regulation to 0 to 3.3 V, coordinates the STM32 platform on chip AD will be three kinds of digital analog signal. Get digital signal sent to the infrared emission of the drive circuit, using infrared light-emitting tube, realize the directional transmiss

6、ion of signals. STM32 platform on chip AD can achieve high sampling rate, to complete the high quality of the voice signal sampling. At the same time of sending voice signal, temperature information is obtained by STM32 platform DHT11 module can be used with voice signal channel of time-division mul

7、tiplexing transmission in the form of information transmission every 8 seconds a temperature.The infrared emission part implements the communication devices voice analog signals and temperature digital signal send and transmission distance to 2 m, part with relay switching signal can be 90 degree tr

8、ansformation, and the voice has no obvious distortion at the receiving end.Keywords:Infrared communication,STM32 platform,The AD sampling rate,Time-division multiplexing 目 錄第1章 緒論11.1 紅外通信簡介11.2 國內(nèi)外紅外通信的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1 國外現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀21.3 紅外通信的特點31.4 紅外通信的用途31.5 主要工作3第2章 紅外通信標準協(xié)議與接口器件52.1 紅外通信標準協(xié)議52.1.1

9、Irda 標準62.1.2 Irda 技術(shù)標準的發(fā)展62.2 紅外通信的接口器件7第3章 STM32平臺與Altium Designer83.1 STM32平臺簡介83.1.1 STM32平臺資源83.1.2 本系統(tǒng)所用到的硬件介紹113.2 Altium Designer簡介12第4章 紅外光通信系統(tǒng)硬件設(shè)計134.1 紅外光通信系統(tǒng)的組成134.2 發(fā)射部分設(shè)計144.3 MIC偏置電路144.4 前置模擬信號調(diào)理電路154.5 信號處理單元174.5.1 AD部分174.5.2 DHT11模塊174.5.3 串口發(fā)送模塊184.6 紅外發(fā)射電路18第5章 紅外光通信系統(tǒng)軟件設(shè)計215.1

10、 軟件平臺RVMDK3.80A介紹215.2 程序設(shè)計225.2.1 AD部分程序225.2.2 定時器部分程序25第6章 系統(tǒng)調(diào)試與總結(jié)276.1 紅外光通信系統(tǒng)各組成部分276.2 測試286.3 結(jié)論30參考文獻31致 謝32IV 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（發(fā)射部分）基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（發(fā)射部分）第1章 緒論1.1 紅外通信簡介隨著便攜式通信設(shè)備的興起，無線接入技術(shù)得到了廣泛的重視。已有的無線通信技術(shù)包括紅外、微波、無線電、藍牙等技術(shù)。紅外數(shù)據(jù)通信指的是兩臺設(shè)備之間通過紅外線進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N數(shù)據(jù)傳輸方式，一般采用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒介。發(fā)送

11、設(shè)備將基帶二進制信號調(diào)制成一系列的脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。接收設(shè)備將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過放大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進行解調(diào)，還原為二進制數(shù)字信號后輸出。常用使用調(diào)節(jié)脈沖寬度來實現(xiàn)信號調(diào)制的脈寬調(diào)制（PWM）和調(diào)節(jié)脈沖串之間的時間間隔來實現(xiàn)信號調(diào)制的脈時調(diào)制（PPM）這兩種方法。 簡而言之，紅外通信的實質(zhì)就是對二進制數(shù)字信號進行調(diào)制與解調(diào)，以便用紅外信道進行傳輸；紅外通信接口是針對紅外信道的調(diào)制解調(diào)器【1】。1.2 國內(nèi)外紅外通信的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外現(xiàn)狀軍用領(lǐng)域： 紅外技術(shù)已廣泛應(yīng)用于陸、海、空各軍兵種，其中紅外成像精確制導(dǎo)是各國紅外技

12、術(shù)應(yīng)用的主流方向之一。紅外成像制導(dǎo)技術(shù)是由美國人從60年代初開始研創(chuàng)。在歐、美發(fā)達國家，非消耗性紅外成像制導(dǎo)（指揮、預(yù)警和火控）系統(tǒng)的列裝率較高，幾乎軍用（警用）艦船上、飛機上、戰(zhàn)車上和重要的地面陣地都裝備了大量的紅外成像設(shè)備，并發(fā)揮了相當重要的作用。  根據(jù)國際光學(xué)學(xué)會（SPIE）估計，目前全球軍用紅外熱像儀的實際年需求至少為30 億美元。民用領(lǐng)域： 根據(jù)美國Maxtech International 發(fā)布的紅外市場報告， 2006年全球民用紅外熱像儀的銷售額為16.3億美元，幾年來，全球民用紅外熱像儀市場需求年均增長率已

