真人CS里激光接收電路設計

黃 明，王 燦，丁照雨，李爭平，葉 青

(北方工業大學 電子信息工程學院，北京 100144)

真人CS里激光接收電路設計

黃 明，王 燦，丁照雨，李爭平，葉 青

(北方工業大學 電子信息工程學院，北京 100144)

設計了一種適用于戶外環境的自適應激光接收電路。為提高激光收發系統的穩定性，在激光接收端采用自適應去除直流分量，并對波形進行數字化整形，使單片機主控器收到符合規范的數字信號，實現了較好地抑制外界環境光干擾的需求，維持了系統的性能穩定。

單片機；激光接收；低通濾波；信號整形

0 引言

真人CS對戰是時下很流行的游戲，很多企業把這個項目作為拓展訓練的一種。游戲規則之一是在自然環境里，如果“友軍”槍支發出的激光照射到“敵軍”身上的光斑被接收裝置接收并正確解碼，則“敵軍”中彈陣亡。但由于現場受不同時間、天氣、地形等自然因素影響，背景光明暗迥異，如何保障設備工作的穩定性成為一項關鍵技術。本文探討并設計一種自適應激光接收電路，其在背景光明暗迥異的情況下依然能夠減少誤判，穩定識別解碼激光信號。

1 系統設計原理

本設計發射端采用單片機控制，游戲開始后，用戶扣動扳機，單片機從串口輸出自己的ID號控制激光二極管發射激光；接收端用增加了濾波片的光電二極管作為接收器，接收由激光管所發射的ID信號，經過波形整形電路，傳送給單片機串口，由單片機判斷所接收的信號是否被敵方激光槍擊中。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

系統發射部分電路簡單，只要保障一定發射功率驅動激光發射二極管即可。整個系統的性能和穩定性主要取決于接收部分電路實現。

2 激光接收電路的關鍵問題

系統解決的關鍵問題在于外界環境光受晝夜、陰晴、地形等諸多因素影響[1]，亮度動態范圍太大，發射的激光混同外界環境光進入接收端后，接收端必須排除外部環境干擾以防止誤判，實現穩定接收。

接收端的設計采用以下兩種有效方法排除干擾誤判，增強穩定性：

(1)接收管前加濾鏡(濾波片)，濾波片需與激光發射二極管波長保持一致，作用是允許與激光波長相近的光通過，其余波長的光被有效阻擋。這樣就在很大程度上排除了不同波長的外界光影響。

(2)經過濾鏡的光被光電二極管接收，通常出現波幅較小、疊加一定直流分量的現象，這種信號難以識別，還需通過整形電路去除直流分量、放大波幅[2]。

接收端設計框圖如圖2所示。

圖2 接收端設計框圖

圖4 數字整形電路與仿真

因此，保障接收端信號質量的設計關鍵在于波形整形電路設計。

3 電路設計

波形整形電路完成的功能有兩個：(1)去除信號中背景光引起的直流分量，提取傳輸信息的交流分量。(2)波幅整形為01數字波形，提供給主控制器數字解碼使用。以下對兩部分電路依次進行討論。

3.1 去除信號中直流分量

信號混入的外界背景光強度未知，因此對應信號所疊加的直流分量也有波動，不能在電路中直接設定某一直流比較電平作參考。但可以通過對信號進行低通濾波求出所攜帶直流分量。一般信號傳輸波特率在1 kb/s左右，因此設定一階RC低通濾波電路，截止頻率小于1 kHz即可求得均值(攜帶直流分量)，信號與均值分別接入開環放大器的正負輸入端，即可直接去除直流分量[3]。

如圖3所示，電路采用TI官方TINA軟件仿真(以下同)，激勵信號設定為0.5 V Vpp、500 Hz方波疊加0.5 V直流分量，濾波后VF2大約為0.5 V，經過放大器后可得6 V Vpp、500 Hz方波。結果表明電路設計合理。

圖3 電路設計及時序仿真圖

3.2 數字化整形電路

設計思路是信號經過比較器電路進行波形數字整形，去除負電壓信號，使低電平歸為0 V，抬升高電平信號至TTL數字系統。電路設計中還應考慮單電源供電時，需要采用保護二極管D2對芯片輸入端進行負壓保護，防止過低輸入電壓燒毀芯片；另外負向輸入端比較電壓設為0.6 V，以保證電路工作穩定；再者，比較器是開漏(OD)輸出，輸出引腳需要上拉電阻才能保證正常的數字輸出。

如圖4所示，設定激勵信號為4 V Vpp、500 Hz的方波，與0.6 V電壓比較，得到5 V Vpp、500 Hz穩定的數字

方波。結果表明電路設計合理[4-5]。

綜合3.1和3.2節可以有效解決接收模擬信號整形問題，較好地抑制外界環境光干擾，提供符合規范的數字信號給主控器，實際電路測試也證明了這一點。

4 結論

本文設計了一種自適應激光接收電路，在背景光明暗迥異的情況下依然能夠穩定識別激光信號的電路，設計簡單、穩定、實用，可以為相關設計提供有益的參考。

[1] 童詩白,華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社,2006.

[2] 康華光.電子技術基礎·模擬部分(第5版)[M]. 北京：高等教育出版社,2006.

[3] 安毓英, 劉繼芳, 曹長慶.激光原理與技術[M]. 北京：科學出版社,2015.

[4] 邱關源,羅先覺.電路(第5版) [M]. 北京：高等教育出版社,2015.

[5] 楊建國.ADI中文技術論壇.你好,放大器[EB/OL].(2014-XX)[2017-02-14]https://ezchina.analog.com/community/amplifiers.

The design of laser receiving circuit in laser strike game

Huang Ming, Wang Can, Ding Zhaoyu, Li Zhengping, Ye Qing

(School of Electronic and Information Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

This paper designs a laser receiving circuit which adapts outdoor environments in laser strike games.In order to improve system stability,the receiving circuit uses a self-adaption comparator to achieve the signal waveform shaping.Thus the circuit meets the demands of efficiently suppressing outside interference and maintaining whole system stability.

MCU; laser receiving; low-pass filter; waveform shaping

TP710/79

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.011

黃明，王燦，丁照雨，等.真人CS里激光接收電路設計[J].微型機與應用，2017,36(20)：39-40.

2017-03-16)

黃明(1977-)，通信作者，男，碩士，講師，主要研究方向：模擬信號鏈設計、FPGA信號處理。E-mail：huangming@ncut.edu.cn。

王燦(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向：模擬信號鏈設計、FPGA信號處理。

丁照雨(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：模擬信號鏈設計、FPGA信號處理。