【正文】 接與算術(shù)邏輯單元 (ALU)相連，允許在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單條指令中兩個(gè)獨(dú)立的寄存器同時(shí)被訪問，這種結(jié)構(gòu)提高了代碼的執(zhí)行效率，比普通 CISC結(jié)構(gòu)單片機(jī)要快接近 10 倍。 ATmega128 單片機(jī)簡(jiǎn) 介 ATmega128 單片機(jī)是一款基于 AVR 單片機(jī)的增強(qiáng)型 RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS 8 位微控制器。為了完 成本設(shè)計(jì)中的控制任務(wù)，還需要按鍵和 12864 液晶顯示屏，因此為了實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的控制任務(wù)和將來的擴(kuò)展應(yīng)用，我給單片機(jī)的所有功能引腳都接上了外擴(kuò)排針。 控制部分 的電路設(shè)計(jì) 本文所設(shè)計(jì)的音頻傳輸系統(tǒng)受單片機(jī)的控制，傳輸過程中單片機(jī)控制 其 到底傳輸哪一路音頻信號(hào)（麥克風(fēng)采集的音頻信號(hào)和外圍設(shè)備接入的音頻信號(hào)）；為了保證激光傷到眼睛，激光的開啟和關(guān)閉也要受單片機(jī)的控制；單片機(jī)的另一個(gè)重要任務(wù)時(shí)完成接收到的音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并控制 12864 液晶顯示出音頻的波形。而使其空載時(shí)輸出的電流大于或等于其最小穩(wěn)定工作電流，從而保證 LM317在空載時(shí)能夠穩(wěn)定地工作。當(dāng) LM317 的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)， LM317 就不能穩(wěn)定工作。最小穩(wěn)定工作電流一般為 。首先 LM317 的輸出電壓范圍是 37V，所以 R2/R1 的比值范圍只能是0~。 Vout = (1+R2R1) +IadjR2 （ 31） 由于 Iadj被控制在 100uA，這一項(xiàng)的誤差在多數(shù)應(yīng)用中可忽略。當(dāng)穩(wěn)壓器離電源濾波器有一定距離時(shí)， Cin是必需的， Co對(duì)穩(wěn)壓性能而言是不必要的，但可以改進(jìn)瞬態(tài)響應(yīng)。還可以把調(diào)整端接到一個(gè)可編程的電壓上，實(shí)現(xiàn)可編程的電源輸出。 LM317 能夠有許多特殊的用法，比如，把調(diào)整段懸浮到一個(gè)較高的電壓上，可以用來調(diào)節(jié)高達(dá)數(shù)百伏的電壓，只要輸入輸出壓差不超過 LM317 的極限就行。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應(yīng)。 LM317 內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。它的使用非常簡(jiǎn)單，只需要兩個(gè)輸出電阻來設(shè)置除輸出電壓。 LM317 是美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。音頻接收 電路如圖 36所示。我們用一個(gè)電阻將該變化的電流信號(hào)給取出來，并濾除直流分量，我們便得到了所需的音頻信號(hào)，但是該音頻信號(hào)極其微弱，不足以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，所以我們需要對(duì)該小信號(hào)進(jìn)行功率放大， 功率放大電路采用功放集成芯片 LM386 的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路 ,可通過滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)增益 。 圖 35 音頻發(fā)送 電路 就接收部分來說，本設(shè)計(jì)采用的是光敏二極管作為接收頭。另外，激光器 需要串聯(lián)一個(gè) 100Ω左右的限流電阻 ,并加入了單片機(jī)的控制 ,以免激光射傷人眼 。單純的音頻信號(hào)是達(dá)不到這一目的的，因此為了達(dá)到這一目的，我們需要將音頻信號(hào)疊加一個(gè)穩(wěn)定的直流偏置電壓，保證激光的調(diào)制信號(hào)的最小值也能使通過激光的電流處于閾值電流之上，如此才能保證激光工作在線性區(qū)域。 根據(jù) CD4051B 的引腳圖，可設(shè)計(jì)出用于本音頻傳輸系統(tǒng)的 數(shù)控模擬開關(guān)，如圖 34(b)所示 ，其中， PD0、 PD PD PD3 是單片機(jī)的 I/O 口，通過對(duì)這些端口的編程可實(shí)現(xiàn) audio1 和 audio2 兩路信號(hào)的切換，對(duì)應(yīng)的端口狀態(tài) 及通斷狀況 見 表 31。 