基于单片机的红外光通信系统设计(接收部分)毕业论文(28页).doc

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1、-基于单片机的红外光通信系统设计(接收部分)毕业论文-第 21 页大 连 海 事 大 学装订线毕 业 论 文二一四年六月基于单片机的红外光通信系统设计（接收部分） 专业班级：电子信息工程4班 姓 名： 王 强 指导教师： 谭克俊 信息科学技术学院摘 要红外光通信是以红外线为载体传输数字信号，适合于低成本、点对点的高速率数据互联，尤其适合应用于嵌入式系统、移动设备等领域。本设计主要是针对红外光传输的数字信号进行处理，将其携带的数字信息接收并转换成语音信号和温度信号，通过负载喇叭播放语音并由显示屏显示温度。本设计包括红外信号接收、单片机处理、滤波电路、信号调理、功率放大、液晶显示以及中继转发模块。

2、首先通过红外接收传感器RPM882-H7接收发射部分所发射的信号；其次，将接收的信号进行处理。根据发射部分是将数字信号以串行方式输出并驱动红外发射管发光，高电平点亮发光管、低电平熄灭的原理，本设计利用单片机的外部中断捕捉信号的跳变沿，将接收的信号恢复成串行数字信号；然后，将串行信号送给单片机的串口接收端，从单片机串口数据寄存器中得到经过PCM编码后的语音信号和温度信号的电压值，通过处理减小传输过程中噪声的干扰，再由单片机判断信号类型，是语音信号则送给单片机内部DAC进行数/模转换，温度信号输送给显示屏直接显示；最后，DAC输出的波形再经过带通滤波器平滑滤波，滤出发射部分采集的语音信号，输送给音

3、频功率放大电路，通过负载喇叭即可听到传输过来的声音。本设计在STM32F103ZET6单片机硬件平台下，通过C语言设计程序，并借助RVMDK软件开发环境进行调试，实现了基于单片机系统的红外接收装置。接收发射部分的信息，在115200波特率下通信距离达到两米左右；具有在传输不畅情况下指示灯提示功能；能通过液晶屏显示温度，具有良好人机交互界面；从负载喇叭上得到了较好的语音效果。关键词：红外光接收；串口通信；STM32单片机；数模转换ABSTRACTInfrared communication is based on infrared carrier to transmit digital sign

4、als, suitable for low-cost, point-to-point and high-speed data connection, it particularly suitable for applications for mobile devices, embedded systems and other fields. This design is mainly based on digital signal which is transmitted by infrared light to process, digital information will be the

5、 received and converted into the speech signal and the temperature signal, the voice can be heard by the speaker loaded in the end of the design and the temperature will be showed on the screen.This design includes the infrared signal receiving, MCU processing, filter circuit, signal conversion, pow

6、er amplification, liquid crystal display and relay module. Firstly getting the infrared signal, receive digital signal from the infrared receiving sensor RPM882-H7; secondly, the signals will be processed and According to the emission part send the digital signal into serial mode and drive the infra

7、red light working, high level light the infrared emitting on, low level put out it, the MCU of the design use its external interrupt testing signal jump edge, converted it into the serial signal; then, the signal converted will be send to the MCUs serial port, getting the voltage data of the voice s

8、ignals and the temperature signals PCM encoded value from the serial port data register, after treatment to reduce the interference noise in the transmission process, the MCU can judgment the signals types, and the speech signal will be sent to the internal DA converter, the temperature signal will

9、be sent to the display screen to display; finally, the waveform output from the DAC can be send through the band-pass filters to filter, then getting the voice signal of the sending end, and transport it to the audio power amplifying circuit, form the loudspeaker the voice signal transmitted by the

10、infrared can be heard.With the STM32F103ZET6 hardware platform, through the C language program design, and using RVMDK software development environment for debugging, this design realized the infrared receiving device based on MCU system. Receiving information of the transmission part, communication

