红外光通信装置

摘要本设计利用已学电路知识，将电路分成红外发射模块、红外接收模块两个模块，完成了红外光通信收发系统设计，以话筒为输入信号，由发送电路调试后，再由输入电路的红外接收管接收，经由（LM-386）放大，高通滤波器过滤后，在喇叭（耳机）中听到输入的语音。关键词：红外通信；发射；接收；ABSTRACTThedesignusedtheknowledgeofcircuit,andithasbeendividedintothreepartsasinfraredemissioncircuitmodule,theinfraredreceivingmodule,andtemperaturetransmissionmodule,thenwecompletedthedesignofinfraredcommunicationtransceiversystem,weusedmicrophonetoinputsignal,thedebuggingbysendingcircuitandthenreceivedbytheinputcircuitsofinfraredreceivingtube,via(LM-386)amplifier,filterhigh-passfilter,Iwecouldheardavoiceinputinthehorn(headphones).Keywords:Speechsound;Infraredforward;Analogcommunication;Digitalcommunication第1章绪论1.1背景和意义在日常生活中，电脑、电视等电器让我们眼花缭乱，各种设备的线缆随处可见，就连我们的声音传输在很大程度上也依赖于各种各样的电缆。这种采用有线方式来传输语音信号的系统必须有大量的电缆将收发端连接起来，声音信号才能进行传输。有没有一种无需电缆的连接就能实现声音传输的方法呢？科学技术的日新月异，红外技术的飞速发展给传统的声音传输带来的很大的冲击，为通信业带来了无穷的希望和活力。红外技术的应用使得语音无线传输成为了可能，并使传输更加灵活、方便、高效。红外技术是无线连接的鼻祖，是先进科学技术的重要组成部分，主要应用在遥控和传输方面。红外传输以红外光为载体，通过其在空中的传播来传输语音和数据的传输方式。这种通信系统传输速度快，干扰小，可靠性高，适合多种近距离无限通信场合使用，例如教师的语音教学系统，家庭居室、图书馆、医院等，在电子产品中具有官方的发展潜力。1.2国内外研究发展现状红外通信由来已久，但是进入90年代，这一通信技术又有新的发展，应用范围更加广泛。1995年，一个由部件、计算机系统、外围设备和电信厂商组成的大型集团──红外数据协会(IrDA)就红外通信的一套标准达成一致。红外数据协会开发的这种新的无线通信标准还得到PC机产业的有力支持。主要的开发厂商，已推出了在计算机之间采用这种高速红外数据通信的PC机、笔记本计算机、打印机和手持式个人数字助理(PDA)设备[1]。此外，红外通信的连通性已用在大多数新的笔记本计算机中，并成为一种最具成本效益和便于使用的无线通信技术而问鼎市场。经过40多年大发展，中国在红外技术研究方面已经取得了重大的进步，建成了专业研究所、红外物理实验室和众多的研究课题组。一批高等院校中，也设立了红外专业或包含红外专业的光电技术系，一批民营企业、股份制企业相继诞生，已经形成了不同规模的产品。近几年，随着智能化设备越来越普及，红外通信技术因其抗干扰性能突出，从而被广泛的应用到针对智能机器人、智能电器、智能家居的设计方案中。红2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低成本、高速率且低功耗，因此也就成为设计手持遥控器的首选[2]。除此之外，在基于单片机的智能家居设计中，红外通信作为单片机之间的通信手段与电信市话通信手段结合，实现了对家居异常情况(盗窃、火警、燃气泄漏、漏水等)电话远程报警、远程遥控功能[3]。1.3主要设计内容及预期目标本设计的主要设计内容是：用三极管放大电路对音频输入口得到的音频信号进行无失真的放大，送到三极管与发射头组成的发射电路进行发射，接收部分由红外接收头接收到的信号再传入后再由音频功率放大芯片进行放大输出，最后得到质量较好的音频信号。本设计要达到的预期目标为：利用红外发光管和红外接收管作为收发器件，来实现定向传输语音信号，传输距离为3m，接收的声音无明显失真，制作一个红外光通信中继转发节点，可以改变通信方向90°，延长通信距离。第2章红外通信技术分析2.1红外通信的基本原理及特点红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）[4]和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）以及自适应调制（ADM）[5]三种方法。同样的通过红外发射管还可以发射最基本的模拟信号，即接收端可以根据接收到的红外光线的强度可以产生不同的电流大小，即可还原发射端的模拟信号。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号或模拟信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。红外通信的优点是兼容性强，能被众多的硬件和软件平台所支持；通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据传输；主要是用来取代点对点的线缆连接；新的通讯标准兼容早期的通讯标准；小角度（30度以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强；传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。其缺点为通信距离短，通信过程中不能移动，遇障碍物通信中断；目前广泛使用的SIR标准通讯速率较低（115.2kbit/s）；功能单一，扩展性差。