音源切換電路僅僅使用一個(gè)八選一模擬開關(guān)，本文設(shè)計(jì)的音頻傳輸系統(tǒng)需要在兩個(gè)輸入信號(hào)中選擇其中一個(gè)，選擇哪個(gè)通路受單片機(jī)控制。 INH 輸入端輸入“ 1”電平時(shí)將全部通道置為關(guān)斷狀態(tài)。CD4051 系列模擬開關(guān)的靜態(tài)功耗極小。通過模擬開關(guān)的模擬量幅度可高達(dá) 15V，與 CD系列數(shù)字電路的 3V～ 15V 工作范圍正好相對(duì)應(yīng)。本設(shè)計(jì)選用 CD4051B 模擬開關(guān)。 圖 32 麥克風(fēng)輸入電路 音源切換電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)除了傳輸自身麥克風(fēng)輸入的音頻信號(hào)，還可以傳輸外部接入音頻信號(hào)（如手機(jī)、 MP3 播放器 等）。本設(shè)計(jì)選用集成運(yùn)算放大器 UA741,麥克風(fēng)輸入電路如圖 32。本部分電路的目的便是完成聲音到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，也稱“拾音”。 本章下文將對(duì)該音頻傳輸系統(tǒng)的每個(gè)部分做相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)。本音頻傳輸系統(tǒng)需要達(dá)到在對(duì)著麥克風(fēng)說話 時(shí)能從接收器的揚(yáng)聲器中聽到所說的內(nèi)容的目的， 液晶 顯示屏 則實(shí) 麥 克 風(fēng) 輸 入 模 塊外 接 音 源直 流 穩(wěn) 壓 模 塊音源切換電路tV0+CLtV0tV0驅(qū) 動(dòng) L D激 光光 強(qiáng)0發(fā) 送光 敏 二 極 管激 光+ E0Vtt隔 直 ， 功率 放 大0tV單 片 機(jī) A / D 采 集 顯 示 波 形接 收?qǐng)D 31音頻傳輸系統(tǒng)的總原理框圖 時(shí)顯示出音頻信號(hào)的波形。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 第 3 章 音頻傳輸系統(tǒng)硬件 電路 的 設(shè)計(jì) 音頻傳輸系統(tǒng)的總原 理 框圖 本文設(shè)計(jì)的音頻傳輸系統(tǒng)，是建立在第二章的理論依據(jù)之上的。 ??Φ ???? ???? ???? 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 而 ??Φ = ???? +???? = ??(???????? +1 ????? ) (26) ∴ U = ??Φjw????+1 ?????= ??Φ????1+????????????= ????????1+jw????????= ????????√1+(??????????)2.????Φ (27) 令 √1+ (??????????)2 = √2，得 ???????? = 2 (28) ???? = 12?????????? (29) 從這里可以看出，減少負(fù)載電 阻 ????，可使上限頻率 ????提高?，F(xiàn)計(jì)算光敏二極管的上限頻率 ????。由此可見，為了得到較大的輸出電壓 ????，除串接較大的 R 外，后級(jí)電路的輸入阻抗應(yīng)盡可能的大些。 圖 25 是光敏二極管的輸出電路和等效電路 .圖 (a)和圖（ b）的差別是輸出電壓 U的方向是相反的。 圖 24 畫出了硅光敏二極管的光電流 I 與照度 L 的關(guān)系，從圖上可以看出，它的光照特性線性較好，適合于檢測(cè)方面的應(yīng)用。無關(guān)照時(shí)，處于反相偏壓的光敏二極管工作在截至狀態(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反相偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流，即暗電流。與一般半導(dǎo)體二極管類似，其 PN 結(jié)轉(zhuǎn)在管子的項(xiàng)部，以便接受光照。 在穩(wěn)定條件下， PN 結(jié)上的光電壓與流經(jīng)負(fù)載的光電流 I 關(guān)系為 ]1)[e xp (sc ??? kTqVII (23) 當(dāng) I=0 時(shí)，可以確定開路光電壓 ocV 為 )1ln( ?? sscoc IIqkTV (24) 式中 scI 為短路電流。當(dāng)電勢(shì)差增長(zhǎng)到正向電流恰好抵消光致電流的時(shí)候，便達(dá)到穩(wěn)定情況，這時(shí)的電勢(shì)差稱為開路電壓。