11、 distance can up to two meters in the 115200 baud rate; a lamp show the transmission jam situation; display the temperature through the LCD screen, with good man-machine interface; get better audio effect from the load on the trumpet.Keywords: Infrared receiving，serial communication，STM32 MCU，digita

12、l to analog conversion目 录第1章 绪论11.1 红外通信技术的国内外发展及研究现状11.2 本文主要工作2第2章 系统总体方案32.1 红外光通信系统介绍32.2 总体方案设计3第3章 系统模块设计53.1 红外接收模块设计53.2 STM32单片机处理模块设计63.2.1 STM32单片机中断系统83.2.2 STM32单片机串口通信83.2.3 STM32单片机DAC113.2.4 STM32单片机定时器123.3 滤波电路模块设计133.3.1 高通滤波器设计133.3.2 低通滤波器设计143.4 信号调理模块设计153.5 功率放大模块153.6 液晶显示模块

13、设计163.7 红外通信中继模块设计173.7.1 红外发射电路设计173.7.2 红外通信中继电源设计18第4章 系统软件设计204.1 软件开发环境简介204.2 程序流程设计214.2.1 系统初始化224.2.2 中断函数配置224.2.3 DAC控制234.2.4 LCD显示234.3 STM32程序下载24第5章 系统测试255.1 电路硬件整体检测255.2 红外接收模块测试265.3 滤波电路测试275.4 单片机处理模块测试295.5 信号调理电路测试305.6 功率放大电路测试315.7 中继电路检测315.8 接收部分整体工作测试325.9 测试输出波形数据32结论34参

14、 考 文 献35致 谢36基于单片机的红外光通信系统设计（接收部分)第1章 绪论1.1 红外通信技术的国内外发展及研究现状自1800年英国天文学家F.W.赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了两个多世纪，但发展缓慢，到1940年前后才真正出现现代红外技术，在此之前主要的研制成功是热敏型红外探测器，由它科学家认识了红外辐射的特点及规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质。20世纪初，通过测量大量有机物和无机物吸收和发射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。30年代首次出现红外光谱带。40年代光电型红外探测器问世，其性能优良、结构可靠。50年代，半导体物理学迅速发展，使光电型红外探测器

15、得到新的推动。60年代随着固体物理、光学、电子学、精密器械的发展，使红外技术在军、民两用都得到广泛的应用和发展。70年代红外成像技术获得迅速发展。80年代，红外技术进入研制镶嵌焦面阵列系统的新时期。接下来的几十年里随着人类科学技术的不断进步，红外技术也得到了长足发展。特别是红外遥感技术的发展极大开拓了人们的视野，通过卫星红外烟感可以对地球进行勘测，在寻找水源、气象检测、监视森林火灾等方面起了重要作用。进入21世纪以来，红外光在红外探测、红外无线通信、红外遥感、成像等方面的应用都极大改善了我们的生活方式。1红外通讯技术也是随着红外技术的发展而发展的，尤其进入90年代其又有了新发展，应用范围更广泛

16、。现如今市场上能进行红外通信的产品有很多，比如最常见的电视机遥控器或现在最流行的红外无线耳机，红外通信的技术和设备也比较成熟。不同于有线通信，无线通信最大的优势就是解放了人们通信的自由度，使人们不受空间的限制，可以在小范围内自由移动。在无线通信的领域中，可以在空间中进行无线传输的介质除了红外光之外还有声波、电磁波等，现如今主要的无线通信包括微波通信和卫星通信，它是一种利用电磁波信号能够在自由空间中传播的特性，来传输信息的通信方式。无线通信技术已深入到人们生活工作中的各个方面，其中3G、UWB、WLAN、蓝牙、数字电视、宽带卫星等都是21世纪最热门的无线通信技术的应用，红外光通信是其中应用的一部

