【正文】 音頻傳輸電路的設(shè)計(jì) 就發(fā)送部分來說，根據(jù)激光的輸出特性，我們需要激光工作在線性區(qū)域，則需要使激光的驅(qū)動(dòng)電流超過激光的閾值電流。很顯然，為保證傳輸性能，一個(gè)穩(wěn)定的直流偏置電12345678910111213141516CD4051BPD0PD1PD2PD3VCCaudio1audio2out231Koutaudio1audio2長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 壓是必須的，因此電路中的直流偏置電壓采用三端穩(wěn)壓模塊提供，并且通過滑動(dòng)變阻器可調(diào)節(jié)電壓值，三端穩(wěn)壓芯片選用 LM317，外圍電路采用該芯片的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路。音頻發(fā)送 電路如圖 35 所示 。根據(jù)第二章提到的光敏二極管的光照特性，當(dāng)給光敏二極管加上一個(gè)反向偏壓時(shí)，通過光敏二極管的電流隨光照強(qiáng)度的增加而呈良好的線性增加關(guān)系。另外，為了保證傳輸性能，光敏二極管的反相偏壓我們也采用三端穩(wěn)壓模塊提供，亦采用 LM317 搭建。 圖 36 音頻接收 電路 LDLASER10mH1002N3904PE0Vin VoutGNDLM31712V10050K50uF10uF1000uF100音頻輸入PD1K1uF10K53241876LM386220uF10uFSpeaker12V10Vin VoutGNDLM3171K10050K12V50uFPA0長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 音頻傳輸電路中，穩(wěn)定的直流電源是必須的， 音頻發(fā)送和接收電路中都用到了 LM317 三端穩(wěn)壓模塊。 LM317 的輸出電壓范圍為 37V，負(fù)載電流最大為 。此外，它的線 性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。通常 LM317 不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 LM317 輸入端的距離大于 15cm。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高得多的紋波抑制比。當(dāng)然還要避免輸出端短路。 圖 37 LM317 的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路 圖 37 是 LM317 的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路。 Vout的值可由式 31 計(jì)算。 然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式， R1 和 R2 的阻值是不能隨意設(shè)定的。其次是 LM317 都有一個(gè)最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱為最小輸出電流，也有的資料稱為最小泄放電流。由于 LM317的生產(chǎn)廠家不同、型號不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不同，但一般不大于 5mA。 Vin VoutGNDLM317R1240R2CinCoVin Vout長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 要解決 LM317 的最小穩(wěn)定工作電流問題，可以通過設(shè)定 R1 和 R2 的阻值大小。此時(shí)，只要保證 Vout (R1 + R2)? ≥ ,這里的 是 LM317 的最小穩(wěn)定工作電流， Vout (R1 + R2)? 可 設(shè)置為大于 。由單片機(jī)搭建的控制系統(tǒng)，最基本的組成部分為：電源、時(shí)鐘、復(fù)位電路和程序下載接口。 本節(jié)將對該控制電路進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和 PCB 電路的繪制，完整原理圖見附錄 1。通過在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行強(qiáng)大的指令， ATmega128 單片機(jī)可以取得接近 1MIPS/MHz 的性能，從而使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以在低功耗和處理速度之間取得平衡。 ATmega128 單片機(jī)具有以下特征： 128K 可同時(shí)讀寫的系統(tǒng)可編程 Flash 程序存儲(chǔ)器； 4KB EEPROM； 4KB SRAM； 53 個(gè)通用功能 I/O 端口； 32 個(gè)通用工作寄存器；實(shí)時(shí)時(shí)鐘（ RTS 振蕩器）； 4 個(gè)具有比較模式和 PWM 的靈活的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 2 個(gè) USART(USART0 和 USART1)；面向字節(jié)的兩線總線（ I178。工作于空閑模式時(shí)，停止 CPU運(yùn)行， SRAM 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 SPI 和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作 ；掉電模式時(shí)，保留寄存器內(nèi)容，但停止振蕩器和禁止所有片內(nèi)功能，直到下一個(gè)外部中斷或硬件復(fù)位。在 ADC 噪聲抑制模式，除異步定時(shí)器和 ADC 繼續(xù)工作外， CPU和所有的 I/O 單元停止運(yùn)行，以減少 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的轉(zhuǎn)換噪聲。在擴(kuò)展備用模式中，主振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。可以用任意的接口下載到應(yīng)用 Flash 程序存儲(chǔ)器中。