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完整版1毕业设计论文毛磊
定向通信装置设计与制作
摘要
本系统设计的是一个基于红外传输的定向无线通信装置。
此装置以红外线为传输媒介通过对红外线进行频率调制,实现了模拟语音信号和数字信号的定向传输。
此装置实现的功能有语音信号的传输,温度、时间等数字量的实时发送,且还能传送文字图形等消息。
此装置的最大通信距离可达2m,最大距离处误码率低至10-4,语音信号无明显失真;数据传输速率9.6Kbits以上;且功耗低。
本系统的创新点是在同一信道上,能同时传输模拟信号和数字信号;另外此系统还增设了红外中继转发节点,已实现对信号传输方向的定向改变以及延长红外通信距离,解决了传统红外通信视距传播的缺点。
关键词:
红外传输;频率调制;定向通信;中继转发;
Abstract
Thesystemdesignisbasedonadirectionalwirelesscommunicationdevicesinfraredtransmission.Thisdeviceisaninfraredtransmissionmediumbyinfraredfrequencymodulation,theanalogvoicesignalanddirectionaltransmissionofdigitalsignals.Thefunctionofthisdevicetoachievetransfer,temperature,time,etc.Thereal-timedigitalsignaltransmittingvoiceandgraphics,butalsosendtextmessages.Thismeansthemaximumcommunicationdistanceupto3m,themaximumdistanceerrorrateto10-4,thespeechsignalwithoutsignificantdistortion;datatransferrate9.6Kbitsormore;andlowpowerconsumption.
Theinnovationofthissystemisthesamechannelthatcantransmitbothanaloganddigitalsignals;addition,thissystemalsoaddedaninfraredrelayingnode,andextendingthesignaltransmissiondistanceinfraredcommunicationtosolvethetraditionalinfraredcommunicationsightpropagationshortcomings.
Keywords:
infraredtransmission;frequencymodulation;directionalcommunication;relaying;
1绪论1
1.1引言1
1.2技术背景综述1
1.3本论文的主要内容2
2系统方案设计3
2.1总体方案设计3
2.2技术指标3
2.3系统工作原理4
3硬件设计与实现5
3.1红外发射部分5
3.1.1语音信号的调制原理5
3.1.2语音信号的调制电路设计6
3.1.3数字信号的调制原理7
3.1.4数字信号的调制电路设计8
3.1.5温度采集电路的设计8
3.1.6时钟电路的设计9
3.2红外接收部分10
3.2.1前置放大电路的设计10
3.2.2FM信号的解调原理11
3.2.3FM信号的解调电路设计12
3.2.42FSK信号的解调原理13
3.2.52FSK信号的解调电路设计14
3.2.6液晶显示电路15
3.3中继转发节点部分16
3.3.1中继转发节点电路设计16
4软件设计18
4.1红外发射部分18
4.1.1红外发射程序流程图18
4.1.2信道编码及红外发送子程序19
4.2红外接收部分20
4.2.1红外接收程序流程图20
4.2.2红外接收及解码子程序21
5电路测试及结果分析22
5.1问题分析与解决22
5.2模拟信号的测试22
5.3数字信号的测试23
5.4数据记录23
5.4.1测试条件23
5.4.2数据记录24
5.5测试结果分析25
5.6实验结论26
6总结和展望27
6.1总结27
6.2展望27
致谢29
参考文献30
附录A完整电路原理图31
