基于STM32的红外光通信装置的设计

凌振宝，王顺月，韩哲鑫，林小雪，张兴宇，朱 宇

（吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 130026）

0 引言

自20世纪80年代以来，无线通讯技术取得了飞速发展，它不受时空限制，能采取灵活多样的方式，确保语音、数据和图像的综合传输畅通无阻，具有无需架设复杂的传输线路和通信地点灵活的特点。其中，蓝牙技术是一种新兴的近距无线传输技术，但蓝牙技术的最大障碍是过于昂贵，抗干扰能力弱、通信距离短、存在信息安全问题，使其用户群数量受到限制。同时大范围测试与研发成本过高，不利于蓝牙通讯技术的大规模研发与广泛应用。

红外通信以红外光作为载体传送数据信息，无需申请频率的使用权，因此，红外通信使用方便，且具有体积小、功耗低、价格便宜、连接方便等特点。根据光的独立性传播原理，红外通信之间无相互干扰，且不怕散射电磁波干扰。此外，红外线发射角度较小，传输安全性高，对其他电子设备无干扰，而且适用于需要电气隔离和抗干扰的场合。目前已有的红外光通信装置结构复杂，需要外接A/D（Analog/Digital）转换模块、模拟调整电路以及高精度D/A、滤波放大模块，导致外围电路精度不够并且功耗大。笔者采用内部集成模数转换和数字滤波的处理器STM32[1]、红外光通信模块和Speex算法[2]实现声音信号的采集，光通信与声音播放。本装置电路简单，成本低，在基于物联网的通信领域有重要应用及良好的发展前景。

1 硬件电路设计

红外光通信装置包括语音发送模块、中继转发节点模块和语音接收模块[3]（见图1）。其中语音发送模块测试单元，主要实现语音信号的压缩、编码、调制[4]和发送功能;中继转发节点测试单元，主要实现载波红外信号的转发功能;语音接收模块测试单元，完成语音信号的接收，并解调后由耳机播放的功能。

图1 系统硬件框图Fig.1 The flow of hardware

1.1 红外通讯模块设计

红外通讯模块电路如图2所示。红外通信发射模块采用红外发射管，由74HC00芯片及外围电路进行驱动，红外发射管的载波发射信号频率为38 kHz，因此，由74HC00对处理器产生的38 kHz载波信号和所要发射的语音信号进行与操作，完成载波发送。红外通信接收模块由接收器件CHQ1838和电压比较器LM339组成，将接收到的语音信号输入到STM32[5]处理器中进行数字滤波和数模转换处理。

图2 无线模块原理图Fig.2 The principle diagram of the wireless module

1.2 中继节点模块设计

中继节点模块由MSP430处理器、三极管和红外发射和接收管组成，其作用是将波长950 nm近红外线作为信息载体，把传输信号旋转一定角度后发送出去（见图3）。首先中继节点的红外接收管接收38 kHz的传输信号;然后传输给MSP430单片机;最后单片机将此输出信号输出给两级三极管进行放大，驱动红外发射管完成发射，红外发射管与接收管之间的角度就是信号转过的角度。

图3 中继站发射接收模块原理图Fig.3 The principle diagram of the relay

1.3 耳机驱动模块设计

集成块TDA2822是一款双声道音频功率放大[6]电路（见图4）。立体声功放电路中R1、R2是输入偏置电阻，C1、C2是负反馈端的接地电容，C3、C5是输出耦合电容，R4、C6和C8是高次谐波抑制电路，用于防止电路振荡。

图4 耳机驱动电路原理图Fig.4 The principle diagram

1.4 STM32处理器设计

红外光通信装置[7]中选用 STM32F103VET6[8]作为处理器，图 5 为 STM32[9]原理图。芯片集成64 kByte片内SRAM（Static RAM），512 kByte片内Flash，具备1个JTAG（Joint Test Action Group）调试接口、1个电源LED（Light-Emitting Diode）、1个状态LED，还包括RS-232接口、USB2.0 SLAVE接口、Micro SD卡插座以及后备电池座。语音编码通过处理器并结合Speex算法完成，由该芯片内部集成的A/D和D/A模块完成模数转换并产生38 kHz的载波信号，最终完成语音信号的红外通信。

图5 STM32原理图Fig.5 The schematic of STM32

2 系统软件设计

由系统软件实现语音信号的编码、解码[10]、数字滤波和模数转换，发射端系统软件主要包括语音信号[11，12]采集和A/D转换，语音信号发送编码和发送控制。其中A/D转换部分由内部集成A/D模块完成，编码和发送控制由编程实现，每次接收4 000个数据，以600 Byte/s的速率发送信号，以解决红外通信[13]中所载信号量受限问题，实现信号的稳定传输。

接收端软件主要包括语音信号接收存储、数字滤波和D/A转换。其中存储部分运用处理器内部的Flash完成，数字滤波和D/A转换通过软件设定参数完成调试。主要程序流程如图6所示。