17、分，红外线本质也是一种电磁波，可以传输数字信号。1993年，就有二十多个大厂商发起成立了红外数据协会(IrDA)并统一了红外光通信的标准，这是目前使用最广泛的IrDA红外数据通讯协议及规范。红外通信是一种点对点的通信方式，没有物理传输线的约束，对传输的方向性要求较高，通信信道中间不能有障碍物阻挡。红外通信广泛应用与安全监控、医疗器械、家庭电子和通讯等领域。与本研究课题相似的是，国外最近研制出的LI-FI技术，它是Light Fidelity的缩写。LI-FI通过改变房间照明光线的闪烁频率来传输数据，传输速度与典型的宽带连接不相上下；它利用光的明暗来编码信息，光源部分采用新时代高亮度的发光二极管

18、，由微芯片控制它快速的闪烁，与之对应的光敏传感器接收这些变化，并不会被人眼所察觉，这样二进制数字信息就被快速编码成光信号，同时进行有效的传输。2现如今这种技术被广泛利用在医院、机场、军队甚至是水下。相比与无线电波固定有限的传输波段，光通信有着明显的优点，随着将来无线连接端口的需求增加，可用的无线电波宽带将会越来越少，而光谱中可利用的频段很宽，可以容纳非常多的带宽，而且相对于无线电通信，光通信的效率也比较高。但是光通信最大的缺点就是它无法穿透物体，这样光通信很容易收到干扰，传输距离不会得到太大的提高，所以光通信与无线电通信是互相补充的技术，研究它大有意义。1.2 本文主要工作本设计主要针对红外通

19、信装置的接收部分进行研究。鉴于如今教学课程中数据通信基本上都是有线的，并且大多对数字信号进行采集并传输。红外光通信系统创新于通过红外线进行无线通信，并采集语音和温度这样的模拟信号，利用时分复用的方法将两种信号于同一信道同时传输。本设计的主要工作是接收发射端的红外信号，将其转换成单片机串口能识别的数字信号，从而获得其中的语音和温度数据，然后温度信号由显示屏显示、数字语音信号经过DA转换成模拟信号，再通过功率放大器驱动喇叭，从而听到语音。本设计完成了模拟电路设计、单片机控制、软件程序设计、系统检测及调试等任务。本设计的难点在于保证红外信号比较长的传输距离以及尽量减少传输过程中产生的噪声干扰、降低误

20、码率；而且还要能够在语音信号里面区分出温度信号。在设计研究的过程中，我们深刻理解了数字信号通信的原理，意识到通信过程中可能会遇到的问题，了解了各种保证通信质量的方法，同时硬件和软件的设计也锻炼了我们的动手和编程能力，提高了我们的专业技能。第2章 系统总体方案2.1 红外光通信系统介绍红外光通信系统的基本要求是利用红外发光二级管和红外接收模块作为基本收发器件，用来定向传输语音信号，传输距离不小于两米；当接收部分不能接收到发射部分的红外信号时，要能用LED灯指示出来。并且要能够增加一路数字信道，实时传输发射端的环境温度，在接收端通过显示屏显示出来，温度传输延时不得超过10秒，能够制作一个红外光通信

21、中继转发节点，改变通信方向90度，传输距离要求不变，如图2.1所示。图2.1 红外光通信系统方框图2.2 总体方案设计红外接收部分包括红外信号接收、STM32单片机处理、滤波电路、信号调理、功率放大、液晶显示以及中继转发模块七个部分，红外接收部分框图如图2.2所示。图2.2 红外接收模块方框图本设计与发射部分配合完成以上要求，考虑到应用的处理器IO管脚不能接受0V到3.3V范围以外的电压，发射部分首先将输入的语音信号进行波形变换，将电压限制在单片机规定的范围，然后通过单片机内部的ADC采集语音信号，将其进行PCM编码后变成数字信号，采样率大于语音信号最高频率两倍以上。然后在内部通过单片机的串口

22、发送出去，这样语音模拟信号就转换为串口上的数字信号，为了能够同时发送温度信号，红外发射部分利用时分复用方式在同一信道上传输两种信号，发送语音信号的过程中插入温度信号。发射部分要求使用红外发光管发送信息，所以串口的数据波形要经过驱动电路驱动红外发光管发光，通过发光管的亮灭来反映数字信号电平变化。接收到红外信号后首先要将其还原成串口信号，送给单片机串行口接收，然后将接收到的数据区分为语音信号和温度信号，分别送给DAC进行转换和显示屏显示。经过DAC转换后的信号后要经过功率放大电路，驱动喇叭或耳机发声，这样整个红外光通信系统工作完成。红外光通信系统的设计重点有语音和温度信号的采集、编码，将两种信号分