13、超過了15%，預(yù)計2010 年全球民用紅外熱像儀市場供給將達到28億美元。 全球民用紅外熱像儀市場的供給和需求趨勢:由于紅外技術(shù)具有很高的軍用和民用價值，近年來國外主要廠家紛紛在核心器件及系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程中加大投入和研發(fā)的力度。1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀軍用領(lǐng)域： 由于紅外技術(shù)能比較全面地滿足軍事應(yīng)用上的各種需求，因而紅外技術(shù)也是當今國內(nèi)競相發(fā)展的重點技術(shù)之一。  目前我國軍隊中紅外熱像儀應(yīng)用的相對較少，按照我國政府發(fā)布的2006年中國的國防白皮書，我國軍隊的人員數(shù)量為230萬人，如果未來我軍 10%的部隊裝備紅外熱像儀，則我國軍用紅外

14、熱像儀市場容量就可達到23萬套，以每套5萬元（目前大部份軍用紅外熱像儀實際售價遠超過10萬元）來計算，其市場需求量可達115億元。 民用領(lǐng)域： 紅外熱像儀在我國應(yīng)用于安防、消防、電力、建筑等行業(yè)領(lǐng)域目前還處于起步階段，發(fā)展空間巨大，未來市場空間將超過軍用需求。 由于國內(nèi)經(jīng)濟高速發(fā)展，中國紅外熱像儀市場的年均增長率將達到甚至超過20%，預(yù)計2011年中國民用紅外熱像儀市場的需求量可以達到9.95億元。若考慮到新的應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)，其實際的市場需求總量將可能超過這一預(yù)測。 目前國產(chǎn)紅外熱像儀的產(chǎn)品性能已經(jīng)基本接近進口產(chǎn)品，但由于品牌影響力等原因，價格只是進口產(chǎn)

15、品的一半。 紅外熱像儀的核心部件主要靠進口，核心技術(shù)受制于人。國內(nèi)企業(yè)的競爭力主要體現(xiàn)在總體技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)、后續(xù)電路、圖像處理軟件等方面。當然、人才、管理、市場也是競爭力的一部分【2】。1.3 紅外通信的特點紅外通信技術(shù)是目前被廣泛使用的一種無線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺所支持，其主要特點： （1） 通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)； （2） 主要是用來取代點對點的線纜連接； （3） 新的通訊標準兼容早期的通訊標準；  （4） 小角度（30度錐角以內(nèi)），短距離，點對點直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強； 

16、（5） 傳輸速率較高，目前4M速率的FIR技術(shù)已被廣泛使用，16M速率的VFIR技術(shù)已經(jīng)發(fā)布【3】。1.4 紅外通信的用途紅外通信技術(shù)常被應(yīng)用在計算機及其外圍設(shè)備、移動電話、數(shù)碼相機、工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，如調(diào)制解調(diào)器等。 但因為紅外通信具有通訊距離短，在通訊過程中不能移動，遇障礙物通訊中斷、傳輸速率較低等的缺點，主要目的是取代線纜連接進行無線數(shù)據(jù)傳輸。1.5 主要工作制作紅外光通信系統(tǒng)發(fā)射部分，與紅外光通信系統(tǒng)的接收部分配合完成基本的通信。發(fā)射部分要使輸入端的MIC、音樂和正弦波形3種模擬信號正確傳輸，并要求輸出端收到的聲音無明顯失真。同時檢測環(huán)境的溫度，使之與3種模擬

17、信號采用時分復(fù)用的方式發(fā)送到輸出端。傳輸距離達到2m，并有中繼轉(zhuǎn)接部分，完成信號傳輸方向90度的變換。第2章 簡要介紹了紅外通信標準和紅外接收器件。第三章簡要介紹了STM32平臺和Altium Designer。第四章在簡單介紹紅外通信系統(tǒng)總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，重點論述了發(fā)射部分硬件設(shè)計的功能及原理。第五章論述了紅外通信系統(tǒng)發(fā)射部分的軟件設(shè)計。第六章簡單介紹了整個紅外光通信系統(tǒng)實物，重點描述了實際檢測的現(xiàn)象與結(jié)果。第2章 紅外通信標準協(xié)議與接口器件2.1 紅外通信標準協(xié)議紅外線接口的標準由 IrDA（InfraRed Data Association，紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會）制定的，現(xiàn)在很多資料和書籍上都

18、稱紅外線接口為 IrDA。 IrDA 是一種利用紅外線進行點對點通信的技術(shù)，它也許是第一個實現(xiàn)無線個人局域網(wǎng)的技術(shù)。目前它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動設(shè)備，如 PDA、手機上廣泛使用。事實上，當今每一個出廠的 PDA 及許多手機、筆記本電腦、打印機等產(chǎn)品都支持 IrDA。 IrDA 的主要優(yōu)點是無需申請頻率的使用權(quán)，因而紅外通信成本低廉。它還具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點。由于數(shù)據(jù)傳輸率較高，適于傳輸大容量的文件和多媒體數(shù)據(jù)。此外，紅外線發(fā)射角度較小，傳輸上安全性高。IrDA 的不足在于它是一種視距傳輸，2 個相互通信的設(shè)備之間必須對準，中間不能被其它物體阻隔，