光照產(chǎn)生的電流和空穴擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所能起的距離為擴(kuò)散長(zhǎng)度。由于光照可以在空間電荷區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對(duì)，長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 它們分別被自建電場(chǎng)掃向 N 區(qū)與 P 區(qū)，就如同有一個(gè)電子由 P 區(qū)穿過空間電荷區(qū)到達(dá) N 區(qū)，形成光致電流。下面以 PN 結(jié)為例進(jìn)一步具體說明。在這些界面處都存在著一個(gè)空間電荷區(qū)，其中有很強(qiáng)的電場(chǎng)，稱為自建電場(chǎng)。通常稱前一類為丹倍效應(yīng)，而把光生伏特效應(yīng)的涵義只局限于后一類情況。嚴(yán)格來講，包括兩種類型：一類是發(fā)生在均勻半導(dǎo)體材料內(nèi)部；一類是發(fā)生在半導(dǎo)體表面。就本系統(tǒng)具體而言，接收部分需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，因而需要用到光電轉(zhuǎn)換器件，本設(shè)計(jì)采用光敏二極管 ，其機(jī)理是光 生伏特效應(yīng) 。另外，在模擬調(diào)制中，光源器件本身的線性特性是決定模擬調(diào)制好壞的主要因素，所以在線性度要求較高的應(yīng)用中，需要進(jìn)行非線性補(bǔ)償，即用電子技術(shù)校正光源引起的非線性失真。 ????： ?? = 調(diào)制電流幅度偏置電流 ?閾值電流 (21) ??????： ?? = 調(diào)制電流幅度 偏置電流 (22) 100 60 20 850 950 1050 波長(zhǎng) /um 相對(duì)輻射強(qiáng)度/% 高于閾值 低于閾值 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 由圖 23 可見，當(dāng) m大，調(diào)制信號(hào)幅度大，則線性較差；當(dāng) m小，雖然線性好，但調(diào)制信號(hào)幅度小。 半導(dǎo)體光源的模擬調(diào)制 無論是使用 LD 或 LED 作光源，都要施加偏置電流，使其工作在 LD 或 LED的 PI 特性曲線的直線部分，如圖 23（ b）所示。 要使半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制下不產(chǎn)生調(diào)制畸變，最基本的要求是輸出功率要與閾值以上的電流呈良好的線性關(guān)系；另外，為了盡量不出現(xiàn)馳豫振蕩，應(yīng)采用條寬較窄的激光器結(jié)構(gòu)；還有，直接調(diào)制會(huì)使激光器主模的強(qiáng)度下降，而次模的強(qiáng)度相對(duì)增加，從而使激光器譜線加寬，而調(diào)制所產(chǎn)生的脈沖寬度與譜線寬度之間相互制約，構(gòu)成所謂傅里葉 變換的貸款限制，因此，直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光 器的能力受脈沖寬度和譜線寬度之積的限制。 半導(dǎo)體激光器處于連續(xù)調(diào)制工作狀態(tài)時(shí)，無論有無調(diào)制信號(hào)，由于有直流偏置，所以功耗較大，從而引起溫度升高，會(huì)影響或破壞器件的正常工作。另外，偏置電流直接影響 LD 的調(diào)制性能，通常應(yīng)選擇在閾值電流附近且略低于閾值電流，則 LD 可獲得較高的調(diào)制速率，因?yàn)樵谶@種情況下， 2 . 55 . 07 . 51 0 . 005 01 0 01 5 02 0 0I t驅(qū) 動(dòng) 電 流 / m A輸出功率/mW 圖 21 半導(dǎo)體激光器的輸出特性 圖 22 半導(dǎo)體激光器的光譜特性 LD 連續(xù)發(fā)射光信號(hào)不需要準(zhǔn)備時(shí)間，其調(diào)制速率不受激光器中載流子平均壽命的限制；同時(shí)使馳豫振蕩也會(huì)得到一定的抑制。 為了獲得線性調(diào)制，使工作點(diǎn)處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調(diào) 制信號(hào)電流的同時(shí)加一適當(dāng)?shù)钠珗?zhí)電流，這樣就可以使輸出的光信號(hào)不失真。由圖 21 可以看出，發(fā)射激光的強(qiáng)弱直接與驅(qū)動(dòng)電流的大小有關(guān)。圖 3 為某半導(dǎo)體激光器的輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系曲線。