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,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。
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。

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(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

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38kHz,因此,由74HC00对处理器产生的38kHz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LM339组成,将接收到的语音信号输入到STM32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

1.2、中继节点模块设计

中继节点模块由和红外发射和接收管组成,其作用是将波长950nm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38kHz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

1.3、耳机驱动模块设计

集成块TDA2822是一款双声道功率放大电路(见图4)。立体声功放电路中R1、R2是输入偏置,C1、C2是负反馈端的接地,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
1.4、STM32处理器设计
红外光通信装置中选用STM32F103VET6作为处理器,图5为STM32原理图。芯片集成64kBy片内SRAM(StaTIcRAM),512kByte片内Flash,具备1个JTAG(JointTestAcTIonGroup)调试、1个电源(Light-EmitTIngDiode)、1个状态LED,还包括RS-232接口、2.0SLAVE接口、MicroSD卡插座以及后备。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38kHz的载波信号,最终完成语音信号的红外通信。
图5 STM32原理图

2、系统软件设计

由系统软件实现语音信号的编码、解码、数字滤波和模数转换,发射端系统软件主要包括语音信号采集和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4000个数据,以600Byte/s的速率发送信号,以解决红外通信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

3、系统测试

系统整体测试方案是用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1kHz方波作为模拟语音信号加载到处理器产生的38kHz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
对系统整体测试数据进行分析,该系统能实现8m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

4、结语

笔者给出了基于STM32的嵌入式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0.1V,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8m。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。