【正文】 目基于單片機(jī)的激光通信儀學(xué) 院理學(xué)院專 業(yè) 光信息科學(xué)與技術(shù)班 級 09075311學(xué) 號 09075335學(xué)生姓名 沈繼宏指導(dǎo)教師 蔡本曉完成日期 2022 年 5 月杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文摘 要無線激光通信比起傳統(tǒng)無線電通信有許多優(yōu)勢，尤其是在高數(shù)據(jù)速率。 激光通信的特點優(yōu)勢，與應(yīng)用激光是一種方向性極好的單色相干光。激光通信的應(yīng)用主要有以下幾個方面：地面間短距離通信；短距離內(nèi)傳送傳真和電視；由于激光通信容量大，可作導(dǎo)彈靶場的數(shù)據(jù)傳輸和地面間的多路通信。 激光通信系統(tǒng)原理 大氣激光通信技術(shù)即無纖光通信技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新興技術(shù)，其原理是載波光信號通過大氣作為傳輸信道完成點到點或點到多點的信息傳輸。激光器的好壞直接影響通信質(zhì)量及通信距離，對系統(tǒng)整體性能的影響很大，因而對它的選擇是非常重要的。這種接收方式靈敏度高，信噪比大，但設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度大。隨著我國通信事業(yè)的迅速發(fā)展, 也對大氣激光通信提出了要求,從 70 年代起便開始了大氣激光通信的研究。這兩路 PWM 輸出共用同一個時基 timer2，它們的每個周期都是同步的，有相同的周期長度、起始點和結(jié)束點，因此可以來生成 PPM 信號。則在下一個 PPM 周期，生成相應(yīng)的 PPM 脈沖并被發(fā)送出去，每一個PPM 周期 CCPR2L 和 CCPRlL 被加載一次。本設(shè)計分別從硬件和軟件兩個方面來探討一些提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾能力的方法。去耦電容焊在印制電路板上時，引腳盡量短。 主要控制電路設(shè)計方案激光通信系統(tǒng)是一個典型的應(yīng)用型控制系統(tǒng)。目標(biāo)代碼簡短，占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快，是高效的程序設(shè)計語言，經(jīng)常與高級語言配合使用，以改善程序的執(zhí)行速度和效率，彌補高級語言在硬件控制方面的不足，應(yīng)用十分廣泛。程序代碼如下所示：主機(jī)： bsf status,5 movlw b39。SSPEN 置 1，允許串行端口工作，SS 從動選擇，置 0。本文能夠順利完成，要特別感謝我的導(dǎo)師蔡本曉老師，感謝各位系的老師的關(guān)心和幫助。0011010039。研究和發(fā)展大氣激光通信, 加大通信距離, 實現(xiàn)全天候移動通信, 是電子對抗和通信對抗的需要, 也是未來發(fā)展的趨勢之一。 movwf adcon1bcf status,5movlw b39。 主程序設(shè)計程序的主控制流程如下圖 11 所示：杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文17開始 設(shè)置 RC,RD 端口方向A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)置 設(shè)置定時器 TMR0 設(shè)置 SSPCON 寄存器 設(shè)置 SKE 和 SMP定時器溢出 ?Y開始 A/D 轉(zhuǎn)換NA/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束NY寫 A/D 結(jié)果到D 口，SSPBUF開始 設(shè)置 RC,RD 端口方向 設(shè)置 SSPCON 寄存器查詢接受過程完成？NY讀取收到的數(shù)據(jù)，送顯主機(jī)從機(jī) 圖 11 程序控制流程圖程序的初始化主要分為三個部分：a) I/O 端口初始化杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文18單片機(jī)的 D 口全部設(shè)置為輸出態(tài)，全部輸出低電。