通過將 8 位 RISC于片內(nèi)自編程 Flash程序存儲(chǔ)器集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATmega128單片機(jī)為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了 高 靈活 性而低成本的方案。 單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)能夠正常工作，需要具備兩個(gè)最基本的條件：電源和時(shí)鐘。為了擴(kuò)充功能，擴(kuò)展排針往往是很必要的。 （ 1） 供電 電路 數(shù)字電路信號電平轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流．并在傳輸線和電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，形成嚴(yán)重的干擾。該電容既可提供和吸收集成電路開門瞬間的充放電能量，也能抑制高頻噪聲。 模擬電源和數(shù)字電源要分別供電，可以使用兩個(gè)穩(wěn)壓源分別供電，但是兩個(gè)電源之間的電壓差必須滿足數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)定 (，小于 是比較理想的 )。這里要加一個(gè)小電感，也可以用低阻值的電阻 (通常 2歐姆 ,電阻要有足夠的寄生電感。 在地線方面，模擬地和數(shù)字地要分開布線，然后在一點(diǎn)通過磁珠連接，在實(shí)際應(yīng)用中也可以使用 0 歐姆繞線電阻連接的。 （ 2） 時(shí)鐘 電路 通過對相應(yīng)熔絲位的編程， ATmega128 提供五種時(shí)鐘源選項(xiàng)：外部晶體 /陶瓷振蕩器、外部低頻晶體、外部 RC振蕩器、標(biāo)定的內(nèi)部 RC 振蕩器和外部時(shí)鐘。 圖 38 晶體振蕩器連接圖 XTAL1 和 XTAL2 分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出， 這個(gè)振蕩器可以使用石英晶體也可以使用陶瓷諧振器。當(dāng) CKOPT 被編程時(shí)振蕩器在輸出引腳產(chǎn)生滿幅度的振蕩。而且這種模式的頻率范圍比較寬。其優(yōu)點(diǎn)是大大降低 了 功耗但是頻率范圍比較窄 ， 而且不能驅(qū)動(dòng)其他時(shí)鐘緩沖器。C1和 C2 的數(shù)值要 一 樣 ， 不管使用的是晶體還是諧振器。 表 32給出 了針對晶體選擇電容的些指 南。若想得到更多的有關(guān)如何選擇電容以及振蕩器如何工作的信息請參考多用造振蕩器應(yīng)用手冊 。工作模式通過熔絲位 CKSEL3...1來選擇。 （ 3） 復(fù)位電路 Mega128 有五個(gè)復(fù)位源：上電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、掉電檢測復(fù)位、JTAG AVR 復(fù)位。當(dāng)然了， Mega128 具有上電復(fù)位功能，完全可以不用單獨(dú)再設(shè)計(jì)復(fù)位電路，直接采用電源鍵即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。為了方便以后的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)中的最小系統(tǒng)板設(shè)置了三種下載方式：串口下載 （如圖 310） 、 ISP 下載（如圖311） 和 JTAG 仿真下載（如圖 312） 。 光刻是一種圖形復(fù)印和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。光刻的步驟一般可分為：打底膜、涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕、去膠。 本設(shè)計(jì)采用 Altium Designer 軟件進(jìn)行電路原理圖和 PCB 電路的繪制，腐蝕使用的 PCB 電路有別于傳統(tǒng)的 PCB 電路，腐蝕是單層的操作，因此 PCB 布線的時(shí)候只能在一層（頂層或者底層）布線，而且需要注意貼片元件引腳的處理 ，貼片元件的引腳順序應(yīng)該從右上角開始順時(shí)針編號，也可以保持貼片元件的引腳順序不變而更改非貼片元件的引腳順序（非貼片元件有引 腳順序時(shí)，如三極管） 。當(dāng)無法完成單層布線時(shí)，往往采用零電阻進(jìn)行跨接， 跨接時(shí)盡量使導(dǎo)線垂直跨接， 最后還要進(jìn)行大面積的鋪銅，以提高電路的抗干擾能力。要想真正的制作出 PCB 板， PCB 庫文件的制作必不可少，畢竟 Altium Designer 默認(rèn)只提供非常常見的封裝。這就要求對元件對元件有深刻的認(rèn)識，目前各種元件 有各種封裝格13579246810J4JTAG54321R1310KVCCVCCPF4PF5PF6PF7VCCRST13579246810J1ISPVCCPE0RSTPB1PE1長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 式，來自網(wǎng)絡(luò)的資料不一定是切實(shí)可行的。 經(jīng)過原理圖庫文件的制作、原理圖的繪制、 PCB庫文件的繪制和 PCB的布線。 圖 313 單片機(jī)最小系統(tǒng) PCB 電路圖 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 第 4 章 控制程序的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)需要完成的控制任務(wù)是： 音源的切換選擇、激光的開啟和關(guān)閉以及音頻波形顯示。設(shè)按鍵 K1 控制音源的切換選擇，按鍵 K2 控制激光管的開啟和關(guān)閉，程序流程圖如 圖 41 所示。本章將對這幾個(gè)部分做相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。另外在要求單片機(jī)運(yùn)算速度很快的應(yīng)用中，矩陣鍵盤的掃描往往會(huì)占用很大的資源，因此在需要高速響應(yīng)的應(yīng)用中，往往定義成獨(dú)立按鍵，只需檢測高低電平并消抖即可，可以節(jié)省大量的時(shí)間。