基于单片机的红外光通信系统设计(接收部分)Word下载.doc
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其次，将接收的信号进行处理。
根据发射部分是将数字信号以串行方式输出并驱动红外发射管发光，高电平点亮发光管、低电平熄灭的原理，本设计利用单片机的外部中断捕捉信号的跳变沿，将接收的信号恢复成串行数字信号；
然后，将串行信号送给单片机的串口接收端，从单片机串口数据寄存器中得到经过PCM编码后的语音信号和温度信号的电压值，通过处理减小传输过程中噪声的干扰，再由单片机判断信号类型，是语音信号则送给单片机内部DAC进行数/模转换，温度信号输送给显示屏直接显示；
最后，DAC输出的波形再经过带通滤波器平滑滤波，滤出发射部分采集的语音信号，输送给音频功率放大电路，通过负载喇叭即可听到传输过来的声音。
本设计在STM32F103ZET6单片机硬件平台下，通过C语言设计程序，并借助RVMDK软件开发环境进行调试，实现了基于单片机系统的红外接收装置。
接收发射部分的信息，在115200波特率下通信距离达到两米左右；
具有在传输不畅情况下指示灯提示功能；
能通过液晶屏显示温度，具有良好人机交互界面；
从负载喇叭上得到了较好的语音效果。
关键词：
红外光接收；
串口通信；
STM32单片机；
数模转换
ABSTRACT
Infraredcommunicationisbasedoninfraredcarriertotransmitdigitalsignals,suitableforlow-cost,point-to-pointandhigh-speeddataconnection,itparticularlysuitableforapplicationsformobiledevices,embeddedsystemsandotherfields.Thisdesignismainlybasedondigitalsignalwhichistransmittedbyinfraredlighttoprocess,digitalinformationwillbethereceivedandconvertedintothespeechsignalandthetemperaturesignal,thevoicecanbeheardbythespeakerloadedintheendofthedesignandthetemperaturewillbeshowedonthescreen.
Thisdesignincludestheinfraredsignalreceiving,MCUprocessing,filtercircuit,signalconversion,poweramplification,liquidcrystaldisplayandrelaymodule.Firstlygettingtheinfraredsignal,receivedigitalsignalfromtheinfraredreceivingsensorRPM882-H7;
secondly,thesignalswillbeprocessedandAccordingtotheemissionpartsendthedigitalsignalintoserialmodeanddrivetheinfraredlightworking,highlevellighttheinfraredemittingon,lowlevelputoutit,theMCUofthedesignuseit’sexternalinterrupttestingsignaljumpedge,converteditintotheserialsignal;
then,thesignalconvertedwillbesendtotheMCU’sserialport,gettingthevoltagedataofthevoicesignalsandthetemperaturesignalsPCMencodedvaluefromtheserialportdataregister,aftertreatmenttoreducetheinterferencenoiseinthetransmissionprocess,theMCUcanjudgmentthesignals’types,andthespeechsignalwillbesenttotheinternalDAconverter,thetemperaturesignalwillbesenttothedisplayscreentodisplay;
finally,thewaveformoutputfromtheDACcanbesendthroughtheband-passfilterstofilter,thengettingthevoicesignalofthesendingend,andtransportittotheaudiopoweramplifyingcircuit,formtheloudspeakerthevoicesignaltransmittedbytheinfraredcanbeheard.
WiththeSTM32F103ZET6hardwareplatform,throughtheClanguageprogramdesign,andusingRVMDKsoftwaredevelopmentenvironmentfordebugging,thisdesignrealizedtheinfraredreceivingdevicebasedonMCUsystem.Receivinginformationofthetransmissionpart,communicationdistancecanuptotwometersinthe115200baudrate;
alampshowthetransmissionjamsituation;
displaythetemperaturethroughtheLCDscreen,withgoodman-machineinterface;
getbetteraudioeffectfromtheloadonthetrumpet.