23、配给一个信道进行传输，传输过程中噪声的抑制，接收部分信号的恢复等。第3章 系统模块设计3.1 红外接收模块设计此模块中重点之处是红外接收传感器的选择，红外光经过两米的传输后已经很微弱，所以接收端要有一个性能好的传感器来接收并放大还原红外光，同时还要将其转换成电信号供电路使用，比较常用的一体化红外接收头如HS-0038B，是很多单片机开发板中遥控器例程所使用的接收头，也是同学应用比较熟悉的传感器，它通常用来接收载波频率38KHz的数字调制信号，可以输出数字信息。可是本设计要接收的信号是经过PCM调制的语音信号，其码率至少需要64Kbps，HS0038B内部载波无法承受此数字信号。又比如普通的红外

24、接收管，虽然很常见很便宜，也经常与红外发射管配对使用，但是它的灵敏度低，输出的信号很微弱，需要外接复杂的放大电路来还原接收到的信号，很难达到稳定传输两米距离的要求。本设计在此模块使用的是RPM882-H7IrDA红外通信模块，它是日本罗姆株式会社（ROHM）生产的专门用于红外通信的传感器，广泛应用于手机或PDA（掌上电脑）中。它集成了红外发光LED和接收头，分为IrDA模式（红外）和RC模式（远程控制），工作电压从2.4V到3.6V，本设计使用常用的3.3V对其供电。红外模式下信息传输速率范围从2.4Kbps到115.2Kbps，如果工作在遥控工作模式下，可达到9m的传输距离，工作温度范围也很

25、宽，功率耗散小。并且其内部集成了放大还原电路，输出信号稳定且精确。3作为这个模块的主角，本设计只使用它的接收头部分，没有用到其中的红外发光LED。从传感器输出的电压信号与红外发送的信号波形对比中可以看到，RPM882-H7IrDA只对红外信号的下降沿有反映，当检测到信号下降沿的时候即输出一个脉冲，脉冲宽度为2.35us，即最大可以准确反映的信号频率为425.53Hz。仅仅显示出信号的下降沿还不足以确定信号波形，我们还需要信号上升沿的位置，所以发射端做了这样的设置：要发送的串口信号同时分为两个部分，一部分直接驱动一块红外发射管，另一部分经过反相器反相后去驱动红外发射管，这样本设计红外接收模块部分

26、的传感器就需要两个，分别对应两路波形正好相反的同一个信号，一路检测波形下降沿，一路检测上升沿，如图3.1所示。图3.1 数字信号波形分析这样也就能够确定信号的波形。传感器的外围电路我们参考了它的芯片手册上的电路，用的是IrDA模式。其设计电路如图3.2所示：图3.2 RPM882-H7红外收发一体化模块电路两路红外信号接收到了，本设计把它送入了单片机处理模块，用来恢复串口信号并送给DA转换，从中提取温度信号并显示，同时判断红外传输是否正在进行。红外发送部分发送的就是串口输出的信号，那么就要把它恢复出来，本设计在红外接收模块中已经检测到波形的上升沿与下降沿，为了把它组合成串口信号，本设计将两路脉

27、冲分别输入给单片机的两个外部中断，此中断是当有跳变沿的时候就触发，在中断函数中我们控制一个单片机管脚PA0，每发生一次中断改变一次它的电平，这样就一点点地还原出串口信号了。两个接收头之间的距离要尽量宽，这样可以增大接收范围，提高接收信号的精准度。之后本设计把它与单片机的串口RXD端相连，从串口寄存器就可以读到AD采集的语音信号电平和温度数值了。软件设计中判断并提取出温度数据后直接送给显示器显示，将语音信号送给STM32单片机内部DA转换器进行转换，由DA输出语音波形。如何将温度信号从语音信号中提取出来，本设计与发射部分做个一个协议，传输端在传输温度信号时，先传送一个标志信号，接收端接收到标志信

