一种简易红外通信装置的设计与实现*

李一鸣，荣 军，王岳斌，严权峰，彭 锦

（1.湖南理工学院计算机学院，湖南岳阳 414006；2.湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳 414006）

红外通信具有控制简单、实施方便、传输可靠性高的特点，是一种较为常用的通信方式，它的应用场合非常广泛，比如应用于红外热像、红外摄像、红外光谱仪和红外传感器等方面［1-2］。在红外通信系统的硬件电路实现上，文献［3］利用分立元件组成红外光通信系统，该方案虽然结构简单、易于制作和成本低，而且音频信号可以直接通过红外发光管进行原码传输，不会因为延时而导致音频信号失真，缺点是该方案不能同时传输温度等多路信号，且易受干扰。文献［4］采用双路红外光通信，该方案在发射接和收端分别设计用于数字信号和模拟信号发射的电路，有两个不同红外发射管发射出频率不同的两种红外光信号，这种方式巧妙地利用了通过光信号的叠加实现模数信号的叠加，避免了电路信号叠加所带来的信号干扰问题，实现模拟和数字信号的实时传输；缺点是该方案结构复杂，成本高。红外通信系统中在调制方式选择上，文献［5］采用FM调制方式，该调制方式具有较高的抗噪声能力，但一般需要锁相环调制。考虑到红外发射载波一般不高于38 kHz，如果使用FM调制，其频偏将会很小，难以解调。文献［6］采用PPM调制方式，该调制方式具有更高光功率利用率和频带利用率。但红外发光二级管不能在100%时间段内全功率工作，经测试实验室现有红外管的最高发送频率为35 kHz，若采用脉冲调制发送语音，速率较难保证。针对以上情况本文提出采用PWM调制技术利用红外光通信技术设计一种简易数字控制的红外通信装置，它具有成本低，抗干扰性强，性能稳定和容易实现的特点。

1 红外通信装置的系统方案实现

本系统是一套简易数字控制的红外光通信装置，主要由发射装置、中转节点和接收装置3部分组成，系统总体设计原理方框图如图1所示。红外通信装置以红外光为载体，采用PWM调制技术、曼彻斯特编码方式，实现了语音和温度信号的实时传输。在保证系统稳定性的同时，通过采用低功耗器件、有效控制发射脉冲占空比等措施，提高中转节点的效率，其中采用PWM调制技术利用红外光通信技术的原理实现框图如图2所示，在图2所示的设计中，从最优信号传输角度出发，设计了红外通信电路，使传输的信号在各个电路中实时同步传输，且抗干扰性强。整个系统采用低功耗、低成本单片机进行数据控制，灵活度高、性能稳定，更大程度上突现人性化设计的理念。

图1 红外光通信装置总体方框图

图2 PWM调制方式红外光通信原理框图

2 红外通信装置的硬件电路设计

红外通信装置的硬件电路主要由供电电路、控制电路、发射装置电路、中继站电路以及接收装置电路组成，下面详细地介绍其电路设计过程。

2.1 供电电路设计

电源供电主要由+5 V电源电路组成，原理图如图3所示。电源供电电路采用LM317可调电源稳压芯片设计，其1、2脚之间为1.25 V的电压基准，供电电路输出电压计算公式为式（1）所示［7］。

为保证供电电路的输出性能，图3中的R2取值应小于240 Ω，在这里R2取为220 Ω，从式（1）可以看出通过改变R3阻值即可调整输出电压值，图3中的两个二极管D1和D3是用来设计保护LM317。

图3 电源供电电路原理图

2.2 控制电路设计

系统控制部分采用STM32L151设计，其硬件电路主要包含外围时钟电路、复位电路、电源、JTAG接口和通用IO口等电路设计，其原理图如图4所示［8］。

图4 控制电路原理图

2.3 发射装置电路设计

发射装置电路包括语音信号处理电路、红外光发射电路以及温度检测电路。在对语音信号进行A/D转换之前，需要对其进行调理以满足ADC的输入范围，并进行滤波使其信号净化，消除干扰。由于此设计了一个三阶巴特沃斯有源滤波器进行抗混叠滤波，再利用运算放大器对信号进行可调放大和电平提升，为后面的A/D转换做了充分的准备，信号处理电路原理图如图5所示［9］。

图5 信号处理电路原理图

红外光发射电路如图6所示，由红外光发射管、三极管、可调电阻和电容组成。该电路是由NPN型三极管8 050构成的基本共射放大电路。其中负载电阻R16将变化的集电极电流转换为电压输出。如何计算集电极负载电阻R16的最小阻值是设计红外光发射电路的关键，假设三极管工作在饱和的时候，负载电阻R16应限制其电流不超过三极管的集电极最大电流，其计算公式如式（2）所示。