目前，傳統(tǒng)的消抖程序都是通過延時(shí)，延時(shí)消抖其實(shí)是很好的消抖方法，但需要精確的調(diào)整延時(shí)時(shí)間才能不至于浪費(fèi)掉單片機(jī)寶貴的機(jī)器周期。 假設(shè) 一個(gè)獨(dú)立按鍵的接法如圖 42（ a） 所示，按鍵操作過程中 的 I/O 口檢測到的電平如圖 42(b)所示。我們需要做的工作便是確定出高低電平出現(xiàn)多少次才能準(zhǔn)確的判斷出按鍵確實(shí)被按下和釋放。 檢 測 兩 點(diǎn) 間 高 低電 平 出 現(xiàn) 的 次 數(shù) （ a） 按鍵接法 (b)按鍵操作的電平狀態(tài) 圖 42 按鍵消抖原理 數(shù)據(jù)采集 本文設(shè)計(jì)的音頻傳輸系統(tǒng)需要顯示出接收到的音頻波形，因此需要將模擬的音頻信息采集到單片機(jī)，即 模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換 ，將模擬的音頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便單片機(jī)能夠進(jìn)行處理，并送入液晶顯示模塊 以供顯示 。 KPB0RVCC長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 ADC 與一個(gè) 8 通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口 A 的 8 路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。 AVCC 與 VCC 之間的偏壓不能超過177。 ADC 包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到 ADC的電壓保持恒定。 本文設(shè)計(jì)的音頻傳輸系統(tǒng)，參考電壓由 AREF 提供， 數(shù)據(jù)結(jié)果右對齊，選擇單端通道 ADC0， 128 分頻。=0xFE。=0xFE。 ACSR=(1ACD)。//128 分頻 } 以下是讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的子函數(shù)。 unsignedintADC_data(void) { unsignedintAD_data,ADCH_data,ADCL_data。 //初始化函數(shù) delay_ms(10)。 ADCH_data=ADCH。 returnAD_data。以下是關(guān)閉 ADC 的子程序。 } 波形顯示 波形顯示程序的設(shè)計(jì)是面向硬件的程序設(shè)計(jì)，軟件與硬件電路一一對應(yīng)。為了提高液晶顯示的刷新速度，波形顯示時(shí)設(shè)計(jì)為并行接法，而最小系統(tǒng)的 PCB 電路中的液晶則為串行接法，顯示波形的時(shí)候需要由擴(kuò)展排針外接 12864 液晶。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 43 液晶屏的驅(qū)動(dòng)電路 波形顯示是本控制程序的難點(diǎn)，波形的顯示不同于漢子和字符的顯示，波形的顯示需要精確地去操作像素點(diǎn)，且不存在所謂的字庫。為了確定顯示的位置，我們引入了坐標(biāo)的概念，如圖 44所示，橫向位置用 X 坐標(biāo)表示，縱向位置用 Y 坐標(biāo)表示 ， X 以字節(jié)為單位， Y以位為單位 。 波形 顯示的總流程可由圖 45 表示。波形顯示編程過程中，需要保證橫坐標(biāo)兩點(diǎn)之間所經(jīng)歷的時(shí)間盡可能的相等，這樣才能保證顯示的波形不失真。音頻信號的傳輸受單片機(jī)的控制并能實(shí)時(shí)顯示音頻的傳輸曲線。本設(shè)計(jì)并沒有發(fā)揮出激光的優(yōu)越性，若是采用激光的 電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制等外 調(diào)制技術(shù)， 利用光波這一特殊的電磁波為載波， 激光 通信 的傳輸速率可以達(dá)到數(shù) Gbps 的帶寬 。本文并未對激光對準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。 激光的四大特性（高亮度、高方向性、高單色性和高相干性）決定了它在空間通信方面具有很大的優(yōu)勢，尤其是在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，如激光測距、激光制導(dǎo)等 。目前，應(yīng)用很成熟而 最廣泛的便是傳統(tǒng)的微波通信，但是微波通信并非健康綠色的通信方式，自然而然的，人們想到了以自然光為載波的無線光通信，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通過白熾燈進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。而在空間遠(yuǎn)距離通信方面，光通信的各種優(yōu)勢均可以得到很好的應(yīng)用 。 Bo Jia. A novel fiber audio transmission system for securemunication[J]. Optoelectronics Letters, 2020,(3):188190 [12] Kris Nagel。ThomasO’Connell。Gregory D. Abowd。首先要 特別感謝李洋老師，在音頻傳輸電路和程序設(shè)計(jì)過程中，老師給了很大的幫助，老師總是很積極的解決過程中遇到的各種問題 ，在跟老師的多次探討中，我學(xué)到了很多通信方面的知識 。 在電路設(shè)計(jì)方面，李國君、閆學(xué)友等同學(xué)和我進(jìn)行了很多討論；使用 Altimu Designer繪制電路原理圖和 PCB 電路的過程中，閆學(xué)友同學(xué)給了很大的幫助；控制程序設(shè)計(jì)方面，在李國君同學(xué)的身上學(xué)到不少東西；在論文寫作和排版方面，徐燚同學(xué)給我提供了一個(gè)很好的 Office