【正文】 老師們淵博的學識、盡職盡責的治學態(tài)度與同學們的熱情活力、創(chuàng)新的思維，都將使我終生受益，時刻鞭策這我積極努力。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 35 參 考 文 獻 [1] 紅外技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀論文 . [2] LIFI. [3] Infrared Communication Module RPM882H7 [4] 宋巖 .CortexM3權(quán)威指南 (中文 ).北京 :,2020 康光華 .電子技術(shù)基礎(chǔ) .北京 :高等教育出版社 ,2020 [5] 意法半導(dǎo)體 (中國 )投資有限公司 .STM32中文參考手冊 : ， 2020 [6] 郭天祥 .新概念 51單片機 C語言教程 —— 入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略 .北京：電子工業(yè)出版社 .2020 [7] 星翼電子科技有限公司 .STM32開發(fā)指南 .廣州 :,2020 [8] LTC1068 Series ClockTunable, Quad Second Order, Filter Building Blocks. [9] 傅豐林 .低頻電子線路 .北京 :高等教育出版社 ,2020 [10] 楊欣 ,王玉鳳 ,劉湘黔 .電子設(shè)計從零開始 .北京 :清華大學出版社 ,2020 [11] 深圳市富滿電子有限公司 .FM6316BE 移動電源專用管理 IC [12] 2020 ARM 編譯工具 編譯器參考指南 . [13] 張輝 ,曹莉娜 .通信原理 .北 京 :科學出版社 ,2020 [14] 張輝 ,曹莉娜 .現(xiàn)代通信原理與技術(shù) .西安 :西安電子科技大學出版社 ,2020 [15] 黃智偉 .全國大學生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程 .北京 :電子工業(yè)出版社 ,2020 [16] 遠坂俊昭 .測量電子電路設(shè)計 —— 濾波器篇 .北京 :科學出版社 ,2020 [17] 遠坂俊昭 .測量電子電路設(shè)計 —— 模擬篇 .北京 :科學出版社 ,2020 [18] 松井邦彥 .OP放大器應(yīng)用技巧 100例 .北京 .科學出版社 ,2020 [19] .怎樣使用運算放大器 .北京 .人民郵電出版社 ,1985 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 36 致 謝 衷心感謝信息科學技術(shù)學院譚克俊老師在大學學習期間，對我的幫助以及給予給我的鼓勵，在學習上給予了我嚴謹、全面的指導(dǎo)，在實驗中提供了先進、方便的實驗器材，生活中給予了我熱情、細致的照顧和理解。 （ 7） 掌握了制作印刷電路板 PCB 的方法，穩(wěn)壓電源及示波器的使用方法，鍛煉了動手焊接能力和電路問題排查能力。 （ 3） 能夠設(shè)計模擬電路，使用常見的運算放大器對信號進行調(diào)理；能夠設(shè)計低通或高通濾波器，了解了模擬電路中電源的使用和區(qū)分信號的參考電平；能夠制作功率放大電路，實現(xiàn)信號的功率放大。 測試輸出波形數(shù)據(jù) 本設(shè)計測試并記錄了負載喇叭上信號的相關(guān)參數(shù)，用 直流穩(wěn)壓電源供電，上電后首先對各模塊進行調(diào)整，保持發(fā)射部分與接收部分距離 2 米，用萬用表測量在不同頻率輸入信號情況下輸出信號有效值并列成表格；觀察顯示屏上的溫度值并與溫度計測量的室溫進行比較；阻礙紅外信號傳輸路徑觀察接收部分指示燈顯示情況，結(jié)果如下表所示。 圖 中繼電路實物圖 紅外中繼模塊 PCB 布線圖如下所示。檢測結(jié) 構(gòu)如下圖所示。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 28 圖 300Hz LF353 高通濾波器截止頻率前輸出波形 高通濾波器截止頻率后輸出波形如圖 所示。 圖 接收部分工作圖 紅外接收模塊測試 本設(shè)計用示波器觀察紅外接收模塊輸出波形， 檢測傳感器是否捕捉到信號邊沿，將其與理論對比，黃色的波形為發(fā)射端串口輸出波形，綠色的波形為傳感器基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 27 輸出波形。紅外通信系統(tǒng)接收部分工作流程為：紅外接收模塊的兩個接收傳感器接收發(fā)射部分發(fā)射的紅外光信號，將其轉(zhuǎn)換成電信號，送給單片機外部中斷；單片機根據(jù)外部中斷檢測的脈沖將其恢復(fù)成串口數(shù)據(jù)，送給 USART 接收引腳 RXD，從串口數(shù)據(jù)寄存器中獲得溫度與語音數(shù)據(jù)，經(jīng)過分離后分別送給顯示器和 DAC；經(jīng)過單片機DAC 轉(zhuǎn)換后的模擬信號被濾波器濾波，在由信號調(diào)理電路進行調(diào)整，送給功率放大器；功率放大器驅(qū)動喇叭發(fā)聲，從而聽到語音。 