查阅三极管8050的资料知道，集电极的工作电流在5 mA～1 500 mA之间。其中Vcc为电源供电+5 V，Usat为三极管的饱和电压，即0.5 V。对于Icmax不能取得太小也不能取的过大，原因在于如果其取值太小，就没有充分利用三极管的电流放大倍数，如果取得过大，三极管也容易烧坏，所以Icmax取适中值取为0.1 A。经式（2）计算可得Rmin为45 Ω，为了便于调试将R16设计为200 Ω的可调电阻。

2.4 中继站电路设计

中转站电路由红外接收和红外发送驱动电路组成。红外接收管接收到发射装置发射过来的信号经过处理后，接入单片机，单片机对该数据进行周期判别，以排除错误信号，再由I/O口输出PWM波，再通过红外发射管发送出去，中继站电路原理图如图7所示［10］。

图6 红外发射电路原理图

图7 中转站电路原理图

2.5 接收装置电路设计

接收装置电路包括红外光接收电路、语音滤波电路、音频功率放大电路以及显示电路。由于接收到的红外信号非常微弱需要对信号进行放大处理，为了能够准确检测信号的脉宽，所以设计了迟滞比较器对信号进行整形，红外接收电路由放大电路和比较电路组成如图8所示［11］。

图8中的R11用于调节比较器的门槛电压，通过运放OP37将信号放大，放大倍数由R10和R7的比值决定，因此放大倍数为：

语音滤波电路如图9所示，音频信号由DA输出通过有源带通滤波器，此带通滤波器由三阶有源低通巴特沃斯滤波器和三阶有源高通巴特沃斯滤波器组成，滤波电路原理图如图9所示。

音频功率放大电路原图如图10所示。在图10中音频功放电路采用集成功率放大器LM386，它是是一个单电源供电音频功放，内部引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益，电压放大倍数由R12决定。其中调节电阻R22为音量控制器，调节它可以控制音量的大小；C29为隔直电容，防止后级的LM386直流电位对前级音调电路的影响；电阻R23和电容C31的作用是防止放大器产生低频自激。C19的作用可以决定功放电路下限频率，因为输出信号比较强，为了确保下限频率比较低，C19一般选择比较大的电解电容［12］。

图8 红外接收电路原理图

图9 语音滤波器原理图

图10 音频功放电路原理图

3 红外通信装置软件程序设计

红外通信装置软件的设计是系统设计成功的关键，软件程序编写采用模块化设计［13-14］，可以简化设计步骤和便于调试，主要包括发射装置程序设计、中转装置程序设计以及接收装置程序设计。

3.1 软件设计理论分析

语音信号程序的设计利用STM32F051C4将语音信号转化为PWM的占空比，不同的占空比对应不同的电压值。红外接收管接收到有用信号，经调理电路调理后成矩形波，再由STM32F051C4将占空比转变为模拟量，通过DA输出。DA输出值计算公式为式（4）所示。

DA输出值=占空比×DA满量程×放大系数（4）

温度信号程序的设计是采用曼彻斯特编码进行传输，以宽高电平作为数据传输的起始位，以确定数字信号的最高位。同时以与语音信号同频的矩形波作为休止符，防止频率变化的过程中，接收电路不能及时响应，从而导致语音信号的占空比发生变化，影响语音输出。通过记录同频矩形波的个数，以判断休止符的结束与语音信号的开始，采用奇偶校正的方式对温度数据进行校正。语音信号与温度信号的实时传输采用脉宽调制方式，将模拟语音信号调制为PWM信号，利用时分复用的方法，将PWM语音与数字温度信号结合，分时传输。

3.2 发射装置程序设计

发射装置程序流程图如图11所示，在图11中，发射装置通过ADC的DMA模式自动采集数据。在主函数中，先检测温度允许传输标志位，当允许操作时，将测量到的温度值，生成曼彻斯特电平码表。设置一个比较模式的定时器，通过更改比较值，可以方便地控制输出PWM的占空比。在定时器中断函数中，分时发送温度与模拟数据。

图11 发射装置流程图

3.3 中转装置程序设计

中转装置程序流程图如图12所示。在图12中的主函数流程图中，将中继主控配置为低功耗模式，开启中断唤醒，然后进入低功耗模式。当进入中断后，MCU自动唤醒，通过判断信号周期，是否为正常范围内输入，控制指示灯与电平输出。

