【正文】 到通信過程中可能會遇到的問題，了解了各種保證通信質(zhì)量的方法，同時硬件和軟件的設(shè)計也鍛煉了我們的動手和編程能力，提高了我們的專業(yè)技能。并且要能夠增加一路數(shù)字信道，實時傳輸發(fā)射端的環(huán)境溫度，在接收端通過顯示屏 顯示出來，溫度傳輸延時不得超過 10 秒，能夠制作一個紅外光通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，改變通信方向 90 度，傳輸距離要求不變，如圖 所示。 圖 紅外接收模塊方框圖 本設(shè)計與發(fā)射部分配合完成以上要求，考慮到應用的處理器 IO 管腳不能接受基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 4 0V 到 范圍以外的電壓，發(fā)射部分首先將輸入的語音信號進行波形變換， 將電壓限制在單片機規(guī)定的范圍，然后通過單片機內(nèi)部的 ADC 采集語音信號，將其進行 PCM 編碼后變成數(shù)字信號，采樣率大于語音信號最高頻率兩倍以上。發(fā)射部分要求使用紅外發(fā)光管發(fā)送信息，所以串口的數(shù)據(jù)波形要經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動紅外發(fā)光管發(fā)光，通過發(fā)光管的亮滅來反映數(shù)字信號電平變化。經(jīng)過 DAC 轉(zhuǎn)換后的信號后要經(jīng)過功率放大電路，驅(qū)動喇叭或耳機發(fā)聲，這樣整個紅外光通信系統(tǒng)工作完成。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 5 第 3 章 系統(tǒng)模塊設(shè)計 紅外接收模塊設(shè)計 此模塊中重點之處是紅外接收傳感器的選擇，紅外光經(jīng)過兩米的傳輸后已經(jīng)很微弱，所以接收端要有一個性能好的傳感器來接收并放大還 原紅外光，同時還要將其轉(zhuǎn)換成電信號供電路使用，比較常用的一體化紅外接收頭如 HS0038B，是很多單片機開發(fā)板中遙控器例程所使用的接收頭，也是同學應用比較熟悉的傳感器，它通常用來接收載波頻率 38KHz 的數(shù)字調(diào)制信號，可以輸出數(shù)字信息。又比如普通的紅外接收管，雖然很常見很便宜，也經(jīng)常與紅外發(fā)射管配對使用，但是它的靈敏度低，輸出的信號很微弱，需要外接復雜的放大電路來還原接收到的信號，很難達到穩(wěn) 定傳輸兩米距離的要求。它集成了紅外發(fā)光 LED 和接收頭，分為 IrDA 模式（紅外）和 RC 模式（遠程控制），工作電壓從 到 ，本設(shè)計使用常用的 對其供電。并且其內(nèi)部集成了放大還原電路，輸出信號 穩(wěn)定且精確。從傳感器輸出的電壓信號與紅外發(fā)送的信號波形對比中可以看到， RPM882H7IrDA 只對紅外信號的下降沿有反映，當檢測到信號下降沿的時候即輸出一個脈沖，脈沖寬度為 ，即最大可以準確反映的信號頻率為 。 圖 數(shù)字信號波形分析 這樣也就能夠確定信號的波形。其設(shè)計電路如圖 所示： 圖 RPM882H7紅外收發(fā)一體化模塊電路 兩路紅外信號接收到了，本設(shè)計把它送入了單片機處理模塊，用來恢復串口信號并送給 DA 轉(zhuǎn)換，從中提取溫度信號并顯示，同時判斷紅外傳輸是否正在進行。兩個接收頭之間的距離要盡量寬，這樣可以增大接收范圍，提高接收信號的精準度。軟件設(shè)計中判斷并提取出 溫度數(shù)據(jù)后直接送給顯示器顯示，將語音信號送給 STM32單片機內(nèi)部 DA 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，由 DA 輸出語音波形。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 。 ARM 成立于 1990 年，是蘋基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 7 果、 Acorn 和 VLSI 三家公司的合資，現(xiàn)如今最流行的是基于 ARMv7 架構(gòu)的 ARM 處理器，它加入了經(jīng)過優(yōu)化的 Thumb2 指令集，這是現(xiàn)在最前衛(wèi)的新技術(shù)。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。作為 CortexM3 內(nèi)核最先嘗 蟹的公司之一， ST在技術(shù)支持方面都遠遠超過其他對手，其生產(chǎn)的 STM32F103 系列單片機擁有包括：FSMC、 TIMER、 SPI、 IIC、 USB、 CAN、 IIS、 SDIO、 ADC、 DAC、 RTC、 DMA 等外設(shè)及功能和 84 個中斷， 16 級可編程優(yōu)先級，非凡的功耗控制，而且它的開發(fā)成本低，具有極高的集成度。 [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。[5]它的每一個 IO 口都可以設(shè)為外部中斷輸入，觸發(fā)方式有上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)兩種，其外部中斷 /事件線路映像如圖 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。 [6]串行通信就是將數(shù)據(jù)按字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個傳送，對于一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，串口通信一次只傳送一位，所以最少要分八次才能傳送完畢，如圖 所示。