本設(shè)計使用的下載軟件是 mcuisp,有單片機在線編程網(wǎng)提供，其啟動界面如圖 所示。 [7]本設(shè)計采用的是通過串口下載代碼，這也是最常用、最經(jīng)濟的下載方式。函數(shù) LCD_ShowNum()用于在液晶屏指定位置顯示數(shù)字，本設(shè)計中顯示的就是溫度值。 程序中由外部中斷不斷恢復(fù)串口數(shù)據(jù)，在外部有杜邦線直接與單片機 RXD 管腳連接，送給串口接收并產(chǎn)生接收中斷，在串口中斷函數(shù)中對接收到的數(shù)據(jù)直接判斷，若為溫度信號，則通過 TFT 液晶屏顯示溫度值，顯示背景白色，字體高亮為紅色；若為語音信號，先將其擴展成 12 位數(shù)據(jù)，即右移 4 位，然后送給 DAC數(shù)據(jù)寄存器進行 DA 轉(zhuǎn) 換；在主函數(shù)中設(shè)置計數(shù)變量 times 計數(shù)接收到串口數(shù)據(jù)的個數(shù)，當定時器定時結(jié)束（ 5ms），在定時器溢出中斷函數(shù)中判斷 times 次數(shù)是否大于 10 次，如果 5ms 時間內(nèi)接收串口數(shù)據(jù) 10 次以上，就說明紅外通信正常進行，點亮 LED 燈；若小于 10 次，可以說明紅外通信中斷，熄滅 LED。 中斷函數(shù)配置 STM32 的中斷分為 5 組，組 04，由 SCBAIRCR 寄存器定義。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 21 RealView MDK 的一個強大的功能就是能夠提供軟件仿真，通過軟件仿真，工程師可以發(fā)現(xiàn)很多將要出現(xiàn)的問題，避免了下載到 STM32 里面來查這些錯誤；軟件仿真最大的好處就是能在 MDK 的仿真下查看很多與硬件相關(guān)的寄存器，通過觀察這些寄存器可以知道代碼知否有效；另一個好處就是不用頻繁的刷機，延長了STM32 的 FLASH 使用壽命。 圖 中繼轉(zhuǎn)發(fā)電路 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 20 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件開發(fā)環(huán)境簡介 本設(shè)計所使用的軟件開發(fā)平臺是德國 KEIL公司開發(fā)的 RealView MDK,它的界面與 Keil 十分相似，其集成了 uVision3 集成開發(fā)環(huán)境與 RealView 編譯器，可以將ISO 標準 C90、 C99 和 C++代碼編譯為 16/32 位的 Thumb2 代碼，遵循 ARM 體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)標準應(yīng)用程序二進制接口（ BSABI），編譯器特別可以生成 ELF 格式的輸出對象，生成 DWARF 調(diào)試標準版本 3 調(diào)試信息，還支持 DWARF2 調(diào)試表；可以進行交叉存取帶有源代碼的匯編語言列表，可以生成輸出代碼的匯編語言列表。 FM6316BE具有包括充電放倒灌保護，負載過流保護，軟啟動保護，短路保護，過溫及欠壓基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 19 保護等多重保護設(shè)計。電源部分本設(shè)計制作了一個鋰電池充電板，由鋰電池供電。 紅外通信中繼模塊設(shè)計 紅外發(fā)射電路設(shè)計 在紅外光通信系統(tǒng)的設(shè)計中，還要設(shè)計紅外中繼模塊，使紅外通信方向改變90 度，此模塊集成了紅外發(fā)光管和紅外接收模塊，紅外接收模塊接收到發(fā)射部分的紅外信號，輸出電壓信號無需經(jīng)過處理直接驅(qū)動發(fā)光管，信號即由發(fā)光管發(fā)射給接收端。本設(shè)計中并沒有使用到其觸摸功能，僅用于顯示功能。功率放大電路使用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的集成功放TDA2020,它輸出電流能力強，諧波失真和交越失真小，使用安全，各引腳都有交、直流保護， 負載電壓可 沖至 40V。 信號調(diào)理模塊設(shè)計 濾波電路之后是信號電壓調(diào)理電路， DAC 輸出的在 的信號濾除直流分量和高頻分量后需要送給功率放大器，功放電路采用單電源供電 ,所以需要將濾波器輸出的雙極性信號變?yōu)閱螛O性信號，同時將信號進行適當放大。 [16] 低通濾波器設(shè)計 為了提高濾波器濾波效果，本設(shè)計的低通濾波器使用了凌力爾特公司生產(chǎn)的LTC106825 濾波器設(shè)計模塊，它將 4 個相同的二階濾波器模塊封裝在一個芯片中，每個模塊中心頻率誤差 +%到 +%，低噪聲低供電電流，工作電壓靈活；可設(shè)計中心頻率 4Hz 到 200kHz 的低通或高通濾波器及中心頻 率 4Hz 到 140kHz 的帶通或帶阻濾波器；它通過外部時鐘（ PWM）來調(diào)整內(nèi)部每個二階濾波模塊的中心頻率，通過凌力爾特公司開發(fā)的專門用于 LTC1068 家族的濾波器設(shè)計軟件 Filter CAD 可以方便地設(shè)計出需要的濾波器，精確且很實用。