Keywords:
Infraredreceiving，serialcommunication，STM32MCU，digitaltoanalogconversion
目录
第1章绪论 1
1.1红外通信技术的国内外发展及研究现状 1
1.2本文主要工作 2
第2章系统总体方案 3
2.1红外光通信系统介绍 3
2.2总体方案设计 3
第3章系统模块设计 5
3.1红外接收模块设计 5
3.2STM32单片机处理模块设计 6
3.2.1STM32单片机中断系统 8
3.2.2STM32单片机串口通信 8
3.2.3STM32单片机DAC 11
3.2.4STM32单片机定时器 12
3.3滤波电路模块设计 13
3.3.1高通滤波器设计 13
3.3.2低通滤波器设计 14
3.4信号调理模块设计 15
3.5功率放大模块 15
3.6液晶显示模块设计 16
3.7红外通信中继模块设计 17
3.7.1红外发射电路设计 17
3.7.2红外通信中继电源设计 18
第4章系统软件设计 20
4.1软件开发环境简介 20
4.2程序流程设计 21
4.2.1系统初始化 22
4.2.2中断函数配置 22
4.2.3DAC控制 23
4.2.4LCD显示 23
4.3STM32程序下载 24
第5章系统测试 25
5.1电路硬件整体检测 25
5.2红外接收模块测试 26
5.3滤波电路测试 27
5.4单片机处理模块测试 29
5.5信号调理电路测试 30
5.6功率放大电路测试 31
5.7中继电路检测 31
5.8接收部分整体工作测试 32
5.9测试输出波形数据 32
结论 34
参考文献 35
致谢 36
III
基于单片机的红外光通信系统设计（接收部分）
第1章绪论
1.1红外通信技术的国内外发展及研究现状
自1800年英国天文学家F.W.赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了两个多世纪，但发展缓慢，到1940年前后才真正出现现代红外技术，在此之前主要的研制成功是热敏型红外探测器，由它科学家认识了红外辐射的特点及规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质。
20世纪初，通过测量大量有机物和无机物吸收和发射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。
30年代首次出现红外光谱带。
40年代光电型红外探测器问世，其性能优良、结构可靠。
50年代，半导体物理学迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。
60年代随着固体物理、光学、电子学、精密器械的发展，使红外技术在军、民两用都得到广泛的应用和发展。
70年代红外成像技术获得迅速发展。
80年代，红外技术进入研制镶嵌焦面阵列系统的新时期。
接下来的几十年里随着人类科学技术的不断进步，红外技术也得到了长足发展。
特别是红外遥感技术的发展极大开拓了人们的视野，通过卫星红外烟感可以对地球进行勘测，在寻找水源、气象检测、监视森林火灾等方面起了重要作用。
进入21世纪以来，红外光在红外探测、红外无线通信、红外遥感、成像等方面的应用都极大改善了我们的生活方式。
[1]
红外通讯技术也是随着红外技术的发展而发展的，尤其进入90年代其又有了新发展，应用范围更广泛。
现如今市场上能进行红外通信的产品有很多，比如最常见的电视机遥控器或现在最流行的红外无线耳机，红外通信的技术和设备也比较成熟。
不同于有线通信，无线通信最大的优势就是解放了人们通信的自由度，使人们不受空间的限制，可以在小范围内自由移动。
在无线通信的领域中，可以在空间中进行无线传输的介质除了红外光之外还有声波、电磁波等，现如今主要的无线通信包括微波通信和卫星通信，它是一种利用电磁波信号能够在自由空间中传播的特性，来传输信息的通信方式。