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。 圖 異步串行通信數(shù)據(jù)格式 異步串行通信方式通常用于在單片機與單片機或單片機與計算機之間的通信。 [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)，從而恢復數(shù)據(jù)。 STM32 具有一個狀態(tài)寄存器（ USART_SR）、一個數(shù)據(jù)寄存器（ SUART_DR）、每 個串口都有自己的波特率寄存器（ USART_BRR）， 12 位的整數(shù)和4 位小數(shù)，可以用來設(shè)置不同的波特率。 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，也就可以推導出 USARTDIV 的值。本設(shè)計設(shè)置 STM32 單片機 USART 波特率為115200bps，以防語音信號不能及時傳輸。 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。通過串口狀態(tài)寄存器 USART_SR 讀取串口的狀態(tài)，包括串口數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成，是否接收到有效數(shù)據(jù)等，同時可以開啟 STM32 單片機的串口中斷，一個字符被接收到時， RXNE位被標記，進步中斷函數(shù)。 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。 DAC 工作在 12為模式的時候，可以設(shè)置數(shù)據(jù)為左對齊方式或右對齊方式，它的輸 出通道有兩個，每個通道都有單獨的轉(zhuǎn)換器；在雙 DAC 模式下，兩個通道可以獨立地進行轉(zhuǎn)換，也可同時進行并同步更新兩個通道輸出。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。當 DAC 的參考電壓為 Vref+的時候，DAC 的輸出電壓是線性的從 0Vref+， 12 為模式下的 DAC 輸出電壓與 Vref+及 DORx基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 12 的計算公式如下： )4 0 9 5/(* D O R xV re fD A C x ?輸出電壓 () 在 DAC 控制寄存器中可以設(shè)置 DA 輸出緩存位，因為 STM32 的 DA 輸出帶負載能力不是很強，如果后接運放的話會消弱信號波形， STM32 的 DAC 的內(nèi)部集成了 2個輸出緩存，用來減少輸出阻抗，無需外部運算放大器就可以直接驅(qū)動外部負載。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。 本設(shè)計 DAC 輸出 IO 口為 PA4，轉(zhuǎn)換的是 12 位數(shù)據(jù)，但是 USART 接收的有效數(shù)據(jù)是 8 位，為了保證位數(shù)一 致，紅外發(fā)射部分 ADC 采集的 12 位語音信號右移了 4位，截取高 8 位，舍棄最后 4 位的數(shù)據(jù)，再通過串口發(fā)送。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。 STM32 單片機定時器 STM32 有很強大的定時器功能，有 TIME1 和 TIME8 等高級定時器，也有 TIMETIME7 等基本定時器和 TIME2 到 TIME5 的通用定時器。它的脈沖長度和波形周期可以通過 RCC 時鐘控制器預分頻器和定時器預分頻器在 幾個微秒到幾個毫秒之間進行調(diào)整。這些通道可以作為輸入比較、輸入捕獲、單脈沖模式輸出、 PWM 生成，同時它也可以與中斷配合產(chǎn)生更強大的功能，如果發(fā)生計數(shù)器向上/向下溢出、計數(shù)器初始化或輸入捕獲等事件，則會產(chǎn)生中斷。 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。通用定時器可工作于 PWM 模式，可以由自動重裝載寄存器 TIMx_ARR 確定頻率、由捕獲 /比較寄存器 TIMx_CCRx 確定占空比的信號，定時器邊沿對齊的 PWM 信號或中央對齊的 PWM 信號的產(chǎn)生是根據(jù) TIMx_CR1 定時器控制寄存器中 CMS 位狀態(tài)判斷的。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。 高通濾波器設(shè)計 高通濾波器選用低噪聲運放 LF353構(gòu)成 5階巴特沃斯濾波器，截止頻率 300Hz。 [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。 [8]電路如圖 所示。 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。 [17] 前級運放構(gòu)成電壓偏置電路，運放同相輸入端輸入偏置電壓，改變信號中的直流分量，同時反相放大 1 倍；后級運放構(gòu)成反相放大器，放大倍數(shù)可通過滑動變阻器 R9 控制。功率放大電路使用意法半導體公司生產(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。它可以顯示 16 位真彩色圖片，分辨率240*320。本設(shè)計中并沒有使用到其觸摸功能，僅用于顯示功能。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計（接收部分） 17 圖 TFT 液晶屏電路 戰(zhàn)艦 STM32 開發(fā)板是通過 FSMC 接口來控制 TFTLCD 的， FSMC 即靈活的靜態(tài)存儲控制器，能夠與 16 位 PC 存儲器卡接口和同步或異步存儲器連接，