红外光语音通信装置(共17页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上红外光通信装置F-01摘要：本文说明了利用红外线发光管和红外接收模块作为收发器件用于传输语音信号的装置。本红外光通信装置由16位MSP430作为主控制芯片，通过3.5mm音频插孔线输入语音信号，经红外发射装置采集到信号后经过放大、PWM调制、发送，中继站采用低功耗单片机降低功耗，在接收部分采用音频放大器来保持音色放大并通过巴特沃斯低通滤波器和带通滤波器进行静噪，最终分别提取模拟通道和数字通道中的信号。最终实现题目要求。关键词：MSP430 PWM调制 滤波放大Abstract：The design concept of innovation and green based design and innovation, a novel infrared sound transmission device based on wireless resonant original emission, ultrasonic transmission, infrared emission, infrared transmission technology used only Yu Jun grade field communication, we further applied to civil field, pioneered the concept of science and technology innovation, so that further service to the people. The precise operational amplifier amplification, using low power operational amplifier chip, reduce power consumption. Especially the relay station, using 430 single-chip microcomputer with low power consumption for accurate data receiving and transmitting, simultaneously transmitting and receiving infrared probe less, reducing the power consumption of relay station, used to maintain the sound amplification in audio amplifier eventually receiving part uses a sound better, by Butterworth low-pass filter and band-pass filter are mute finally, extracted from signal analog channel and digital channels in.Keyword：MSP430 Pulse Width Modulation Amplifying and filtering一、方案设计与论证1调制方案的选择方案一：ASK调制。ASK调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。设计中可将语音信号放大，以40Khz载波频率对红外发射管进行调制发射。这种方案电路结构简单，实施方便，但在远距离传输的情况下会带来较大的失真和衰减。方案二：PWM调制。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，使用固定频率矩形波的占空比来对模拟信号值进行调制。PWM是从MCU到被控系统信号都是数字式的，无需进行数模转换。数字信号可将噪声影响降到最小。噪声只有在高到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。经比较，本设计使用方案二。2主控系统选择 方案一 ：使用TL494进行PWM调制。TL494 是一种固定频率的脉宽调制电路，震荡频率可由外部RC振荡器进行调节。内置线性锯齿波振荡器，比较器和参考电压，可进行死区调节，是一种功能全面的PWM控制芯片。 方案二 ：使用单片机进行PWM调制。利用单片机的AD采集输入信号，进行相应运算后，进行PWM占空比的控制。 方案一的优点是直接使用硬件电路进行调制，无需程序控制，缺点是控制精度难以达到题目要求。综合考虑，选择方案二进行设计。3运算放大器芯片选择 由于OP07非常低的输入失调电压，同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，适用于放大传感器的微弱信号。LM358是高增益、内部补偿的运算放大器，单电源情况下采用直流电压偏执可以进行负交流信号的放大，低功耗，适合于电池供电；RRIO运放在低电源电压或单电源电压下可以有宽的输入共模电压范围和输出摆幅。同时可以获得零交越失真，适合驱动ADC，而不会造成差动线性衰减。综合实际情况和各运放成本，最终选择OP07运放和RRIO（TLC2272A、LMV358）进行设计。4滤波器的选择巴特沃斯低通滤波器滤波器是一种低通滤波电路，能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子电路，常用于数据传输和抑制干扰等方面。5供电系统选择 分布式供电是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将供电系统以小规模、分散式的方式供给用电设备。