无线通信技术已深入到人们生活工作中的各个方面，其中3G、UWB、WLAN、蓝牙、数字电视、宽带卫星等都是21世纪最热门的无线通信技术的应用，红外光通信是其中应用的一部分，红外线本质也是一种电磁波，可以传输数字信号。
1993年，就有二十多个大厂商发起成立了红外数据协会（IrDA）并统一了红外光通信的标准，这是目前使用最广泛的IrDA红外数据通讯协议及规范。
红外通信是一种点对点的通信方式，没有物理传输线的约束，对传输的方向性要求较高，通信信道中间不能有障碍物阻挡。
红外通信广泛应用与安全监控、医疗器械、家庭电子和通讯等领域。
与本研究课题相似的是，国外最近研制出的LI-FI技术，它是LightFidelity的缩写。
LI-FI通过改变房间照明光线的闪烁频率来传输数据，传输速度与典型的宽带连接不相上下；
它利用光的明暗来编码信息，光源部分采用新时代高亮度的发光二极管，由微芯片控制它快速的闪烁，与之对应的光敏传感器接收这些变化，并不会被人眼所察觉，这样二进制数字信息就被快速编码成光信号，同时进行有效的传输。
[2]现如今这种技术被广泛利用在医院、机场、军队甚至是水下。
相比与无线电波固定有限的传输波段，光通信有着明显的优点，随着将来无线连接端口的需求增加，可用的无线电波宽带将会越来越少，而光谱中可利用的频段很宽，可以容纳非常多的带宽，而且相对于无线电通信，光通信的效率也比较高。
但是光通信最大的缺点就是它无法穿透物体，这样光通信很容易收到干扰，传输距离不会得到太大的提高，所以光通信与无线电通信是互相补充的技术，研究它大有意义。
1.2本文主要工作
本设计主要针对红外通信装置的接收部分进行研究。
鉴于如今教学课程中数据通信基本上都是有线的，并且大多对数字信号进行采集并传输。
红外光通信系统创新于通过红外线进行无线通信，并采集语音和温度这样的模拟信号，利用时分复用的方法将两种信号于同一信道同时传输。
本设计的主要工作是接收发射端的红外信号，将其转换成单片机串口能识别的数字信号，从而获得其中的语音和温度数据，然后温度信号由显示屏显示、数字语音信号经过DA转换成模拟信号，再通过功率放大器驱动喇叭，从而听到语音。
本设计完成了模拟电路设计、单片机控制、软件程序设计、系统检测及调试等任务。
本设计的难点在于保证红外信号比较长的传输距离以及尽量减少传输过程中产生的噪声干扰、降低误码率；
而且还要能够在语音信号里面区分出温度信号。
在设计研究的过程中，我们深刻理解了数字信号通信的原理，意识到通信过程中可能会遇到的问题，了解了各种保证通信质量的方法，同时硬件和软件的设计也锻炼了我们的动手和编程能力，提高了我们的专业技能。
第2章系统总体方案
2.1红外光通信系统介绍
红外光通信系统的基本要求是利用红外发光二级管和红外接收模块作为基本收发器件，用来定向传输语音信号，传输距离不小于两米；
当接收部分不能接收到发射部分的红外信号时，要能用LED灯指示出来。
并且要能够增加一路数字信道，实时传输发射端的环境温度，在接收端通过显示屏显示出来，温度传输延时不得超过10秒，能够制作一个红外光通信中继转发节点，改变通信方向90度，传输距离要求不变，如图2.1所示。
图2.1红外光通信系统方框图
2.2总体方案设计
红外接收部分包括红外信号接收、STM32单片机处理、滤波电路、信号调理、功率放大、液晶显示以及中继转发模块七个部分，红外接收部分框图如图2.2所示。
图2.2红外接收模块方框图
本设计与发射部分配合完成以上要求，考虑到应用的处理器IO管脚不能接受0V到3.3V范围以外的电压，发射部分首先将输入的语音信号进行波形变换，将电压限制在单片机规定的范围，然后通过单片机内部的ADC采集语音信号，将其进行PCM编码后变成数字信号，采样率大于语音信号最高频率两倍以上。