图6 系统软件流程图Fig.6 The flow chart of software

3 系统测试

系统整体测试方案是用示波器测量系统无输入时输出端噪声电压，语音信号用信号发生器模拟测量传输频率范围，最后测量信号稳定传输情况下的最大通信距离。

在系统的各个模块测试完成后进行整体测试。首先将信号发生器产生的1 kHz方波作为模拟语音信号加载到处理器产生的38 kHz载波信号上。红外管连续发送一个字节，观察接收波形，分析得知，单字节数据接收正常，发射接收之间仍存在微小延时。然后红外管连续发送一个数组，观察接收波形。分析得知，连续存储区数据收发正常。系统测试结果如图7所示。

图7 系统测试图Fig.7 The diagram of system

对系统整体测试数据进行分析，该系统能实现8 m通信距离内稳定传输并可通过中继转发节点延长通信距离，能实现微弱信号的传输，对通信系统的发展有着积极的意义。系统参数测试结果如表1所示。

表1 系统各项参数测试表Tab.1 The testing chart of system

4 结 语

笔者给出了基于STM32的嵌入式语音识别模块的红外光通信装置的设计，对每个组成单元的硬件电路及软件实现进行了详细研究。多次实际测试表明：接收装置输出噪声电压小于0.1 V，中继转发站可将传输方向改变任意角度，语音信号安全、稳定传输距离为8 m。该设计的红外光通信装置具有稳定性好、语音识别率高、抗噪声干扰能力强、结构简单和使用方便等特点。此外，基于STM32的红外光通信装置性能稳定，信息传输高效、安全、成本低，对无线通信技术的创新与发展起着积极的推动作用，并对新产品的诞生具有重要意义。

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[1]杨发盛.基于STM32RBT6的便携式甲烷浓度检测仪[J].吉林大学学报：信息科学版，2013，31（2）：191-195.

YANG Fasheng.Portable Methane Gas Concentration Detector Based on STM32RBT6 Processor[J].Journal of Jilin University：Information Science Edition，2013，31（2）：191-195.

[2]张立文.基于Speex的嵌入式无线数字音频交互系统[J].吉林大学学报：信息科学版，2013，31（4）：253-258.

ZHANG Liwen.Embedded Wireless Digital Audio Interactive System Based on Speex [J].Journal of Jilin University：Information Science Edition，2013，31（4）：253-258.

[3]苏宝林.基于AVR单片机的语音识别系统设计方案[J].现代电子技术，2012，35（11）：136-138.

SU Baolin.The Speech Recognition System Designing Scheme Based on AVR[J].Modern Electronics Technique，2012，35（11）：136-138.

[4]付璐.基于Speex算法的语音压缩解压程序设计[J].电脑知识与技术，2012，26（8）：6357-6412.

FU Lu.The Speech Compression and Decompression Programming Based on Speex Algorithmic[J].Computer Knowledge and Technology，2012，26（8）：6357-6412.

[5]彭刚，春志强.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京：电子工业出版社，2010.

PENG Gang，CHUN Zhiqiang.The Application Practice of Embed Controller Based on ARM Cortex-M3 STM32[M].Beijing：Publishing House of the Electronics Industry，2010.

[6]周文.浅谈TDA2030集成音频功率放大器的制作[J].课程教育研究，2013（2）：254-255.

ZHOU Wen.Introduction to TDA2030 Integrated Audio Power Amplifier[J].Course Education Research，2013（2）：254-255.

[7]沈文，詹前卫.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京：清华大学出版社，2003.

SHEN Wen，ZHAN Qianwei.Introduction and Guidance of AVR Single Chip[M].Beijing：Tsinghua University Press，2003.

[8]蔡铁.基于语音质量预测的Speex自适应码率控制算法[J].计算机应用，2010，30（3）：12-17.

CAI Tie.Speex Adaptive Rate Control Algorithm Based on Speech Quality Prediction [J].Computer Applications，2010，30（3）：12-17.

[9]李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

LI Ning.The Development and Application of STM32 Processor Based on MDK [M].Beijing：Beihang University Press，2008.

[10]徐国安.∑-Δ型A/D转换器中量化噪声的功率谱整形[J].吉林大学学报：信息科学版，2013，31（2）：143-146.

XU Guoan.Power Spectrum Shaping for Quantization Noise in Sigma-Delta A/D Converter[J].Journal of Jilin University：Information Science Edition，2013，31（2）：143-146.

[11]陈景帅.智能空间下语音交互系统的研究与实现[D].济南：山东大学控制科学与工程学院，2010.

CHEN Jingshuai.The Research and Implementation of Voice Interactive System in Smart Space[D].Jinan：College of Control Science and Engineering，Shandong University，2010.

[12]付娟.强干扰环境下数字语音通信系统的设计与研究[D].杭州：中国计量学院信息工程学院，2013.

FU Juan.Design and Research on Digital Speech Communication System under the Strong Interference[D].Hangzhou：College of Information Engineering，China Jiliang University，2013.

[13]赵军.浅析红外通信技术在数据通讯中的作用[J].信息技术，2013（7）：40-41.

ZHAO Jun.A Brief Analysis of the Effect of Infrared Communication Technology in Data Communication[J].Information Technology，2013（7）：40-41.