19、因而該技術(shù)只能用于 2 臺（非多臺）設(shè)備之間的連接。而藍牙就沒有此限制，且不受墻壁的阻隔。 IrDA 目前的研究方向是如何解決視距傳輸問題及提高數(shù)據(jù)傳輸率。Irda協(xié)議棧是紅外通信的核心,它規(guī)定了進行紅外通信雙方從硬件到軟件的統(tǒng)一通信規(guī)范,使各個提供紅外通信相應(yīng)產(chǎn)品的廠商遵守統(tǒng)一的規(guī)范來生產(chǎn)產(chǎn)品,從而促進紅外通信的發(fā)展。紅外協(xié)議棧與TCP/IP協(xié)議棧一樣,管理整個通信過程。它被劃分成幾層,各層除有自己的一套管理職責外,還與上下層之間聯(lián)系緊密,可以互相調(diào)用,將各協(xié)議層疊起來就成了協(xié)議棧。Irda是一套層疊的專門針對點對點紅外通信的協(xié)議【4】。紅外數(shù)據(jù)通信協(xié)議簇由必要協(xié)議和可選協(xié)議兩部分組成,必要

20、協(xié)議包括物理層、紅外鏈路建立協(xié)議、紅外鏈路管理協(xié)議和信息獲取服務(wù),依據(jù)各種特殊應(yīng)用需求可選配流傳輸協(xié)議、對象交換協(xié)議、模擬串口層和局域網(wǎng)訪問協(xié)議【5】。2.1.1 Irda 標準IrDA 標準主要分為兩種類型，即“IrDA Data”和“IrDA Control”。其中 IrDA Data 主要用于與其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)。而 IrDA Control 則主要用于與人機接口設(shè)備（HID）通信，如鍵盤、鼠標器等。 IrDA Data 的傳輸距離為 0.2至1 米，傳輸速度為 9600bps至16Mbps。IrDA Control的傳輸距離為 8 米，傳輸速度為 75Kbps【6】。2.1.2 Irda

21、 技術(shù)標準的發(fā)展IrDA 于 1994 年發(fā)表了 IrDA 1.0，簡稱為 SIR（Serial InfraRed），是一種非同步、半雙工紅外通信方式。SIR 的實現(xiàn)基于 UART，是在計算機的 UART 上擴展紅外線編譯碼器和紅外收發(fā)器構(gòu)成的。 SIR 的傳輸速率取決于 UART，最高傳輸速率受到 UART 的限制，最高為115.2Kbps，發(fā)射接收角度為 30 度。是由于它基于 UART，SIR 的成本較低。 在 SIR 之后，IrDA 于 1996 年發(fā)布了 IrDA 1.1，即 FIR（Fast InfraRed），F(xiàn)IR不再基于 UART，而是直接連接在計算機總線，它的性能也就不受制

22、于 UART的性能了。FIR 的數(shù)據(jù)傳輸速率最高為 4Mbps。FIR 仍然支持 SIR 的傳輸模式，與 SIR 向下兼容，當 FIR 設(shè)備與 SIR 設(shè)備通信時，使用 SIR 的速率和調(diào)制模式。只有通信雙方都支持 FIR 的 4Mbps 速率時，才將通信速率設(shè)定在 4Mbps。 2001 年 IrDA 發(fā)布了最高通信速率為 16Mbps 的 VFIR（Very Fast InfraRed）標準。VFIR 設(shè)備兼容 SIR 和 FIR 設(shè)備。 AIR（Advanced InfraRed）是 IrDA 針對藍牙技術(shù)的競爭發(fā)布的一個多點連接紅外線規(guī)范，它的優(yōu)點是其傳輸距離和發(fā)射接收角度的改進。在

23、4Mbps 通信速率下其傳輸距離可以達到 4 米，在更低速率下傳輸距離可以達到 8 米。AIR 規(guī)范的發(fā)射接收角度為 120 度。更重要的是它支持多點連接，其他的 IrDA 規(guī)范都只支持點對點連接。 由于紅外接口主要使用在便攜設(shè)備，這類設(shè)備通常對功耗要求很高，為了降低設(shè)備的功耗，IrDA 發(fā)布了低功耗的 IrDA1.2 和 IrDA1.3，但同時縮短了傳輸距離，傳輸距離為 0.2至0.3 米。這兩個標準分別是 SIR 和 FIR 的低功耗版本【7】。 2.2 紅外通信的接口器件紅外接口芯片主要分為紅外編碼器和紅外收發(fā)器兩類。目前的大多數(shù)筆記本和掌上電腦都配有紅外線接口，但在臺式計算機上使用紅外

24、接口多都需要擴展紅外線接口。在臺式計算機上擴展紅外接口的最簡單方法是使用 USB 接口紅外適配器。由于 Windows 操作系統(tǒng)已經(jīng)全面支持紅外協(xié)議，通過紅外適配器可以方便的與紅外設(shè)備實現(xiàn)連接。 紅外線接口器件主要包括以下幾類： 紅外編解碼器：一般連接計算機系統(tǒng)的 UART，實現(xiàn)異步串行信號和紅外調(diào)制信號之間的轉(zhuǎn)換，這一類器件大多是 SIR 標準。主要的產(chǎn)品有 HP 公司的HSDL-7001、Microchip 公司的 MCP2120、TI 公司的 TIR1000 等； 紅外收發(fā)器：用于發(fā)送和接收紅外線信號的器件，主要是集成了紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管。主要的產(chǎn)品有安捷倫（Agilent