如圖 9 所示： 圖 9 同步串行電路 控制電路實物控制電路事物如圖 10 所示，左下角是電位器，采集模擬電壓數(shù)據(jù)；中間左右兩塊的是主要的控制芯片 pic16f877a，所有邏輯的處理，以及 AD 轉(zhuǎn)換，串行通信都由該芯片來完成，是該電路中最重要的部件；當(dāng) AD 轉(zhuǎn)換完畢主機(jī)就把數(shù)據(jù)顯示在紅 LED 燈上，然后通過串行通信把數(shù)據(jù)傳送給從機(jī)，顯示在綠 LED 燈上。在正負(fù)電源直接一 106 的獨石電容，起到濾波，穩(wěn)壓的作用。在石英晶體振蕩器下面加大接地的面積而不走其它信號線。? 單片機(jī)通信協(xié)議的采用及編程。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)為空時， ．不發(fā)送 PPM 脈沖(或者認(rèn)為是在發(fā)送空周期) ，這時保持 CCP 模塊中的 CCPRIL 和 CCPR2L 清空即可。收發(fā)器完成數(shù)據(jù)傳送的功能，實際上就是為兩個數(shù)據(jù)終端之間提供一條物理通道，實現(xiàn)通信系統(tǒng)中的物理層，高層協(xié)議借助物理層來通信，但并不需要了解物理層的具體結(jié)構(gòu)。日本從 80 年代中期就開始星間激光通信的研究工作,主要有郵政省的通信研究實驗室(CRL)、高級長途通信研究所(ATR) 的光學(xué)及無線電研究室。直接檢測接收是利用光學(xué)系統(tǒng)和光電探測器把光學(xué)信號直接轉(zhuǎn)換成電信號的過程，它是一種簡單而實用的接收方式，如砷化鎵激光通信就是直接檢測接收，缺點是靈敏度低，信噪比小。調(diào)制器的作用是把二進(jìn)制脈沖變換成或調(diào)制成適宜在信道上傳輸?shù)牟ㄐ瓮ㄐ攀辜す馄靼l(fā)光，其目的是在不改變傳輸結(jié)果的條件下，盡量減少激光器發(fā)射總功率。因此研究和發(fā)展激光通信，加大通信距離，實現(xiàn)全天候移動通信，是電子對抗和通信對抗的需要，也是未來發(fā)展的趨勢之一。激光在傳播過程中，受大氣和氣候的影響比較嚴(yán)重，云霧、雨雪、塵埃等會妨礙光波傳播。目前，激光通信技術(shù)由于其單色性好，通信容量大，方向性好，難以竊聽，成本低，安裝快等特點，已成為當(dāng)今世界信息技術(shù)的一大熱點，因此其發(fā)展局勢與潛力已引起高度重視。實驗誤差的顯示表明，本設(shè)計在進(jìn)行短距離的測量時誤差比較小，所以可以應(yīng)用在簡單的數(shù)據(jù)傳送等方面。要傳送的信息送到與激光器相連的光調(diào)制器中，光調(diào)制器將信息調(diào)制在激光上，通過光學(xué)發(fā)射天線發(fā)送出去。 20 世紀(jì) 90 年代后期研制的激光通信系統(tǒng)功能強(qiáng)、技術(shù)復(fù)雜、自動化程度高。圖 1 所示的是一臺激光通信機(jī)的原理框圖。調(diào)制方式有內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種。在較低的大氣層中大部分水份以水滴、霧和水蒸氣的形式集合起來，占大氣體積的4％，同時光的傳播也受到天氣的影響，它使大氣能見度變差。 控制方法的確定 該領(lǐng)域現(xiàn)有的控制方法 PPM 調(diào)制方式具有編碼簡單、能量傳輸效率高的優(yōu)點，是激光無線通信中常用的調(diào)制方式。PIC 單片機(jī)軟件部分主要有 3 個模塊：串口通信模塊、PPM 編碼模塊和PPM 解碼模塊。每個脈沖到來的時刻，觸發(fā)一次中斷并用 PPM 計數(shù)器 PPMCt 記錄下該時刻 timerl 的值；同時 PPM 周期計數(shù)器 PPMPrCt 加上一個周期的長度(即PPMPrCt 加上 1024)。元件面和焊接面采用相互垂直、斜交、或者彎曲走線，避免相互平行以減少寄生耦合；避免相鄰導(dǎo)線平行段過長，加大信號線間距。提高印制板和組裝的質(zhì)量。 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計 PIC16F877A 自帶 10 位的 ADC 模塊,ADC 的任務(wù)就是將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號。由于這部分代碼與硬件的關(guān)系非常密切，即使是 C 語言也會顯得力不從心，而匯編語言則能夠很好揚長避短，最大限度地發(fā)揮硬件的性能。0000111039。movwf sspcon從機(jī)：bsf trisa,5 clrf sspstat bcf status,5 movlw b39。 