它最大的优点是不需远距离输配电设备，输电损失显著减少，运行安全可靠，并可按需要方便、灵活地利用独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故。6稳压芯片选择（LM2940、TPS76933、LM2596）本设计需要用到+5V，+3.3V，-5V电源。+5V稳压由LM2940构成， LM2940比7805的转换效率高。+3.3V由TPS76933构成，它有低功耗操作，适合小设备供电使用。-5V由LM2596构成。由于运放选择了OP07双电源运放，因此需要进行负电源转换。7单片机选择本设计使用MSP430G2553单片机进行控制。MSP430系列单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗理念。其内置的10位AD可以以最大200K的频率采样。内部的比较捕获定时器可以输出最多8路PWM，适合本题目的要求。8温度数据通道系统使用NTC热敏电阻进行测温。NTC热敏电阻的电阻值随环境温度或因通过电流而产生自热而变化。可将NTC 热敏电阻通过测量其电阻值来确定相应的温度，从而达到检测和控制温度的目的。其温度特性曲线见附录一图1所示。对于数字信号信道，本设计使用频分复用(Frequency Division Multiplexing)技术进行调制。FDM就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子信道，每一个子信道传输1路信号。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。在接收电路中，使用低通滤波器获得语音信号，使用高通滤波器获得数字信号。二、理论分析与计算1PWM调制脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，使用固定频率矩形波的占空比来对模拟信号值进行调制。PWM的是从MCU到被控系统信号都是数字式，无需进行数模转换。数字形式信号可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。2电路工作效率本文基于最低功耗，在最好的工作效率范围內实现最优的设计。由于红外通信的中继站是用5V电源供电，综合题目要求不能使用外设电源设备，我们优先选择功耗比较低的运算放大器和更少的红外发射设备。方案一：LED阵列发射一般远距离红外发射和接收都是用更多的红外发射头和红外接收头。这样既能增大发射范围区域，还能增大被接收的概率，如图1所示。图1发射和接受模拟电路这种发射装置是有许多的发射电路和许多的接收装置并联组装而成的，它一般会用多个MOS管来驱动，增加了电路的成本并大大降低了工作效率。在MOS管断开时会有极小的电流；流过MOS管的电流造成了电压下降，进一步使工作效率下降，当电路正常工作时，流过MOS管的电流增加，多个管子并联应用增加了几倍的功耗，增加了系统的功耗，如果采用MOS管并联再驱动的方法与上述方法相比较而言，会在正常工作时形成分流(功率与电流的平方成正比)减少了MOS管的功耗，达不到最佳的工作效率。MOSFET的损耗可以分为两类。栅极驱动损耗和大电流和大电压在较短的时间内同时出现造成的传统意义上的开关损耗。栅极电荷损耗就可用下面公式计算：式中VDRV是栅极驱动波形的幅度，fDRV是栅极驱动的频率（这个频率通常情况等于开关频率）。总的开关损耗是两部分的和，由此可得出下列表达式：Psw是中的开关损耗 漏极电压从VDS(off) 负载电流IL T标示整个周期 t2 、t3分别表示VDS、 ID的转折区。一般的运算放大器如LM324，失调电压电流较大和放大电压达不到电源端电压，两者电压差很大，这就增加了功耗，它的放大倍数大实现起来比较困难，需要多级放大，这样就会增加功耗。方案二：单器件发射。我们采用单个发射和单个接收的装置，使用一个MOS管来驱动，2N7002的导通内阻和开启电压值很低减少了成本，减少了功耗，提高了系统的稳定性。如附录图6所示。中间的信号调制与解调采用430单片机，因为它的功耗比较低，能实现数字与模拟信号的转换，提高了系统的可灵活性，而且还会使信号更加精确。我们在中继站采用LM358。他有一个特点，在单电源供电时增加一个电压提升装置，会使负电压信号通过芯片不失真。见附录一（图2所示）。综合以上理论分析我们看到了单电源供电和一个红外发射接收装置的优点，所以我们采用单电源供电的LM358和单路进行的红外通信设备。三、电路系统设计与程序设计1单片机最小系统本设计使用MSP430作为单片机，为了方便使用，我们在比赛之前进行了PCB的设计（PCB铜层有组员名字缩写及2013字样）。为了缩小体积，单片机使用TSSOP封装。最小系统原理图见附录一（如图3所示）。2电源系统的设计 本设计使用LM2596、TPS76933、TPS7350和LM2596组成电源系统3红外发射电路 发射电路如图2所示。图2红外发射电路 图3 红外接收电路本电路通过PWM控制MOS管栅极控制开通和关断，R1为限流电阻。由于采用了MOS管进行驱动，因此红外管电源可以高于单片机电源，2N7002的导通内阻和开启电压值很低，图中的D2可以加快MOS管的关断速度。为提高发射效率，我们在发射管套上了聚光杯。4红外接收电路红外接收管在受到红外线照射时会产生反向光电流。通过R3便可形成与光强度正比的电压。如图3所示。图3中R3取值很重要。取值较大可以增加产生的电压，但是会使电压跟随性下降。取值较小可以增快响应速度，但是会减小电压输出。在制作过程中，我们使用4.3K电阻。5OP放大电路（附录一图4）具有快速放大的特点，能使信号同步，减少了干扰。前端的OP07具有很强的驱动能力带动后级快速放大，减少了反应时间。它的特点是使用正负电压供电，增加了供电设备的复杂程度，同时增加了功耗特性。