根據(jù)調(diào)制信號(hào)的類型，直接調(diào)制又可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種，前者是用連續(xù)的模擬信號(hào)直接對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制，后者是用 脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。而直接調(diào)制是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)注入半導(dǎo)體光源（激光二極管 LD 或半導(dǎo)體二極管 LED），從而獲得已調(diào)制信號(hào)。 激光的調(diào)制 激光通信中，具有多種激光調(diào)制方法：電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和直接調(diào)制等。 發(fā)送部分 發(fā)送部分需要完成的工作是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，將信息加載到激光光束中，并向空間中發(fā)射出去。主要由發(fā)送器和接收器兩個(gè)部分組成，發(fā)送器完成激光的調(diào)制，將音頻信號(hào)加載到激光光束中，并向空間發(fā)送出去；接收器通過光電信息轉(zhuǎn)換器件接收來自發(fā)送器的光信號(hào)，解調(diào)出原始的音頻信號(hào)。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及論文結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)想要實(shí)現(xiàn)的功能如圖 11 所示，本論文的下文將詳細(xì)介紹本系統(tǒng)的原理及電路設(shè)計(jì)： 第一章，本文緒論，主要介紹無線激光通信和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及本文研究的目的及內(nèi)容安排； 第二章，介 紹本設(shè)計(jì)的主體部分（發(fā)送器和接收器）部分所涉及的理論依據(jù) ； 第三章，根據(jù) 發(fā)送和接收的理論依據(jù) 完成圖 11 所示的各模 塊的 硬件 電路設(shè)計(jì)； 第四章，進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)； 第五章，對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。 第四：焊接硬件電路并進(jìn)行調(diào)試。 第二：在理解通信原理的基礎(chǔ)上， 繼續(xù)查閱無線光通信和有關(guān)激光通信的知識(shí)，初步建立出本設(shè)計(jì)的模型。中國科學(xué)院研制的無線激光通信機(jī)，其傳輸距離為 10km。其后在該所相繼研制成功了砷化鎵半導(dǎo)體激光器、氟化鈣激光器、釹玻璃激光器、轉(zhuǎn)鏡 Q 開關(guān)激光器等。該系統(tǒng)的光源分別采用 1064nm的 YAG 固體激光器和 810nm半導(dǎo)體激光器，兩端機(jī)通信碼率分別為 650Mb/s 和 10Mb/s。 德國的空間光通信研究致力于發(fā)展高碼率激光衛(wèi)星空間系統(tǒng)，例如， 1989年開始的空間固體激光通信系統(tǒng)（ Solid State Laser Communication Space，SOLACOS）。 歐洲空間局（ ESA）于 20世紀(jì) 80 年代后期開始確立了一項(xiàng)宏偉計(jì)劃 ——SILEX(Semiconductor Laser InterSatellite Link Experiment )系統(tǒng)研制計(jì)劃，該計(jì)劃的目的是在兩顆衛(wèi)星間建立實(shí)驗(yàn)性的激光通信鏈路，其中高軌道（ GEO）終端機(jī)置于 ESA 的 ARTEMIS 同步衛(wèi)星上，低軌道（ LEO）終端載于法國的地球觀測(cè)衛(wèi)星 SPOT IV 上。美國的戰(zhàn)略導(dǎo)彈防御組織（ BMDO）也正在積極進(jìn)行空間激光通信的研制開發(fā)工作，該工程由空軍供給主要經(jīng)費(fèi)，由長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)的研究。因此，對(duì)無線光通信的研究，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。 光纖通信的速度雖然也是很快，但是其成本卻很大，鋪設(shè)線路需要預(yù)先設(shè)計(jì)，而且還需要專用的工具和設(shè)備進(jìn)行連接，并且光纖光纜的彎曲半徑不能過小，一旦設(shè)備進(jìn)行移動(dòng)或更換位置，以前鋪設(shè)的線路則無法更好的使用。有的公司采用波分復(fù)用技術(shù)，速率可以達(dá)到 Gbit/s、 10 Gbit/s。 光信號(hào)