25、Technologies）公司的HSDL-1001 和 HSDL-3201 等； 紅外協(xié)議處理器：包括紅外編解碼器和紅外協(xié)議軟件的器件，如 Microchip公司的 MCP 2150/2155，它的硬件接口和紅外編解碼器件類似，但具備 IrDA 的協(xié)議控制； 紅外橋器件：用于實現(xiàn) IrDA 接口與其他接口的變換。如 SigmaTel 公司的USB-IrDA 橋 STIr4200，實現(xiàn) IrDA 與 USB 的接口信號和協(xié)議轉(zhuǎn)換【8】。 第3章 STM32平臺與Altium Designer3.1 STM32平臺簡介3.1.1 STM32平臺資源本紅外光通信系統(tǒng)的發(fā)射部分基于STM32開發(fā)平臺，

26、采用的ALIENTEK戰(zhàn)艦STM32開發(fā)板如圖3.1所示： 圖3.1 戰(zhàn)艦STM32 開發(fā)板圖ALIENTEK戰(zhàn)艦STM32開發(fā)板選擇STM32F103ZETT6作為MCU，該芯片在STM32F103系列里面配置非常強大，它擁有的資源包括：64KB SRAM、512KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用IO口。該芯片的配置十分強悍，并且還帶外部總線（FSMC）可以用來外擴SRAM和連接LCD

27、等，通過FSMC驅(qū)動LCD，可以顯著提高LCD的刷屏速度。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當

28、于0.5mA/MHz【9】。STM32103系列特點：（1）內(nèi)核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。（2）存儲器：片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器。（3）時鐘、復(fù)位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測器（PVD）。4-16MHz的晶振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路。內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準用于RTC的32kHz的晶振。（4）低功耗：3種低功耗模式：休眠，停止，待機模式。為

29、RTC和備份寄存器供電的VBAT。（5）調(diào)試模式：串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口。（6）DMA：12通道DMA控制器。支持的外設(shè)：定時器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。（7）2個12位的us級的A/D轉(zhuǎn)換器（16通道）：A/D測量范圍：0-3.6 V。雙采樣和保持能力。片上集成一個溫度傳感器。（8）2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE獨有。最多高達112個的快速I/O端口：根據(jù)型號的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16個外部中斷向量。除了模擬輸入，所有的都可以接受5V以內(nèi)的輸入

30、。（9）最多多達11個定時器：4個16位定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數(shù)器。2個16位的6通道高級控制定時器：最多6個通道可用于PWM輸出。2個看門狗定時器（獨立看門狗和窗口看門狗）。Systick定時器：24位倒計數(shù)器。2個16位基本定時器用于驅(qū)動DAC。（10）最多多達13個通信接口：2個IIC接口（SMBus/PMBus）。5個USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調(diào)試控制）。3個SPI接口（18 Mbit/s），兩個和IIS復(fù)用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。基于STM32103系列如此多的特點和功能，本系統(tǒng)選擇

31、了STM32平臺，圖3.2為MCU部分原理圖。圖3.2 MCU部分原理圖3.1.2 本系統(tǒng)所用到的硬件介紹為了實現(xiàn)紅外光通信系統(tǒng)發(fā)射部分的功能，用到了許多STM32開發(fā)板的功能。這里著重介紹以下幾部分。（1）JTAG/SWD這是ALIENTEK戰(zhàn)艦STM32開發(fā)板板載的20針標準JTAG調(diào)試口（JTAG），該JTAG口直接可以和ULINK、JLINK或者STLINK等調(diào)試器（仿真器）連接，同時由于STM32支持SWD調(diào)試，這個JTAG口也可以用SWD模式來連接。用標準的JTAG調(diào)試，需要占用5個IO口，有些時候，可能造成IO口不夠用，而用SWD則只需要2個IO口，大大節(jié)約了IO數(shù)量，但達到的效

32、果是一樣的。在調(diào)試程序的過程中利用JTAG/SWD調(diào)試方法既縮短調(diào)試時間，又便于調(diào)試，方便檢錯。（2） DS18B20/DHT11接口本系統(tǒng)中需要測量環(huán)境的溫度，因此用到了DHT11模塊，開發(fā)板上正好也有該接口電路，方便了溫度測試的實現(xiàn)。開發(fā)板的一個復(fù)用接口DTH11接口，該接口由4個鍍金排孔組成，可以用來接DS18B20/DS1820等數(shù)字溫度傳感器。也可以用來接DHT11這樣的數(shù)字溫濕度傳感器。實現(xiàn)一個接口，2個功能。（3） AD部分本系統(tǒng)需要將接收到的語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，因此用到了STM32片內(nèi)的AD。片內(nèi)的12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有多達18個通道，可測量16個