然后在内部通过单片机的串口发送出去，这样语音模拟信号就转换为串口上的数字信号，为了能够同时发送温度信号，红外发射部分利用时分复用方式在同一信道上传输两种信号，发送语音信号的过程中插入温度信号。
发射部分要求使用红外发光管发送信息，所以串口的数据波形要经过驱动电路驱动红外发光管发光，通过发光管的亮灭来反映数字信号电平变化。
接收到红外信号后首先要将其还原成串口信号，送给单片机串行口接收，然后将接收到的数据区分为语音信号和温度信号，分别送给DAC进行转换和显示屏显示。
经过DAC转换后的信号后要经过功率放大电路，驱动喇叭或耳机发声，这样整个红外光通信系统工作完成。
红外光通信系统的设计重点有语音和温度信号的采集、编码，将两种信号分配给一个信道进行传输，传输过程中噪声的抑制，接收部分信号的恢复等。
第3章系统模块设计
3.1红外接收模块设计
此模块中重点之处是红外接收传感器的选择，红外光经过两米的传输后已经很微弱，所以接收端要有一个性能好的传感器来接收并放大还原红外光，同时还要将其转换成电信号供电路使用，比较常用的一体化红外接收头如HS-0038B，是很多单片机开发板中遥控器例程所使用的接收头，也是同学应用比较熟悉的传感器，它通常用来接收载波频率38KHz的数字调制信号，可以输出数字信息。
可是本设计要接收的信号是经过PCM调制的语音信号，其码率至少需要64Kbps，HS0038B内部载波无法承受此数字信号。
又比如普通的红外接收管，虽然很常见很便宜，也经常与红外发射管配对使用，但是它的灵敏度低，输出的信号很微弱，需要外接复杂的放大电路来还原接收到的信号，很难达到稳定传输两米距离的要求。
本设计在此模块使用的是RPM882-H7IrDA红外通信模块，它是日本罗姆株式会社（ROHM）生产的专门用于红外通信的传感器，广泛应用于手机或PDA（掌上电脑）中。
它集成了红外发光LED和接收头，分为IrDA模式（红外）和RC模式（远程控制），工作电压从2.4V到3.6V，本设计使用常用的3.3V对其供电。
红外模式下信息传输速率范围从2.4Kbps到115.2Kbps，如果工作在遥控工作模式下，可达到9m的传输距离，工作温度范围也很宽，功率耗散小。
并且其内部集成了放大还原电路，输出信号稳定且精确。
[3]作为这个模块的主角，本设计只使用它的接收头部分，没有用到其中的红外发光LED。
从传感器输出的电压信号与红外发送的信号波形对比中可以看到，RPM882-H7IrDA只对红外信号的下降沿有反映，当检测到信号下降沿的时候即输出一个脉冲，脉冲宽度为2.35us，即最大可以准确反映的信号频率为425.53Hz。
仅仅显示出信号的下降沿还不足以确定信号波形，我们还需要信号上升沿的位置，所以发射端做了这样的设置：
要发送的串口信号同时分为两个部分，一部分直接驱动一块红外发射管，另一部分经过反相器反相后去驱动红外发射管，这样本设计红外接收模块部分的传感器就需要两个，分别对应两路波形正好相反的同一个信号，一路检测波形下降沿，一路检测上升沿，如图3.1所示。
图3.1数字信号波形分析
这样也就能够确定信号的波形。
传感器的外围电路我们参考了它的芯片手册上的电路，用的是IrDA模式。
其设计电路如图3.2所示：
图3.2RPM882-H7红外收发一体化模块电路
两路红外信号接收到了，本设计把它送入了单片机处理模块，用来恢复串口信号并送给DA转换，从中提取温度信号并显示，同时判断红外传输是否正在进行。
红外发送部分发送的就是串口输出的信号，那么就要把它恢复出来，本设计在红外接收模块中已经检测到波形的上升沿与下降沿，为了把它组合成串口信号，本设计将两路脉冲分别输入给单片机的两个外部中断，此中断是当有跳变沿的时候就触发，在中断函数中我们控制一个单片机管脚PA0，每发生一次中断改变一次它的电平，这样就一点点地还原出串口信号了。
两个接收头之间的距离要尽量宽，这样可以增大接收范围，提高接收信号的精准度。