附录B完整实物图34
1绪论
1.1引言
随着社会的进步,科学技术的飞速发展,无线通信技术迅猛发展。
最近几年全球无线通信产业规模不断扩大,近距离无线通信技术也开始广泛的使用,目前蓝牙、Wifi已成为近距离无线通信的主流,然而它们也有些不可避免的缺陷,如成本高,设计复杂,功耗也很大。
而红外无线通信保密性强,不易受电磁波的干扰,因而红外无线通信技术也开始迅速崛起,其传输速率也在不断提高。
红外通信设备也日益增多。
由于红外线的波长较短,对障碍物的衍射能力比较差,因此只适合于短距离的无线通信。
本文主要介绍的是利用红外通信原理以及单片机控制,构建了一个基于单片机的红外语音信号及数字信号的通信系统,该设计以红外线作为传输载体,实现了信号的无线传输。
红外通信是一种点对点的通讯技术,因此也称之为定向通信。
红外通信的主要优点是无需申请频率的使用权,成本低,设备体积小、功耗低、简单易用。
此外,红外线发射角度比较小,安全性能较高。
而红外通信也有其缺点,它是一种视距传输,两个通信设备进行通信时必须对准,而且只能用于两台设备之间的连接,中间不能有物体阻隔。
而蓝牙、WiFi就没有此限制,且不受墙壁的阻隔。
因此如何解决红外通信的视距输问题及提高数据传输率是一个永恒的话题。
1.2技术背景综述
自本世纪70年代中期IBM公司发表了关于红外无线通信设计的论文以来,人们对于红外无线通信的研究就从来没有停止过。
主要研究领域包括:
红外通信调制方式的研究、红外无线LAN的原理、红外无线通信的均衡技术、红外无线发射接收的空间分集研究等[1]。
1998年,日本胜利公司研发出一种商用室内无线红外通信系统-VIPSLAN-10[2],成为第一个完全适于与以太网互联的无线红外局域网系统。
2000年。
Spectrix公司生产了一种商用系统[3],可供1000m2覆盖范围内的所有的用户同时互联通信。
相比之下,国内的红外无线通信方面的研究起步较晚。
2005年,浙江工业大学利用室内漫反射的无线红外光作为信息载体,使用大面积PIII探测器和高灵敏度接收电路制作了无线光接收器,实现了10M传输速率的无线上网[4]。
近几年来红外线传输技术有了很大的发展。
目前家电遥控器,烟雾探测器,红外报警系统几乎都是采用的红外无线传输技术。
作为无线局域网传输方式,红外传输方式的最大优点是不易受电磁波的干扰,且对红外线的使用频率不用受国家无线管理委员会的限制。
但是,红外线的透过性较差,因而传输距离受到很大限制。
红外线的波长在750nm至1mm之间,它是一种人眼看不到的光线。
红外通信一般采用近红外线进行通信。
红外数据协会成立以后,为了保障不同厂家生产的红外产品能够获取最佳的通信效果,红外通信协会将红外数据通信所选用的光波波长范围限制在850nm至900nm之间。
近些年,随着智能化设备的遍及,红外无线通信技术因其抗电磁干扰能力强,因而被广泛应用于智能机器人,智能家电,智能家居的设计。
红外通信是最常用的近距离无线通信方式之一,采用红外通信的优点是成本低、传输速率高且功耗低,从而成为室内手持遥控器设计的首选[5]。
除此之外,在有高压、辐射、有毒气体和粉尘等环境下的工业设备中,红外通信系统也以其可靠和隔离电气干扰等特性而深受设计者的喜爱[6].
1.3本论文的主要内容
本论文重点研究以红外收发为基础,利用红外通信原理,以单片机为控制核心来实现语音信号的传输,同时能实时传输温度、时间、文字及图形等数字信息。
本文主要从硬件和软件部分着手通过多种方案论证,确定最终的系统设计方案。
所涉及的主要硬件模块包括红外发射模块、红外接收模块和红外中继转发节点模块。
其中红外发射模块主要由主控制器、液晶显示、键盘电路,调制器和红外驱动电路等组成。
红外接收模块由主控制器、液晶显示、解调器和红外接收电路组成。
中继转发节点模块的功能主要是改变通信的传输方向和提高传输距离。
软件方面主要完成实时温度采集、时间的读取、红外发送和红外接收,并通过液晶显示接收到的信息。
2系统方案设计
2.1总体方案设计
本套系统设计采用红外通信技术实现定向传输。
红外通信技术是一红外线为载体,实现两点之间的近距离通信。
采用红外通信技术的优点是无需申请频率的使用权,成本低,设备体积小、功耗低、简单易用。
此外,红外通信还具有安全性能高,无有害辐射等优点。
但红外通信系统在进行信号传输时,由于受视距影响,其传输距离很短,因此红外通信适合于室内通信。