33、外部和2個內(nèi)部信號源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。 （4） 板上的電源模塊開發(fā)板上有3.3V和5V的電源輸入輸出接口，通過接通可以使STM32工作，亦可以引線給后續(xù)電路作為電源。（5） LED指示燈系統(tǒng)工作時，不好估計當前運行到程序的哪個部分，通過設(shè)置LED燈的亮滅，可以清晰的觀察程序的運行狀態(tài)。比如，在本系統(tǒng)中用綠燈亮滅表示正在發(fā)送溫度信號。（6） 串口模塊戰(zhàn)艦STM32在本系統(tǒng)中主要作為處理單元，真正的處理完的數(shù)據(jù)還要發(fā)送給紅外驅(qū)動電路，通過串口模塊就可以方便準確的發(fā)送數(shù)字信號。3.2 Altium De

34、signer簡介本設(shè)計中除了利用STM32平臺現(xiàn)有的資源，還需設(shè)計前置模擬信號調(diào)理電路、紅外發(fā)射驅(qū)動電路才能完成發(fā)射信息的工作。因此需要一款設(shè)計硬件電路的軟件。本設(shè)計采用的Altium Designer是一款優(yōu)秀硬件電路設(shè)計平臺。Altium Designer 是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運行在Windows XP操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計者提供了全新 的設(shè)計解決方案，使設(shè)計者可以輕松進行設(shè)計，熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計的質(zhì)量和效率大大提高

35、。Altium Designer 除了全面繼承包括Protel 99SE、Protel DXP在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點外，還增加了許多改進和很多高端功能。該平臺拓寬了板級設(shè)計的傳統(tǒng)界面，全面集成了FPGA設(shè)計功能和SOPC設(shè) 計實現(xiàn)功能，從而允許工程設(shè)計人員能將系統(tǒng)設(shè)計中的FPGA與PCB設(shè)計及嵌入式設(shè)計集成在一起。 由于Altium Designer 在繼承先前Protel軟件功能的基礎(chǔ)上，綜合了FPGA設(shè)計和嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計功能，Altium Designer 對計算機的系統(tǒng)需求比先前的版本要高一些【10】。Altium Designer的主要功能包括:原理圖設(shè)計,印刷電路板設(shè)計

36、,FPGA的開發(fā),嵌入式開發(fā) 等等。第4章 紅外光通信系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1 紅外光通信系統(tǒng)的組成 紅外光通信系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖4.1 所示，包括語音信號采集處理、紅外發(fā)射裝置、紅外接收裝置和語音信號接收處理四部分組成。 紅外信號 采集接收 紅外發(fā)射 裝置 紅外接收 裝置 語音信號 接收處理圖4.1 系統(tǒng)總體方案框圖（1） 語音信號采集處理模塊由信號采集及前置模擬信號調(diào)理電路組成。信號可從麥克、MP3 播放器和低頻信號發(fā)生器輸入，前置模擬信號調(diào)理電路能夠調(diào)節(jié)語音信號偏置電壓和放大倍數(shù)。（2）紅外發(fā)射裝置由STM32F103ZETT6片內(nèi)AD設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換部分、溫度采集部分和紅外發(fā)射驅(qū)動電路組成。

37、設(shè)置A/D 采樣頻率大于語音信號最高頻率兩倍以上，并對其進行PCM 編碼，將模擬信號數(shù)字化，通過單片機傳送給紅外發(fā)光管，從而發(fā)射出去。紅外發(fā)光管驅(qū)動使用PNP 型三極管8550 構(gòu)成放大電路，給發(fā)光管提供合適的電流，提高信號發(fā)射功率，保證通信距離2m 的要求。（3）紅外接收裝置包括紅外通訊模塊、D/A 變換及濾波放大電路。紅外通信模塊內(nèi)部自動對接收到的信號進行處理，保證接收的精確性。D/A 模塊將接收到的數(shù)字信號變?yōu)槟M信號，再通過濾波電路去除噪聲，提高接收端信噪比，保證接收的聲音無明顯失真。功率放大模塊采用集成功率放大器TDA2003 將語音信號放大，驅(qū)動喇叭發(fā)聲，為喇叭提供足夠的功率。4.

38、2 發(fā)射部分設(shè)計本設(shè)計為紅外光通信系統(tǒng)的發(fā)射部分，由前置模擬信號調(diào)理電路、STM32F103ZETT6片內(nèi)AD設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換部分、溫度采集模塊和紅外發(fā)射驅(qū)動電路組成，圖4.2為發(fā)射部分結(jié)構(gòu)圖。MICMIC偏置電路 正弦信號 音樂信號前置模擬信號 調(diào)理電路信號處理單元紅外發(fā)射電路圖4.2發(fā)射部分結(jié)構(gòu)圖下面通過論述各個電路功能與原理，來介紹紅外光通信系統(tǒng)的發(fā)射部分。4.3 MIC偏置電路圖4.3 mic調(diào)理電路MIC偏置電路實現(xiàn)了MIC內(nèi)部電壓偏置調(diào)節(jié)和電壓放大的作用。該電路輸入阻抗高，抗干擾能力強。圖4.3為MIC調(diào)理電路。MIC調(diào)理電路采用NE5532運算放大器，NE5532 單位增益帶寬1