28、号后知道接下来要接收的就是温度信号。为了判断红外传输过程是否一直进行，本设计先是设置一个计数变量每接收到一个串口数据计数一次，然后通过单片机定时器定时一段时间，在定时器中断中判断次计数变量是否大于一定数值，就得知数据是否一直在接收，从而判断传输过程是否在进行，并通过指示灯指示出来。3.2 STM32单片机处理模块设计在单片机的选择中，我们选择了意法半导体公司的STM32F103F149单片机，STM3的内核为32位Cortex-M3,它采用ARMv7-M构架。ARM成立于1990年，是苹果、Acorn和VLSI三家公司的合资，现如今最流行的是基于ARMv7架构的ARM处理器，它加入了经过优化的

29、Thumb-2指令集，这是现在最前卫的新技术。Cortex系列是v7架构的第一次亮相，其中Cortex-M3就是按款式M设计的，它不仅支持16位的Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架构，而且拥有很多新特性。与ARM7 TDMI相比，Cortex-M3拥有的性能更强劲、代码密度也更高、中断可嵌套、低功耗、位带操作、成本低等众多优势。Cortex-M3的中断处理完全基于硬件进行，可减少的时钟周期数最多可达12个，在应用中可节约70%的中断；同时Cortex-M3采用了单线调试（Single Wire）这种新型技术，能够减少非常多的调试工具费用，其中还集成了大部分存储器控制器，这样设

30、计人员可以直接将Flash外接在MCU上，降低了应用障碍和设计难度。作为Cortex-M3内核最先尝蟹的公司之一，ST在技术支持方面都远远超过其他对手，其生产的STM32F103系列单片机拥有包括：FSMC、TIMER、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC、DMA等外设及功能和84个中断，16级可编程优先级，非凡的功耗控制，而且它的开发成本低，具有极高的集成度。相对于传统的51单片机，它的实时性更好，功能更强大，处理速度和能力都很强。4本设计处理器平台STM32F103ZET6来自于星翼电子科技有限公司所做的战舰ALIENTEK STM32开发板，该开发板将

31、STM32的资源开发到了极致，基于所用STM32的内部资源都可以在此板上得到验证，配套的软件资料分为库函数版本和寄存器版本，将内部控制寄存器的函数打包，不用自己一点点追究每一个控制位的设置，使用起来很方便，它的最小系统原理图如图3.3所示：图3.3 STM32F103ZET6单片机最小系统本设计用了此单片机的外部中断、串口通信、DA转换、定时器等硬件资源，加上软件上的设计，构成了本设计的处理核心。3.2.1 STM32单片机中断系统STM32单片机的EXTI控制器支持多达19个外部中断事件请求，每个中断设有状态位，有独立的触发和屏蔽设置，检测脉冲宽度低于APB2时钟宽度的外部信号。5它的每一个

32、IO口都可以设为外部中断输入，触发方式有上升沿触发、下降沿触发两种，其外部中断/事件线路映像如图3.4所示。图3.4 外部中断通用I/O映像STM32单片机中断系统有很多与之相关的寄存器，包括中断屏蔽寄存器、事件屏蔽寄存器、上升沿触发选择寄存器、下降沿触发选择寄存器、软件中断事件寄存器、挂起寄存器、外部中断/事件寄存器。通过配置这些寄存器就可以使用单片机的外部中断了，本设计所应用的就是它的边沿触发方式，由单片机IO口PE2、PE3管脚输入，实时根据接收传感器输出的跳变沿控制内部IO口PA0管脚输出信号波形。3.2.2 STM32单片机串口通信通信有并行和串行两种方式，在单片机系统中，信息交换多