根据图示和运算法大器公式： 通过调节和来改变增益放大。通过实测理论值与实际值相当。6音频放大电路音频放大电路见附录一图5。图中在输入端放置电容C1和C2目的是进行除噪，滤掉直流分量，可供后面进行电路的直流电压的偏置，前面的运放U1A同相端采用的电阻分压，目的是提供后级U1B运放VCC/2的电压偏置，前级U1A采用电压跟随的形式，是为了增大后一级的运放放大能力，前一级U1A反相端没有加电阻分流，是因为电压不是很大，不影响运放的性能。后一级的运放进行电压的放大放大倍数公式： 电路中的C13是用来滤波的滤掉高次噪声的影响，图中的R5与C3组成充放电回路，提高放大的速度，即可得出时间。C4是用来再次滤掉运放中的直流分量，提出音频信号，供后级运用。7巴特沃斯滤波器表1 系数参数表aibi滤波器1a1=1b1=0滤波器2a2=1.6180b2=1滤波器3a3=0.6180b3=1巴特沃斯低通滤波器可以提供最大的通带平坦度。因此这种滤波器经常被运用到数据转换期当中的抗混叠滤波器，因为对于抗混叠应用，我们要求在整个通带内都能保持精确地信号电平。本设计中使用了五阶巴特沃斯低通滤波器。巴特沃斯滤波器与其他滤波器效果对比图附录一图6。巴特沃斯滤波器参数表见表1。取之后，可以计算出取之后，可以计算出 取,之后可以计算出下了电阻值第二级的值如下， 同理第三级的电阻值、电容值计算同公式二，因为第三级的公式与公式二相同，就是系数参数不一样。取之后，可以计算出取，之后可以计算下列电阻值第三级的值如下：，。8. 本设计各模块电路及总电路图见附录一（图7至图15）9程序设计（见附录二）四、系统测试及测试结果测试仪器：TDK2002示波器、 GFG8016信号发生器1调制电路测试波形 2放大电路波形 图4 PWM调制电路波形 图5 放大电路波形图4中黄色波形为初始波形（3Khz），蓝色波形为经过PWM调制后红外发射管的波形。PWM频率为40KHz，占空比与初始波形电压成线性关系（程序中有2拍的滞后）。图5中黄色曲线为原始波形（1Khz 200mV/div）蓝色为放大后波形（1V/div）3巴特沃斯滤波效果图 4负载测试 图6 巴特沃斯滤波效果 图7负载测试 在图6中 ，黄色波形为红外接收管放大后的原始波形（800Hz），蓝色为经过五阶巴特沃斯低通滤波后的波形。图7中电压刻度为500mV/div，频率800Hz，8欧姆负载峰峰值1.70V，有效值达到题目要求。参考文献：1华成英 、童诗白. 模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社.第四版.2005.2阎石. 数字电子技术基础. 高等教育出版社.第五版.2006.3日松井邦彦.著，邓学.译OP放大应用技巧.科学出版社.2006.4日铃木雅臣.著.周南生.译. 张文敏.校.晶体管电路设计.20085曾峰.增拨.巩海红.著.印刷电路板（PCB）设计与制作.电子工业出版社.20066陈俊安.电子元器件及手工焊接.中国水利水电出版社.20057黄争.德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南.20128Jon S.Wilson.Sensor technology handbook.20089Creed Huddleston.Inteligent Sensor Design(using the Microchip dsPIC)200810Mcio DiJasio.Programming 16-bit Microcontrouers in C learning to Fly the PIC24.200911Bruce Carter,Ron Mancinci.Op Amps Everyone.Tird Edition.,2009.12David Tse.Dramod viswanath.Fundmentals of wireless communication.200613Marc T.Thompson.Intuitive Analog Circuit Design.2008附录一：图1 NTC热敏电阻温度特性曲线图2 放大器电路图3 MSP430最小系统图4 OP运算放大器图5 音频信号的放大电路图图6 各类滤波器响应曲线对比图7 LM2940原理图图8 TPS7350原理图图9 TPS76933原理图图10 LM2596负电压原理图图11 放大电路仿真图12 五阶巴特沃斯滤波电路图13 发射模块电路图图14 中继站电路图图15 接收模块电路图附录二：程序设计MSP430采样、PWM调制的基本程序如下：WDTCTL = WDT_ADLY_1000; IE1 |= WDTIE; DCOCTL = CALDCO_16MHZ;BCSCTL1= CALBC1_16MHZ;TimerINTI(); AD_INTI();_EINT();while(1)_ENTER_LOWPOWER_MODE();#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR_interrupt void Timer_A0 (void) _LPM_EXIT();ADCGET(); FFT(); PWMOUT();P1OUT = BIT0;#pragma vector=TIMER0_A1_VECTOR_interrupt void Timer_A1(void) _LPM_EXIT();switch( TA0IV )case 2:TACCR1 = ADval;ADval=(ADGET()*3)>>3;break;default: break; #pragma vector = WDT_VECTOR _interrupt void WDT_IRQ(void) _Get_TMP();专心-专注-专业