39、0MHz，壓擺率9 V/ms，輸入噪聲低，適于放大低頻小信號。信號從MIC端輸入后，通過R1和R2給MIC內(nèi)部的FET放大器提供一個漏極偏置，使其工作在飽和區(qū)，完成信號放大。后面的2個運放也起到了放大電壓的功能。4.4 前置模擬信號調(diào)理電路前置模擬信號調(diào)理電路的功能是將輸入端的MIC、音樂和正弦波形3種模擬信號電壓調(diào)節(jié)至0至3.3V，使其滿足STM32平臺的工作電壓。信號調(diào)節(jié)電路為運放NE5532 構(gòu)成的一個偏置電路和反相放大電路，如圖4.4 所示。P1IN接的是3種模擬信號，通過調(diào)節(jié)電位器R8和R9，使3種語音信號保持在0至3.3V 范圍內(nèi)。圖4.4 偏置及放大電路具體調(diào)節(jié)方法：通過調(diào)節(jié)R8

40、的電阻，使第一個運放同向端電壓變大。從而提升了輸入電壓的最小值，使其最小電壓大于0V。調(diào)節(jié)R5，得到圖4.5.a和圖4.5.b。圖中上邊波形為第一個運放的輸出，下邊代表第一個運放輸入的信號。通過前后兩圖比較，發(fā)現(xiàn)輸出波形往下移動，即輸出電壓偏置在減小。但是通過2個運放之后，實際的效果是提升了偏置電壓。調(diào)節(jié)R9的電阻可以控制U1B的最大輸出電壓。最終將輸入的3種模擬信號調(diào)節(jié)至0至3.3V。U1A輸入波形U1A輸出波形圖4.5.a 調(diào)節(jié)偏置前的輸入輸出波形U1A輸入波形U1A輸出波形 圖4.5.b 調(diào)節(jié)偏置后的輸入輸出波形 4.5 信號處理單元4.5.1 AD部分利用戰(zhàn)艦STM32平臺的片內(nèi)ADC

41、，即可完成對語音信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。STM32平臺的12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有多達18個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。本發(fā)射部分采樣的數(shù)據(jù)都是語音信號，頻率分布于300hz與3000hz之間。根據(jù)奈奎斯特定律，采樣率要大于2倍的信號頻率，才能無誤的還原原始信號。戰(zhàn)艦STM32的采樣頻率可以通過編程控制。根據(jù)STM中文參考手冊，得知ADC總轉(zhuǎn)換時間=采樣時間+12.5周期。我們通過設(shè)置ADC的分頻因子使得ADCCLK=12Mhz，再設(shè)置采樣時間為最大的23

42、9.5周期（采樣時間越長，準確度越高）。此時得到ADC總轉(zhuǎn)換時間=252周期，T=1/f=1/12Mhz,所以ADC轉(zhuǎn)換時間=252/12Mhz=21us。采樣率=1/T=47.6kHz，大大超過6khz以上。 但是最終采樣的數(shù)據(jù)會通過串口發(fā)送給紅外驅(qū)動電路，設(shè)置串口的波特率為115200B，即14400khz。所以最終的采樣的部分點會丟失，但是14400khz>6khz，依然滿足奈奎斯特定律。4.5.2 DHT11模塊通過DHT11芯片即可完成對溫度的測量。發(fā)送裝置每8秒發(fā)送一個標志信號，同時發(fā)送溫度信號。在接收端判斷是否接收到標志位，來判斷是否是溫度信號。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器

43、是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20 米以上。最后通過STM32芯片處理數(shù)據(jù)，經(jīng)過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到紅外驅(qū)動電路上。溫度信號的發(fā)送，本系統(tǒng)采用時分復(fù)用的工作方式。時分多路復(fù)用適用于數(shù)字信號的傳輸。由于信道的位傳輸率超過每一路信號的數(shù)據(jù)傳輸率,因此可將信道按時間分成若干片段輪換地給多個信號使用。每一時間片由復(fù)用的一個信號單獨占用,在規(guī)定的時間內(nèi),多個數(shù)字信號都可按要求傳輸?shù)竭_,從而也實現(xiàn)了一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。4.5.3 串口發(fā)送模塊本設(shè)計中串口的主要工作是將通過AD轉(zhuǎn)化得到的數(shù)字信號發(fā)送給紅外發(fā)射驅(qū)動電路。串口發(fā)送的數(shù)據(jù)都是8位數(shù)

44、據(jù)，而通過ADC得到的數(shù)據(jù)都是12位的，本系統(tǒng)發(fā)送部分通過截取的方式，發(fā)送數(shù)據(jù)。即將ADC的數(shù)據(jù)靠右保存，并右移4位，發(fā)送給串口。最后在接收端，將收到的數(shù)據(jù)左移4位，還原為原始數(shù)據(jù)。這個過程中，存在著誤差。即發(fā)送端12位數(shù)據(jù)的低四位被抹去了，在此系統(tǒng)中這樣的誤差可以接受。4.6 紅外發(fā)射電路在紅外驅(qū)動電路中，為了保證紅外發(fā)光管發(fā)射功率足夠，要對其進行驅(qū)動放大，使用PNP 三極管8550 對其輸入電流進行放大，使接收端能夠在兩米之外準確接收到發(fā)射的數(shù)字信號。其原理圖如圖4.7 所示。圖4.7 紅外發(fā)射驅(qū)動電路ADC采樣得到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給紅外驅(qū)動電路，相同的串口數(shù)據(jù)通過兩路發(fā)送出去。第一路經(jīng)