33、采用串行通信。6串行通信就是将数据按字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个传送，对于一个字节的数据，串口通信一次只传送一位，所以最少要分八次才能传送完毕，如图3.5所示。图3.5 串行通信方式串行通信分为同步串行通信和异步串行通信两种方式。同步通信时要保证发送方时钟直接对接收方时钟控制的建立，使收发双方达到完全同步，保持位同步和字符同步关系；异步通信指的是通信发送与接收设备使用各自的时钟来控制数据的传输过程，如图3.6所示。图3.6 异步串行通信方式异步通信一帧字符信息的组成分为四个部分：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，如图3.7所示。图3.7 异步串行通信数据格式异步串行通信方式通常用

34、于在单片机与单片机或单片机与计算机之间的通信。STM32单片机具有通用同步异步收发器(USART)与外部设备之间进行数据交换，具有NRZ（不归零码）标准格式，可编程数组字长度8位或9位，支持1或2个的停止位。5任何USART双向通信至少需要两个引脚：接收数据输入（RX）和发送数据输出（TX），本设计作为红外通信系统的接收部分，使用到了USART的接收数据输入端（RXD），RX通过过采样技术来区分噪音和数据，从而恢复数据。STM32F103单片机最多包含有五路串口，有支持同步单线通信和半双工单线通讯、分数波特率发生器、支持调制解调器操作、具有DMA、智能卡协议、支持LIN和IrDA SIR EN

35、DEC规范等。STM32具有一个状态寄存器（USART_SR）、一个数据寄存器（SUART_DR）、每个串口都有自己的波特率寄存器（USART_BRR），12位的整数和4位小数，可以用来设置不同的波特率。波特率的单位是bps（位/秒），被定义为每秒传输二进制代码的位数。STM32的串口波特率计算公式如下：（1.1）此式中，是给串口的时钟，USARTDIV为一个无符号定点数，只要能够得到USARTDIV的值，就可以得到串口波特率寄存器USART1-BRR值，反之，我们得到USART1-BRR的值，也就可以推导出USARTDIV的值。7一般我们更关心的是如何从USARTDIV的值得到USART_B

36、RR的值，因为一般我们知道的是波特率和PCLKx的时钟，要求的就是USART_BRR的值。本设计设置STM32单片机USART波特率为115200bps，以防语音信号不能及时传输。STM32单片机的USART接收器可以根据控制寄存器USART_CR1的M位接收8位或9位的数据字，如图3.8所示。图3.8 字长设置在使用其串口时要对其进行初始化，初始化是不用设置奇偶校验位的，本设计使用的是9位数据传输，设置了1位奇偶校验位和8位的数据位。在USART接收期间，数据的最低有效位首先进入RX引脚，STM32的发送与接收是由数据寄存器USART_DR来实现的，它是一个双寄存器，包含TDR和RDR两个，

37、当向它写数据时串口会自动发送数据；当有数据收到的时候，也存在该寄存器内。通过串口状态寄存器USART_SR读取串口的状态，包括串口数据是否发送完成，是否接收到有效数据等，同时可以开启STM32单片机的串口中断，一个字符被接收到时，RXNE位被标记，进步中断函数。本设计就是在串口接收到数据后直接进入串口中断函数，在中断中判断数据类型以及将数据分配给不同的硬件资源。3.2.3 STM32单片机DAC大容量的STM32F103单片机具有内部DAC，本设计所用的单片机是带有DAC模块的。STM32的DAC数字/模拟转换模块是电压输出型的DAC，12位的数字输入，它可以配置为8位或12位工作模式，也可以

38、与DMA控制器相配合。DAC工作在12为模式的时候，可以设置数据为左对齐方式或右对齐方式，它的输出通道有两个，每个通道都有单独的转换器；在双DAC模式下，两个通道可以独立地进行转换，也可同时进行并同步更新两个通道输出。DAC的精确转换结果可以通过引脚输入参考电压VREF+来获得，而且具有噪声波形和三角波形生成功能。其通道模块框图如图3.9所示：图3.9 DAC通道模块框图通过设置DAC数据保持寄存器的值就可以在DAC输出端到得到相关的电压。本设计用的是DAC通道1的12位右对齐数据保持寄存器DAC_DHR12R1,向其写入12为数据，由单片机PA4管脚输出转换结果。当DAC的参考电压为Vref