之后本设计把它与单片机的串口RXD端相连，从串口寄存器就可以读到AD采集的语音信号电平和温度数值了。
软件设计中判断并提取出温度数据后直接送给显示器显示，将语音信号送给STM32单片机内部DA转换器进行转换，由DA输出语音波形。
如何将温度信号从语音信号中提取出来，本设计与发射部分做个一个协议，传输端在传输温度信号时，先传送一个标志信号，接收端接收到标志信号后知道接下来要接收的就是温度信号。
为了判断红外传输过程是否一直进行，本设计先是设置一个计数变量每接收到一个串口数据计数一次，然后通过单片机定时器定时一段时间，在定时器中断中判断次计数变量是否大于一定数值，就得知数据是否一直在接收，从而判断传输过程是否在进行，并通过指示灯指示出来。
3.2STM32单片机处理模块设计
在单片机的选择中，我们选择了意法半导体公司的STM32F103F149单片机，STM3的内核为32位Cortex-M3,它采用ARMv7-M构架。
ARM成立于1990年，是苹果、Acorn和VLSI三家公司的合资，现如今最流行的是基于ARMv7架构的ARM处理器，它加入了经过优化的Thumb-2指令集，这是现在最前卫的新技术。
Cortex系列是v7架构的第一次亮相，其中Cortex-M3就是按款式M设计的，它不仅支持16位的Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架构，而且拥有很多新特性。
与ARM7TDMI相比，Cortex-M3拥有的性能更强劲、代码密度也更高、中断可嵌套、低功耗、位带操作、成本低等众多优势。
Cortex-M3的中断处理完全基于硬件进行，可减少的时钟周期数最多可达12个，在应用中可节约70%的中断；
同时Cortex-M3采用了单线调试（SingleWire）这种新型技术，能够减少非常多的调试工具费用，其中还集成了大部分存储器控制器，这样设计人员可以直接将Flash外接在MCU上，降低了应用障碍和设计难度。
作为Cortex-M3内核最先尝蟹的公司之一，ST在技术支持方面都远远超过其他对手，其生产的STM32F103系列单片机拥有包括：
FSMC、TIMER、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC、DMA等外设及功能和84个中断，16级可编程优先级，非凡的功耗控制，而且它的开发成本低，具有极高的集成度。
相对于传统的51单片机，它的实时性更好，功能更强大，处理速度和能力都很强。
[4]
本设计处理器平台STM32F103ZET6来自于星翼电子科技有限公司所做的战舰ALIENTEKSTM32开发板，该开发板将STM32的资源开发到了极致，基于所用STM32的内部资源都可以在此板上得到验证，配套的软件资料分为库函数版本和寄存器版本，将内部控制寄存器的函数打包，不用自己一点点追究每一个控制位的设置，使用起来很方便，它的最小系统原理图如图3.3所示：
图3.3STM32F103ZET6单片机最小系统
本设计用了此单片机的外部中断、串口通信、DA转换、定时器等硬件资源，加上软件上的设计，构成了本设计的处理核心。
3.2.1STM32单片机中断系统
STM32单片机的EXTI控制器支持多达19个外部中断事件请求，每个中断设有状态位，有独立的触发和屏蔽设置，检测脉冲宽度低于APB2时钟宽度的外部信号。
[5]它的每一个IO口都可以设为外部中断输入，触发方式有上升沿触发、下降沿触发两种，其外部中断/事件线路映像如图3.4所示。
图3.4外部中断通用I/O映像
STM32单片机中断系统有很多与之相关的寄存器，包括中断屏蔽寄存器、事件屏蔽寄存器、上升沿触发选择寄存器、下降沿触发选择寄存器、软件中断事件寄存器、挂起寄存器、外部中断/事件寄存器。
通过配置这些寄存器就可以使用单片
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