45、過一個反相器，第二路經(jīng)過2個反相器，所以實際發(fā)送的兩路波形正好相反。接收端有兩個接收芯片，編程使得在接收到波形的下降沿時，分別使IO口輸出1和0。因為2個接收芯片收到的波形分別是原始波形的相同和相反形狀，因此最終該IO口輸出的波形就是原始的串口數(shù)據(jù)。為了判斷接收的波形是否準確，我們通過比較串口的數(shù)據(jù)來分析，如圖4.8，圖中上半部分數(shù)據(jù)代表發(fā)射端的串口數(shù)據(jù)，下半部分數(shù)據(jù)代表輸出端的串口數(shù)據(jù)。觀察兩者圖形一致，所以接收的數(shù)據(jù)準確。圖4.9.a和圖4.9.b分別表示的是2路相反的串口數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)射管發(fā)射，最后由紅外接收芯片接收后的波形，兩圖中下半部分波形代表檢測到波形的下降沿時刻。接收端串口數(shù)據(jù)發(fā)

46、送端串口數(shù)據(jù) 圖4.8 發(fā)射端和接收端的串口數(shù)據(jù)第一路接收芯片數(shù)據(jù)發(fā)送端串口數(shù)據(jù)圖 4.9.a 第一路接收芯片處的波形與發(fā)送串口波形第二路接收芯片數(shù)據(jù)發(fā)送端串口數(shù)據(jù)圖4.9.b 第二路接收芯片處的波形與發(fā)送串口波形第5章 紅外光通信系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1 軟件平臺RVMDK3.80A介紹RVMDK源自德國的KEIL公司，是RealView MDK的簡稱。在全球RVMDK被超過10萬的嵌入式開發(fā)工程師使用，RealView MDK集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，包括 Vision3集成開發(fā)環(huán)境與RealView編譯器。支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核處理器，自動配置啟動代碼，集成Flash

47、燒寫模塊，強大的Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能。與ARM之前的工具包ADS1.2相比，RealView編譯器具有代更小、性能更高的優(yōu)點，RealView編譯器與ADS.2的比較：代碼性能比ADS1.2編譯的代碼性能提高20；圖5.1為MDK操作界面。圖5.1 MDK操作界面MDK的一個強大的功能就是提供軟件仿真，通過軟件仿真，可以發(fā)現(xiàn)很多將要出現(xiàn)的問題，避免了下載到STM32里面來查這些錯誤，這樣最大的好處是能很方便的檢查程序存在的問題，因為在MDK的仿真下面，可以查看很多硬件相關(guān)的寄存器，通過觀察這些寄存器，可以知道代碼是不是真正有效。另外一個優(yōu)點是不必頻繁的刷機，從而延長了S

48、TM32的FLASH壽命（STM32的FLASH壽命1W次）。當然，軟件仿真不是萬能的，很多問題還是要到在線調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)。通過學(xué)習(xí)了解到STM32有2兩種較常用的編程方式，一種是庫函數(shù)方式，即調(diào)用某些已經(jīng)封裝完的庫函數(shù)，通過改變相應(yīng)參數(shù)來實現(xiàn)函數(shù)功能的方式。另一種是通過直接對芯片中的寄存器操作來實現(xiàn)相應(yīng)功能的方式。為了更好地了解與學(xué)習(xí)STM32，在編寫程序時都是采用直接對寄存器操作的方式。以下簡要介紹MDK工程的建立。（1）首先，打開MDK軟件。然后點擊Project->New uVision Project。（2）新建一個文件夾TEST，然后把工程名字設(shè)為test.點擊保存。彈出選擇器

49、件的對話框。因為ALIENTEK戰(zhàn)艦STM32開發(fā)板所使用的STM32型號為STM32F103ZET6，所以在這里我們選擇STMicroelectronics下面的STM32F103ZET6。（3）點擊OK，MDK會彈出一個對話框，問是否加載啟動代碼到當前工程下面，這里我們選擇否。至此初步完成了工程的建立，之后可以建立工程文件編寫代碼。5.2 程序設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計部分基于STM32 單片機平臺，主要完成 AD采樣、串口傳輸數(shù)據(jù)、區(qū)分溫度信息，圖5.2 為發(fā)送主程序流程圖。5.2.1 AD部分程序輸入端的MIC、音樂和正弦波形3種信號都為模擬信號，本設(shè)計采用數(shù)字傳輸?shù)姆绞剑虼艘肧TM32

50、的片內(nèi)AD將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。通過以下步驟來初始化AD。（1）開啟PA口時鐘，設(shè)置PA1為模擬輸入STM32F103ZET6的ADC通道1在PA1上，所以我們先要使能 PORTA的時鐘，然后設(shè)置PA1為模擬輸入。noyes開始初始化定時8秒？ AD采樣發(fā)溫度信號發(fā)語音信號圖 5.2 發(fā)送主程序流程圖（2）使能ADC1的時鐘，并設(shè)置分頻因子要使用ADC1，第一步就是要使能ADC1的時鐘，在使能完時鐘之后，進行一次ADC1的復(fù)位。接著我們就可以通過RCC_CFGR設(shè)置ADC1的分頻因子。（3）設(shè)置ADC1的工作模式在設(shè)置完分頻因子之后，開始設(shè)置ADC1的模式配置了，設(shè)置成單次轉(zhuǎn)換模式、軟件觸