在系统设计中以STC89C52作为核心控制器,用LCD12864作为显示器,通信方式采用模拟通信和数字通信两种方式。
即语音信号采用频率调制(FM)方式,数字信号采用二进制频移键控(2FSK)方式。
再用已调制信号驱动红外发射管,红外接收管将接收到的信号送给后续电路进行处理,还原出语音信号和数字信号。
系统结构图如图2-1所示:
图2-1系统总体结构框图
2.2技术指标
1、传输距离2m以上;
2、单5V电源供电,功耗低至10mA以下;
3、定向改变传输方向;
4、数据传输速率9.6Kbits;
5、实时传输;
2.3系统工作原理
此红外通信系统由发射器、中继转发节点和接收器三部分组成,总设计电路图见附录A。
传送语音信号时,信号首先经过频率调制,输出为幅度不变,频率随调制信号变化而变化的矩形脉冲,然后直接控制红外驱动电路,通过红外发射管将以调信号发射出去。
红外接收管接收到信号后经过放大滤波处理,再利用锁相环原理直接解调出语音信号。
传输数字信号时,单片机首先将要发送的二进制数据以串口形式输出,再通过2FSK调制,得到的以调信号来控制红外驱动电路,再通过红外线将数据传送出去。
接收端采用包络检波解调方式,再通过抽样判决器还原出二进制数据。
然后送给单片机进行处理,单片机对其进行解码将解码后的信息用LCD12864显示。
3硬件设计与实现
3.1红外发射部分
3.1.1语音信号的调制原理
语音信号传送,首先经过频率调制,再用已调制信号驱动红外发射管,使红外线调制后发射出去。
电路以CD4046锁相环为核心器件,其芯片内带有压控振荡器,当采用有源晶振作为时钟源时,能获得高稳定系数的载波频率,其调制原理如图3-1所示。
设载波
(3.1-1)
调制信号
,且《,(3.1-2)
则调制信号
(3.1-3)
令
(3.1-4)
再令
(3.1-5)
则调频波的数学表达式为:
(3.1-6)
其中称之为调频指数。
图3-1基于锁相环的频率调制
3.1.2语音信号的调制电路设计
语音信号经过放大器放大后,直接加载到压控振荡器上,实现频率调制,采用1MHZ的有源晶振作为载波源,经过分频器进行四分频后得到125KHZ的载波其频率稳定度高。
再利用CD4046数字锁相环的功能设计出频率调制电路,由于CD4046频率自动跟踪能力有限,其频率偏移量为载波频率的10%—15%,而载波频率为125KHZ,因此最大频偏设为15KHZ。
其调制电路如下图3-2所示,其中R13,R14和C3确定其最大频率及最小频率。
取C3=220pF,已知=110KHZ,=140KHZ,根据芯片手册:
由最小频率可得电阻
R13==6.577K(3.1-7)
由于其电阻值不是标称值,因此采用10KHZ的电位器代替。
由最大频率可得电阻
R14R13==5.167K(3.1-8)
则R14=24K,为了便于调试,这里选取50KHZ的电位器代替。
图3-2语音信号的调制电路
3.1.3数字信号的调制原理
通过2FSK调制方式实现二进制数字基带信号的无线传输,其实现原理框图如图3-3所示。
基带信号通过直接控制电子开关实现振荡器f1和振荡器f2输出对应的频率信号,再通过加法器合成2FSK信号。
图3-32FSK调制原理图[7]
3.1.4数字信号的调制电路设计
本设计中数字信号采用2FSK调制方式,其中用载频f1表示符号“1”,用载频f2表示符号“0”。
本次设计f1为125khz,f2为62.5khz,基带信号波特率为9600bpss,载波频率f1由高稳定度的1Mhz有源晶振通过八分频产生,载波频率f2由f1经过二次分频产生,其电路原理图如图3-4所示:
图3-4数字信号的调制电路
3.1.5温度采集电路的设计
本设计采用DS18B20温度传感器进行温度采集,该传感器只有一个数据线与单片机相连,两者之间采用单总线方式进行通信。
DS18B20是世界上第一款采用单总线接口的数字温度传感器。
DS18B20的主要特征有:
全数字输出;采用单总线通信;最高有12位分辨率,精度可达土0.1°C,温度检测范围为-55°C-+125°C[8];具有限温报警功能;内置产品序列号,便于多机挂接。
图3-5温度采集电路
3.1.6时钟电路的设计
采用DS1302时钟芯片,此芯片不但可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时,并且具有闰年补偿功能[9]。
DS1302有三根线与单片机相连,即RST,IO,SCLK。