2.2红外通信技术对计算机技术的冲击红外通信标准有可能使大量的主流计算机技术和产品遭淘汰，包括历史悠久的调制解调器。执行红外通信标准规定的发射功率很低，因此它自然是以电池为工作电源的标准。目前，惠普移动计算分公司正在开发内置式端口，所有拥有支持红外通信标准的笔记本计算机和手持式计算机的用户，可以把计算机放在电话机的旁边，遂行高速呼叫，可连通本地的因特网。由于电话机、手持式计算机和红外通信连接全都是数字式的，故不需要调制解调器。红外通信标准的广泛兼容性可为PC设计师和终端用户提供多种供选择的无电缆连接方式，如掌上计算机、笔记本计算机、个人数字助理设备和桌面计算机之间的文件交4换；在计算机装置之间传送数据以及控制电视、盒式录像机和其它设备。2.3红外通信技术开辟数据通信的未来目前，符合红外通信标准要求的个人数字数据助理设备、笔记本计算机和打印机已推向市场，然而红外通信技术的潜力将通过个人通信系统(PCS)和全球移动通信系统(GSM)网络的建立而充分显示出来。由于红外连接本身是数字式的，所以在笔记本计算机中不需要调制解调器。便携式PC机有一个任选的扩展插槽，可插入新式PCS数据卡。PCS数据卡配电话使用，建立和保持对无线PCS系统的连接；扩展电缆的红外端口使得在PCS电话系统和笔记本计算机之间容易实现无线通信。由于PCS、数字电话系统和笔记本计算机之间的连接是通过标准的红外端口实现的，所以PCS数字电话系统可在任何一种PC机上使用，包括各种新潮笔记本计算机以及手持式计算机，以提供红外数据通信。而且，由于该系统不要求在计算机中使用调制解调器，所以过去不可能维持高性能PC卡调制解调器运行所需电压的手持式计算机，现在也能以无线方式进行通信。红外通信标准的开发者还在设想在机场和饭店等地点使用步行传真机和打印机，在这些地方，掌上计算机用户可以利用这些外设而勿需电缆。银行的ATM机也可以采用红外接口装置[6]。由于红外通信具有隐蔽性、保密性强，因此军事通信机构历来重视这一技术的开发和应用。这一技术在军事隐蔽通信，特别是军事机密机构、边海防的端对端通信中将发挥出重要的作用。正如前面所述，它还将对计算机技术产生冲击，对未来数据通信产生重大影响。1第3章方案与验证2.151单片机红外转发原理红外光语音传输体系原理是以红外光作为语音传输的载体。这类传送系统传输速率快，干扰小，可靠性高，适宜多种短距离无线通信场所使用，例如学校的语音授课系统、家庭居所、图书馆阅览室、医院等，在电子产品发展中具有很大的潜力。红外光语音转发装置主要由两个模块组成，分别为发射模块和接收模块。此装置是利用看不见摸不着的红外线作为语音传送的载体来传递声音的。红外光语音转发装置发射模块流程图如图1-1所示：图1-1红外光语音转发装置发射模块流程图在发射模块话筒中获取到的音频信号十分微弱，并且噪音信号和音频信号同时传入到话筒中，因此首先应当对音频信号进行滤波处理并放大处理。红外光转发装置的发射模块将微小的语音信号经过滤波，放大处理后，再使用莫属转化器，使其转化成利于单片机传输的数字序列。然后在加上同步字符，最后使用门电路对信号进行码型转化，然后语音信号就可以以光脉冲的形式发送出去。红外光语音转发装置接收模块流程图如图1-2所示：图1-2红外光语音转发装置接收模块的流程图2在红外光语音转发装置的接收模块，利用红外接收管捕获发射模块发出的光信号，然后用光电转化器将光信号转化为电信号，再进行放大，整形，还原3处理，然后用数模转换器将信号的高频部分滤去，最后将光信号转化为声音信号传送到功率放大电路，经放大后由扩音器播放出声音，这样便完成了红外光语音转发。此方案采用STC12C5A60S2控制模／数转换、数／模转换和同步传输。完成同步的方式是在ＣＳ的下降沿到来时，单片机STC12C5A60S2先向I/OCLOCK口发1111作为信号的起始标志，然后再把I/O口CLOCK序列信号传送给I/OCLOCK口，并从DATAOUT中获得上次转化的结果。红外语音传送体系是把红外光作为传输载体，因为红外光不能把语音信息进行直接传送，所以本体系使用了模／数和数／模转换来调制音频信号。使用STC12C5A60S2单片机程序及中断控制，完成模／数、数／模转换和同步传输。系统主要由发射部分和接收部分组成。发射模块对微弱语音信息进行滤波和放大处理后传入模／数转化器将模拟语音信号转化成数字脉冲序列信号，单片机提供同步时钟信号，在信息开始传输前附加同步字符作为信息开始传输的标志并使用门电路完成码形转换，最后驱动红外发射管把光脉冲作为信息的载体发射出去。在红外光语音转发装置的接收模块，利用红外接收管捕获发射模块发出的光信号，然后用光电转化器将光信号转化为电信号，再进行放大，整形，还原处理，然后用数模转换器将信号的高频部分滤去，最后将光信号转化为声音信号传送到功率放大电路，经放大后由扩音器播放出声音，这样便完成了红外光语音转发。本装置使用的都是普通元器件，若使用抗干扰能力好、精确度高的元器件其传输特性将会有很大提升。由于器材的原因，所以放弃了此方案。2.2利用CD40106实现语音红外传输图1-3是一种红外光语音通信的转发的流程图。第二章电路设计4图1-3方案二原理框图图1-3（a）中的Mic代表麦克风，只需对着麦克风喊话，麦克风的输出信号通过运放加以放大，放大后的语音信息通过调制器对语音信号进行调制处理，再通过红外线发光二极管发送已调制的语音信息。此系统用的调制器是一个脉冲振荡器，能发出对称的方波信号。在红外语音信号传到该振荡器的输入端的时侯，令脉冲信号的占空比跟着红外语音信号呈线性变化，因而达到调制目的。图1-3（b）是光语音转发装置的信号接收的解调电路，用红外接收管接收图1-3（a）电路发送出来的红外光语音信号，该接收的光语音信号根据图1-3（a）发送模块的红外光强弱而变化。红外接收管的输出的信号经过两次运放放大后，传送到滤波电路对调制的光语音信号解调，被解调出的光语音信号再经过放大，供后面的语音处理电路工作。红外光语音转发装置的发射