movwf adcon1 bcf status,5 movlw b39。 movwf sspcon clrf portc clrf portd movlw b39。 movwf sspcon杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文20 系統(tǒng)運行穩(wěn)定性改進(jìn)為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，激光一定要對準(zhǔn)，天氣也很有影響。0100000139。其次，在系統(tǒng)程序的核心部分，以及與系統(tǒng)硬件頻繁打交道的部分，可以使用匯編語言。而且設(shè)置 RA0 為模擬入口。此外考慮到激光通信系統(tǒng)需要實時監(jiān)測同步串行的時鐘，因此對于 AD 轉(zhuǎn)換速度及精度要求較為苛刻，綜上所述采用 PIC16F877A 單片機(jī)作為控制芯片。 印制電路板按單點接電、單點接地的原則送電。二者相減，差值△就是該脈沖在對應(yīng)的 PPM 周期中的位置。模塊中設(shè)置了發(fā)送和接收兩個環(huán)形隊列緩沖區(qū)，以使模塊有較好的性能。以單片機(jī)為核心的電路，其辦法是生成攜帶數(shù)據(jù)信息的 PWM 信號，然后通過觸發(fā)整形電路轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的 PP,M信號，它需要額外的信號轉(zhuǎn)換電路，且產(chǎn)生的 PPM 信號的脈沖寬度是固定的，不可由軟件設(shè)定。不同波長的激光在大氣中的吸收衰減也不同。把調(diào)制元件（如光電晶體等）放到光源之外，使被信息信號調(diào)制了的電信號加到調(diào)制晶體上，當(dāng)光束通過晶體后，其光束中的某個參數(shù)（強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等）隨電信號變化而變化，從而成為載有信息的光信號稱為外調(diào)制。受調(diào)制的信號通過功率驅(qū)動電路使激光器發(fā)光，這樣載有語音信號的激光通過光學(xué)天線發(fā)射出去。還可以實現(xiàn)激光通信與無線電通信互相轉(zhuǎn)換，即在大雨、大霧的天氣可用無線電通信，其它時間則用激光通信。激光通信優(yōu)點：通信容量大。 Laser。單片機(jī)作為微型計算機(jī)的一種，它具有如下的特點：（1）具有優(yōu)異的性能價格比（2）集成度高，體積小，可靠性高（3）控制功能強(qiáng)，開發(fā)應(yīng)用方便（4）低電壓，低功耗。由于激光束發(fā)散角小，方向性好，激光通信所需的發(fā)射天線和接收天線都可做的很小，一般天線直徑為幾十厘米，重量不過幾公斤，而功能類似的微波天線，重量則以幾噸、十幾噸計。美國航天局（NASA）正在研制 800～850 nm 半導(dǎo)體激光器地面和空間之間的通信技術(shù)，在 2022 年進(jìn)行容量為 2．5 Gbit／s 的地面到衛(wèi)星的通信實驗。它由計算機(jī)、接口電路、調(diào)制解調(diào)器、大氣傳輸信道等幾部分組成，其基本模式如圖 1 中相關(guān)部分所示。杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文5 光接收系統(tǒng)光接收是把從遠(yuǎn)處傳來的已被調(diào)制的光信號通過光學(xué)接收透鏡匯聚、濾波器濾波、光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的過程。美國宇航局(NASA)在 LCoS(Laser Communieation Demonstration System)系統(tǒng)中,對信號光的調(diào)制方式曾經(jīng)有開關(guān)鍵控(00K)調(diào)制與差分脈沖位置 (DPPM)調(diào)制兩種選擇,OOK 調(diào)制的優(yōu)點是對激光器光源頻率的穩(wěn)定性要求不高, 但是缺點是接收機(jī)不可能達(dá)到量子極限,DPPM 調(diào)制方式可達(dá)到量子極限 , 但對激光器光源頻率的穩(wěn)定性要求嚴(yán)格,NASA 最終選擇了 OOK 調(diào)制,而信標(biāo)光采用連續(xù)波 (CW)調(diào)制方式。在室外無線空間環(huán)境下實現(xiàn)兩個數(shù)據(jù)終端點對點短距離