当RST从低电平变成高电平完成一次数据传输,IO为数据线,SCLK为时钟线,DS1302的RAM单元共有31个,每个单元为一个8位的字节,其命令控制字为C0H~FDH,奇数为读操作,偶数为写操作,数据读写时序图如图3-6所示。
工作时需要进行初始化,即将复位脚(RST)置为高电平并将八位地址和命令信息写入移位寄存器。
数据在SCLK的上升沿时串行写入,其中前8位为访问地址,电路原理图如图3-7所示。
图3-6数据读写时序[10]
图3-7时钟电路
3.2红外接收部分
3.2.1前置放大电路的设计
接收部分采用红外接收管接收红外信号,由于随着传输的距离越远,红外信号越微弱,为了能使通信距离达到更远,因此需要对接收信号进行放大处理。
本设计采用晶体管放大电路,放大级数为三级,每级放大倍数约为10倍,三级放大1000倍。
其电路原理图如下图3-8所示:
图3-8前置放大电路
3.2.2FM信号的解调原理
调频信号的解调有非相干解调和相干解调,相干解调仅适合于NBFM信号,而非相干解调对NBFM和WBFM均使用。
FM非相干解调的核心器件是鉴频器,鉴频器是由微分电路和包络检波器组成。
微分器的作用是把幅度恒定的调频信号变成幅度和频率都随调制信号变化的的调幅调频信号。
即
[11](3.2-1)
包络检波器则滤除高频分量将其幅度的变化检出,再通过隔直电容隔去直流分量,即可得到解调器输出
(3.2-2)
其中为鉴频器的灵敏度。
接收端应采用CD4046模拟锁相环进行解调。
解调时当输入为FM信号时,如果环路滤波器的带宽足够宽,能够使鉴相器输出的电压顺利通过,则压控整荡器就可以跟踪输入的FM信号,即VCO的输出便是一个与调制信号具备相同调制规律的FM波[12]。
此时再将VCO输出的FM波通过环路滤波器后输出的就是对FM进行解调后的信号,其原理框图如图3-9所示。
图3-9基于锁相环的FM解调
设窄带调频信号
(3.2-3)
并设相干载波
(3.2-4)
则乘法器输出为
(3.2-5)
经低通滤波器后输出为
(3.2-6)
再经微分器解调输出为
(3.2-7)
3.2.3FM信号的解调电路设计
本论文中采用的是锁相环解调,锁相环在窄带范围内具有频率自动跟踪能力,在窄带范围内接收端的压控整荡器产生的信号频率能自动跟踪输入的FM信号频率,再通过环路滤波器滤除高频分量则可解调出语音信号,其电路原理如图3-10所示。
由上述3.1-7、3.1-8同理可求得R43=6.577K,R43R44=5.167K,为了便于调试分别采用10KHZ和50KHZ的电位器代替。
图3-10FM信号解调电路
3.2.42FSK信号的解调原理
2FSK信号常采用非相干和相干解调,本设计采用的是非相干解调,其解调原理是将2FSK信号通过两路带通滤波器后分解分解出两路2ASK信号,再分别进行解调,然后进行抽样判决。
这里的抽样判决是通过对两路信号进行定时抽样再比较抽样值的大小,不用专门设置门限值。
同时判决规则应与调制规则相呼应,否则判决时解调出的码元信息会全部错码。
如调制时载波频率f1表示符号”1”,则接收时判决器应判决为”1”,反之则判为”0”。
其解调原理如下图3-11所示:
图3-112FSK非相干解调原理图
3.2.52FSK信号的解调电路设计
根据非相干解调原理,设计出了2FSK信号的解调电路,接收信号首先经过限幅处理,再通过上下两路有源带通滤波器,分别提取出不同的载波信息,然后通过包络检波器和抽样判决器解调出数字基带信号,其电路原理如图3-12所示。
电路性能参数设计:
通带增益
(3.2-8)
中心频率
(3.2-9)
通带带宽
(3.2-10)
令C1=C2=C=220pF,=R,4.7K,由3.1.3可知=f1=125KHZ取B=30KHZ,由公式3.2-9可计算出R=5.787K,由公式3.2-10可计算=7.6K。
同理令C8=C9=C=220pF,=,4.7K,可计算出=11.575K,7.6K。
图3-122FSK解调原理图
3.2.6液晶显示电路
此电路模块由STC89C52单片机和LCD12864显示电路共同构成,液晶显示器用于显示接收到的温度、时间、文字和图像等信息。
单片机的主要功能数据解码和控制液晶显示器。
LCD12864是一种具有串行和并行两种控制方式,内部含有简体中文字库的液晶显示模块,其分辨率为128×64,内置128个16*8点ASCII字符集和8192个16*16点汉字[13]。
该模块接口方式灵活和操作指令简便,能够同时显示8×4个16×16点阵的汉字,也可以显示图形。