51、發(fā)方式、數(shù)據(jù)右對齊。（4）設(shè)置ADC1規(guī)則序列的相關(guān)信息接下來要設(shè)置規(guī)則序列的相關(guān)信息，這里只有一個通道，并且是單次轉(zhuǎn)換的，所以設(shè)置規(guī)則序列中通道數(shù)為1，然后設(shè)置通道1的采樣周期。（5）開啟AD轉(zhuǎn)換器，并校準在設(shè)置完了以上信息后，開啟AD轉(zhuǎn)換器，執(zhí)行復(fù)位校準和AD校準。以下程序為ADC初始化程序。void Adc_Init(void) /先初始化IO口 RCC->APB2ENR|=1<<2; /使能PORTA口時鐘 GPIOA->CRL&=0XFFFFFF0F;/PA1 anolog輸入/通道10/11設(shè)置 RCC->APB2ENR|=1<<9

52、; /ADC1時鐘使能 RCC->APB2RSTR|=1<<9; /ADC1復(fù)位RCC->APB2RSTR&=(1<<9);/復(fù)位結(jié)束 RCC->CFGR&=(3<<14); /分頻因子清零 /SYSCLK/DIV2=12M ADC時鐘設(shè)置為12M,ADC最大時鐘不能超過14M/否則將導(dǎo)致ADC準確度下降! RCC->CFGR|=2<<14; ADC1->CR1&=0XF0FFFF; /工作模式清零ADC1->CR1|=0<<16; /獨立工作模式 ADC1->CR1&

53、amp;=(1<<8); /非掃描模式ADC1->CR2|=1<<1; /單次轉(zhuǎn)換模式ADC1->CR2&=(7<<17); ADC1->CR2|=7<<17; /軟件控制轉(zhuǎn)換 ADC1->CR2|=1<<20; /使用用外部觸發(fā)(SWSTART)ADC1->CR2&=(1<<11); /右對齊ADC1->SQR1&=(0XF<<20);ADC1->SQR1|=0<<20; /1個轉(zhuǎn)換在規(guī)則序列中 也就是只轉(zhuǎn)換規(guī)則序列 /設(shè)置通道1的

54、采樣時間ADC1->SMPR2&=(7<<3); /通道1采樣時間清空 ADC1->SMPR2|=7<<3; /通道1 239.5周期,提高采樣時間可以提高精度 ADC1->CR2|=1<<0; /開啟AD轉(zhuǎn)換器 ADC1->CR2|=1<<3; /使能復(fù)位校準 while(ADC1->CR2&1<<3); /等待校準結(jié)束 /該位由軟件設(shè)置并由硬件清除。在校準寄存器被初始化后該位將被清除。 ADC1->CR2|=1<<2; /開啟AD校準 while(ADC1->C

55、R2&1<<2); /等待校準結(jié)束/該位由軟件設(shè)置以開始校準，并在校準結(jié)束時由硬件清除 為了滿足3種信號的正確采集，要設(shè)置合適的ADC采樣頻率。在設(shè)置ADC采樣頻率中，對于每個要轉(zhuǎn)換的通道，采樣時間盡量長一點，以獲得較高的準確度。ADC的轉(zhuǎn)換時間可以由以下公式計算： Tcovn=采樣時間+12.5個周期其中：Tcovn為總轉(zhuǎn)換時間，采樣時間是根據(jù)每個通道的SMP位的設(shè)置來決定的。軟件中設(shè)置系統(tǒng)時鐘頻率為72Mhz，ADC的分頻因子為6，所以ADCCLK=12Mhz。設(shè)置采樣時間為最高的239.5周期來增加準確度。此時Tcovn=252周期，一周期=1/12Mhz,得到ADC

56、的采樣率為1/(252*(1/12Mhz)=47.6khz。5.2.2 定時器部分程序本設(shè)計除了發(fā)送語音信號外，同時可以發(fā)送溫度信號。為了區(qū)分溫度信號與語音信號，通過設(shè)計一個8秒的定時器，使其每到8秒就進入定時器中斷，發(fā)送溫度信號。以下為定時器初始化程序。void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)RCC->APB1ENR|=1<<1;/TIM3時鐘使能 TIM3->ARR=arr; /設(shè)定計數(shù)器自動重裝值 TIM3->PSC=psc; /預(yù)分頻器值 TIM3->DIER|=1<<0; /允許更新中斷 TIM3->CR1|=0x01; /使能定時器3 MY_NVIC_Init(1,3,TIM3_IRQChannel,2);/搶占1，子優(yōu)先級3，組2本設(shè)計中TIM3的時鐘為72M，再設(shè)計的計數(shù)器自動重裝值arr和預(yù)分頻器值p