39、+的时候，DAC的输出电压是线性的从0-Vref+，12为模式下的DAC输出电压与Vref+及DORx的计算公式如下： (3.1)在DAC控制寄存器中可以设置DA输出缓存位，因为STM32的DA输出带负载能力不是很强，如果后接运放的话会消弱信号波形，STM32的DAC的内部集成了2个输出缓存，用来减少输出阻抗，无需外部运算放大器就可以直接驱动外部负载。5每个DAC通道可以通过设置DAC_CR寄存器的BOFFx位来使能或者关闭输出缓存。设置了DAC的输出缓存后，带负载能力加强，但是STM32的DAC缓存设置后输出不是轨到轨的，最低输出电压不能达到0V，为此我们可以在发射端对语音信号做调整，也可以

40、不使用DAC缓存，而是后加电压跟随器做缓冲，无论那种方法都可以是信号传输至后级。本设计对两种方法都做了设置，即设置了DAC缓存位，也用NE5532运放设计了电压跟随器，可以根据需要做调整。本设计DAC输出IO口为PA4，转换的是12位数据，但是USART接收的有效数据是8位，为了保证位数一致，红外发射部分ADC采集的12位语音信号右移了4位，截取高8位，舍弃最后4位的数据，再通过串口发送。本设计在程序中将接收到的8位的语音数据向左移动了4位，扩展成12位数据，这样就可以送给DAC进行转换。在发射端截取数据时，由低4位产生的最大误差电压为0.01208V，可以认为同时夹杂着噪声信号，这样截取后起

41、到了一定的滤除噪声电压的作用，接收端接收的数据就是经过减噪的数字信息。对于温度信号，发射端使用的传感器传输的就是8位温度数据，不用担心与串口数据位数不一致的问题。3.2.4 STM32单片机定时器STM32有很强大的定时器功能，有TIME1和TIME8等高级定时器，也有TIME6、TIME7等基本定时器和TIME2到TIME5的通用定时器。本设计中使用了通用定时器3和通用定时器4，STM32的通用定时器通过可编程预分频器驱动的计数器构成，具有16位向上、向下、向上/下自动装载功能，计数器可设置1-65526之间任何值的时钟频率分频系数，它可以应用于：产生输出波形（比较和PWM）或测量输入信号的

42、脉冲长度（输入信号捕获）等多种场合。它的脉冲长度和波形周期可以通过RCC时钟控制器预分频器和定时器预分频器在几个微秒到几个毫秒之间进行调整。5STM32的每个通用定时器包含（TIMx_CH1-4）4个独立通道，并且没有互相共享的资源，完全独立。这些通道可以作为输入比较、输入捕获、单脉冲模式输出、PWM生成，同时它也可以与中断配合产生更强大的功能，如果发生计数器向上/向下溢出、计数器初始化或输入捕获等事件，则会产生中断。通用定时器框图如图3.10所示。图3.10 通用定时器框图定时器的计数模式分为向上计数模式、向下计数模式和中央对齐模式，本设计采用了向上计数模式，定时器时钟选择为内部时钟。通用定

43、时器可以选择内部时钟、外部输入时钟、外部触发时钟和内部触发时钟，即使用一个定时器作为另一个定时器的与分频器。通用定时器可工作于PWM模式，可以由自动重装载寄存器TIMx_ARR确定频率、由捕获/比较寄存器TIMx_CCRx确定占空比的信号，定时器边沿对齐的PWM信号或中央对齐的PWM信号的产生是根据TIMx_CR1定时器控制寄存器中CMS位状态判断的。本设计用定时器4中断来判断红外信号是否进行传输，通过与单片机IO口PB5控制的LED灯显示。用定时器3边沿对齐模式来产生PWM供后面的低通滤波器使用。3.3 滤波电路模块设计处理器的DAC输出模拟信号后还有高频成分，需要将其滤除，只留300Hz到