用定時器 3 邊沿對齊模式來產(chǎn)生PWM 供后面的低通濾波器使用。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 13 圖 通用定時器框圖 定時器的計數(shù)模式分為向上計數(shù)模式、向下計數(shù)模式和中央對齊模式，本設(shè)計采用了向上計數(shù)模式，定時器時鐘選擇為內(nèi)部時鐘。它的脈沖長度和波形周期可以通過 RCC 時鐘控制器預(yù)分頻器和定時器預(yù)分頻器在 幾個微秒到幾個毫秒之間進行調(diào)整。在發(fā)射端截取數(shù)據(jù)時，由低 4 位產(chǎn)生的最大誤差電壓為 ，可以認為同時夾雜著噪聲信號，這樣截取后起到了一定的濾除噪聲電壓的作用，接收端接收的數(shù)據(jù)就是經(jīng)過減噪的數(shù)字信息。設(shè)置了 DAC 的輸出緩存后，帶負載能力加強，但是 STM32 的 DAC 緩存設(shè)置后輸出不是軌到軌的，最低輸出電壓不能達到 0V，為此我們可以在發(fā)射端對語音信號做調(diào)整，也可以不使用 DAC 緩存，而是后加電壓跟隨器做緩沖，無論那種方法都可以是信號傳輸至后級。其通道模塊框圖如圖 所示： 圖 DAC通道模塊框圖 通過設(shè)置 DAC 數(shù)據(jù)保持寄存器的值就可以在 DAC 輸出端到得到相關(guān)的電壓。 STM32 單片機 DAC 大容量的 STM32F103 單片機具有內(nèi)部 DAC，本設(shè)計所用的單片機是帶有 DAC 模塊的。 圖 字長設(shè)置 在使用其串口時要對其進行初始化，初始化是不用設(shè)置奇偶校驗位的，本設(shè)計使用的是 9 位數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)置了 1 位奇偶校驗位和 8 位的數(shù)據(jù)位。 STM32 的串口波特率計算公式如下： ）（波特率 US A R T DI VRxTx P C L K*16 f/ x? （ ） 此式中， PCLKxf 是給串口的時鐘， USARTDIV 為一個無符號定點數(shù)，只要能 夠得到 USARTDIV 的值，就可以得到串口波特率寄存器 USART1BRR 值，反之，我們得到 USART1BRR 的值，也就可以推導(dǎo)出 USARTDIV 的值。 [5]任何 USART 雙向通信至少需要兩個引腳：接收數(shù)據(jù)輸入（ RX）和發(fā)送數(shù)據(jù)輸出（ TX），本設(shè)計作為紅外通信系統(tǒng)的接收部分，使用到了 USART 的接收數(shù)據(jù)輸入端（ RXD）， RX 通過過采樣技術(shù)來區(qū)分噪音和數(shù)據(jù)，從而恢復(fù)數(shù)據(jù)。同步通信時要保證發(fā)送方時鐘直接對接收方時鐘控制的建立，使收發(fā) 雙方達到完全同步，保持位同步和字符同步關(guān)系；異步通信指的是通信發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時鐘來控制數(shù)據(jù)的傳輸過程，如圖 所示。通過配置這些寄存器就可以使用單片機的外部中斷了，本設(shè)計所應(yīng)用的就是它的邊沿觸發(fā)方式， 由單片機 IO 口 PEPE3 管腳輸入，實時根據(jù)接收傳感器輸出的跳變沿控制內(nèi)部 IO 口 PA0 管腳輸出信號波形。 [4] 本設(shè)計處理器平臺 STM32F103ZET6 來自于星翼電子科技有限公司所做的戰(zhàn)艦ALIENTEK STM32 開發(fā)板，該開發(fā)板將 STM32 的資源開發(fā)到了極致，基于所用 STM32的內(nèi)部資源都可以在此板上得到驗證，配套的軟件資料分為庫函數(shù)版本和寄存器版本，將內(nèi)部控制寄存器的函數(shù)打包，不用自己一點點追究每一個控制位的設(shè)置，使用起來很方便，它的最小系統(tǒng)原理圖如圖 所示： 圖 STM32F103ZET6 單片機最小系統(tǒng) 本設(shè)計用了此單片機的外部中斷、串口通信、 DA 轉(zhuǎn)換、定時器等硬件資源，加上軟件上的設(shè)計，構(gòu)成了本設(shè)計的處理核心。與 ARM7 TDMI 相比， CortexM3 擁有的性能更強勁、代碼密度也更高、中斷可嵌套、低功耗、位帶操作、成本低等眾多優(yōu)勢。為了判斷紅外傳輸過程是否一直進行，本設(shè)計先是設(shè)置一個計數(shù)變量每接收到一個串口數(shù)據(jù)計數(shù)一次，然后通過單片機定時器定時一段時間，在定時器中斷中判斷次計數(shù)變量是否大于一定數(shù)值，就得知數(shù)據(jù)是否一直在接收，從而判斷傳輸過程是否在進行，并通過指示燈指示出來 。兩個接