该显示模块另一显著特点是低电压低功耗。
由该模块构成的液晶显示方案,电路结构简单,显示程序简洁,且价格低廉。
它通过串口方式接收数据后对数据进行解码,并将解码后的信息用LCD12864液晶进行显示,电路原理如图3-13所示:
图3-13液晶显示电路
3.3中继转发节点部分
3.3.1中继转发节点电路设计
设置中继转发节点站其目的是能够增强红外线的传输距离,而且能任意改变传输方向。
此电路有放大电路和红外驱动电路组成,放大电路采用晶体三极管为放大器件,并经过了三级放大,红外驱动电路采用的是74HC系列驱动器,其驱动能力强,频率响应快。
另外此电路还设有信号检测装置。
当接收到信号时,信号指示灯就会点亮,反之信号指示灯熄灭。
其电路原理图如图3-14所示。
图3-14中继转发节点电路
4软件设计
4.1红外发射部分
红外发射部分包括系统主程序、信道编码及红外发射子程序、显示模块子程序、DS1302时钟芯片驱动子程序、DS18B20温度传感器驱动程序。
单片机上电后,首先要进行初始化,以便系统能够正常工作。
单片机控制的部分包括DS1302时钟芯片、DS18B20温度传感器、液晶显示器和通道选择控制。
单片机与DS1302进行SPI通信,单片机可向芯片进行读写操作,以此来进行时间设定和读取。
DS18B20为单总线通信模式,它只有一根数据线与单片机连接,温度检测精度可达±0.1度。
4.1.1红外发射程序流程图
单片机内部设有定时器,定时溢出后,单片机就会将当前温度和时间进行特殊编码后,以串口形式发送出去。
当数据发送完毕后,程序会跳转至初始化之后重新运行程序,以此周而复始的工作,其程序流程图如图4-1所示:
图4-1红外发射程序流程图
4.1.2信道编码及红外发送子程序
信道编码方式是在一串数据之前插入以一段16比特的识别码,以便接收端能正确解码。
编码完成后将编码好的数据以串口方式发送出去,其程序代码如下。
voidKey_TXD()扫描是否发送数据
{uchari,*DData;定义一个数组,用于存放时间等信息
uintTest_Deg;定义一个整形变量,将读取的温度值存储在此变量中
staticucharm=1,n=0;
if(m==1)
{m=0;n=30;
kongzhi=0;选择数字通道
SBUF=CODE1;发送识别码1
while(!
TI);等待发送完毕
TI=0;发送完毕后,软件将串口发送标志位置零
SBUF=CODE2;发送识别码2
while(!
TI);等待发送完毕
TI=0;发送完毕后,软件将串口发送标志位置零
DData=ReadTime_Ds1302();获取时间,准备发送数据
for(i=0;i<7;i++)发送时间信息
{SBUF=DData[i];while(!
TI);TI=0;}
Test_Deg=Readtemp();获取温度,准备发送数据
SBUF=Test_Deg256;发送高8位,发送温度信息
while(!
TI);
TI=0;
SBUF=Test_Deg%256;发送低8位
while(!
TI);
TI=0;
kongzhi=1;
}
Else延时发送
{n--;if(n==0)m=1;}}
4.2红外接收部分
4.2.1红外接收程序流程图
红外接收部分包括系统主程序、显示模块子程序、红外接收及解码子程序。
接收部分的单片机通过一直扫描串行口接收端电平变化,没有信号时其端口一直为高电平,当有信号时,其端口电平由高电平变为低电平,单片机内部采用样电路以波特率的16倍速率开始进行采样,将采样的值存入SBUF缓存器中,一次写入八个比特。
数据接收完后,开始对数据进行对应的解码。
并判断解码是否出错,当有错误时,直接删除接收的数据,等待下一次数据接收,反之,则解码后的数据用LCD12864进行显示,其接收程序流程图如图4-2所示:
图4-2红外接收程序流程图
4.2.2红外接收及解码子程序
串口中断函数
voidser(void)interrupt4采用串口模式接收数据
{staticuchara,b;
RI=0;串口中断标志位清0
if(flag==0)引导码判别,共有16位引导码一次接收8比特,分两次接收
{a=SBUF;flag++;}接收第一个引导码
elseif(flag==1)引导码判别
{b=SBUF;flag++;接收第二个
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