44、3400Hz的语音信号，本设计分别设计了高通滤波器和低通滤波器，组成带通滤波器来对DA的模拟信号进行处理，通带内的增益均为1 。3.3.1 高通滤波器设计高通滤波器选用低噪声运放LF353构成5阶巴特沃斯滤波器，截止频率300Hz。LF353是单片集成双运算放大器，输入噪声电压18nV/Hz Typ，压摆率13V/ms Typ，适合对信号质量要求比较高的电路；15设计电路由专门的滤波器设计软件filter solution生成，电路图如图3.11所示：图3.11 高通滤波器电路该滤波器的电路结构是无限增益多端反馈（MFB），开环增益为无穷大，它对外围器件的精度和稳定度要求比较高，滤波效果不错。

45、163.3.2 低通滤波器设计为了提高滤波器滤波效果，本设计的低通滤波器使用了凌力尔特公司生产的LTC1068-25滤波器设计模块，它将4个相同的二阶滤波器模块封装在一个芯片中，每个模块中心频率误差+-0.3%到+-.8%，低噪声低供电电流，工作电压灵活；可设计中心频率4Hz到200kHz的低通或高通滤波器及中心频率4Hz到140kHz的带通或带阻滤波器；它通过外部时钟（PWM）来调整内部每个二阶滤波模块的中心频率，通过凌力尔特公司开发的专门用于LTC1068家族的滤波器设计软件Filter CAD可以方便地设计出需要的滤波器，精确且很实用。本设计利用它设计8阶截止频率3400Hz的低通滤波器

46、，阻带衰减40dB，时钟信号85kHz，由STM32单片机定时器3产生。8电路如图3.12所示。图3.12 LTC1068-25低通滤波器电路其电路输出常配有一个运放电路，作为宽带反相缓冲，常使用压摆率高的运算放大器，这里我们使用的是LF353。3.4 信号调理模块设计滤波电路之后是信号电压调理电路，DAC输出的在0V-3.3V的信号滤除直流分量和高频分量后需要送给功率放大器，功放电路采用单电源供电,所以需要将滤波器输出的双极性信号变为单极性信号，同时将信号进行适当放大。该模块用电压反馈型运放NE5532构成一个偏置电路和反相放大电路，电路图如图3.13所示：图3.13 信号调理电路NE553

47、2的单位增益带宽（GBW）为10MHz，压摆率9V/ms，输入噪声低，适于放大低频小信号，是高性能低噪双运算放大器集成电路，具有良好的驱动能力，很适合应用于专业和高品质的音响设备、控制电路、仪器及电话通道放大器。17前级运放构成电压偏置电路，运放同相输入端输入偏置电压，改变信号中的直流分量，同时反相放大1倍；后级运放构成反相放大器，放大倍数可通过滑动变阻器R9控制。93.5 功率放大模块经过一系列的处理，语音信号被还原出来并被调整为合适波形，将其送至功率放大电路，驱动喇叭发声。功率放大电路使用意法半导体公司生产的集成功放TDA2003,它输出电流能力强，谐波失真和交越失真小，使用安全，各引脚都

48、有交、直流保护，负载电压可冲至40V。能够驱动8欧负载，电路图如图3.14所示：图3.14 功率放大电路3.6 液晶显示模块设计温度显示部分使用战舰开发板配套的TFT液晶LCD显示屏，其全称为Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display。它可以显示16位真彩色图片，分辨率240*320。在液晶屏的每一个像素都可通过薄膜晶体管的设置，有效克服非选通时的串扰，是液晶屏的静态特性与扫描线数无关，大大提高了图像质量，支持65K色显示，接口为16位80并口，显存驱动芯片为ILI9320，总显存大小为172820（240*320*18/8），即18位模式下的显存量，模块16位数据线与显存对应关系为565方式，自带触摸屏功能。本设计中并没有使用到其触摸功能，仅用于显示功能。其模块