图12 中转节点装置流程图

3.4 接收装置程序设计

接收装置程序流程图如图13所示。在图13中，其主函数中，判断温度值是否更新，若更新则显示温度。进入中断后，捕获脉宽并记录电平，根据周期不同，判断出起始位，开始解码，并更新温度显示。反之，解调为模拟量，并以发射装置AD的采样率进行DA的DMA自动转换模式。

图13 接收装置流程图

4 实验结果及分析

4.1 设计要求

（1）红外光通信装置利用红外发光管和红外光接收模块作为收发器件，用来定向传输语音信号，节点间通信距离可达2 m；（2）发送800 Hz单音信号时，在8 Ω负载上有效值小于0.4 V，且接收的声音应无明显失真，同时在输入信号为0时，最终输出端噪声有效值小于100 mV；（3）传输的语音信号可采用话筒或Φ3.5 mm的音频插孔线路输入，也可由低频信号源输入，频率范围为300 Hz～3 400 Hz；（4）增加一路数字信道，实时传输发射端环境温度，并能在接收端显示；数字信号传输时延不超过10 s，温度测量误差不超过2℃，语音信号和数字信号能同时传输；（5）设计并制作一个红外光通信中继转发节点，以改变通信方向90°，延长通信距离2 m，同时尽量提高中继节点的效率。（6）将发射装置与接收装置摆放成以中继转发节点为顶点的直角，并且各自到中继转发节点的距离调节为大于等于2 m，测试通信质量。再按照图14所示电路测试中继转发装置的节点电流。

图14 中继转发节点供电电流测试示意图

4.2 测量结果及分析

第1部分：语音通信测试结果如下：

（1）当发射装置与接收装置相距2 m时，可以很好地进行红外光通信。

（2）本项目的装置包含Φ3.5 mm新品插孔线插口，可以通过插孔进行信号输入；测试频率范围为300 Hz～3 400 Hz，满足设计要求。

（3）参数设计要求：

表1 不同外界光强对系统通信效果影响比较

①负载输出端电压有效值不小于0.4 V；

②噪声电压有效值不大于0.1 V。

结果分析：从表1可以看出，由于外界光线中存在红外线，所以不同外界光照情况会对本系统通信产生一定影响，但是本系统的红外通信装置的性能指标均可达到设计要求，并且优于装置设计最低要求。

第2部分：温度信号传输测试结果如下：

（1）通过与酒精温度计的温度测试值比较得出温度误差值；通过秒表估计温度变化测试数字信号传输时延。

（2）参数设计要求：

①信号传输时延≤10 s；

②速度误差≤2℃。

表2 温度误差及传输时延测试表

结果分析：由表2可以看出，本系统具有实时性强，准确度高的工作性能。并且在测试信息传输时延时，用手指按住温度传感器的时候，接收端的温度显示马上变化，说明该系统的实时性较好。

第3部分：中继站传输效果测试

表3 中继站传输效果测试

结果分析：由于红外通信系统的有效作用距离取决于发射二极管辐射的峰值功率，峰值功率取决于二极管导通时的瞬间电流，同样瞬时电流的大小又取决于二极管的导通时间占整个载波周期的百分比，即占空比越大，通信距离越远，也就意味着功耗越高。在实际测试过程中，在保证传输距离及数据稳定性的条件下，占空比在20%～70%时既可以满足传输距离，又能使系统功耗最小。表3测试结果表明：在中继转换过程中，中继电路并不需要消耗很大的功率就能将信号转向传输。

5 结论

本文设计了一个简易红外通信装置，系统的设计过程为：系统的方案论证、核心器件的选型、系统的模块化硬件和软件程序设计以及系统的综合调试。本装置主要是对红外通信进行初步研究，输入频率范围在300 Hz～3 400 Hz。当输入语音信号改为800 Hz单音信号时，在8 Ω负载上，接收装置的输出电压有效值可高达0.9 V。音频输入端口接地时，测试接收装置噪声有效值小于40 mV，且接收装置装有接收信号指示灯。通过多次各种环境下测试，设计的红外光通信装置可以在复杂环境中工作，并且具有较强的实时性，具有一定的应用价值。

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李一鸣（1979-），女，汉族，湖南岳阳人，硕士，讲师，湖南理工学院计算机学院，410006，主要从事计算机应用和电子产品设计工作，93210179@qq.com；

荣 军（1978-），男，汉族，湖南岳阳人，硕士，讲师，主要从事开关电源以及学生考赛指导工作，rj1219@163.com。