紅外光通信裝置設計

王耀賢，王建衛

（貴州工程應用技術學院，貴州畢節，551700）

0 引言

紅外通信技術歷史悠久，自90年代以來，該技術又獲得了重大突破，應用領域更加廣泛，如生活家居（紅外照相/攝像機、夜視儀、家電遙控器等）、航空航天、汽車、軍事等領域。經過近半個世紀的發展，我國在紅外通信技術方向的科研項目已經取得了可喜的進步，許許多多的正規研究所拔地而起，更有紅外通信實驗室和眾多的研究項目組，在許多高等院校里，也出現了紅外通信專業或者與紅外通信專業相關的光電子技術系，數量眾多的民營企業、股份制企業相繼誕生，至今已形成了規模各不相同的產品。

近幾年來，隨著智能化設備越來越普遍，紅外通信技術因其抗磁場性能優異，從而被普遍的利用到針對智能電器、智能家居的設計方案中。紅外通信是最常用的中近距離無線信息傳輸方式之一，采用紅外通信的獨到之處是成本低、速率高且功耗低。因此對如何最大化的還原紅外光攜帶的信息、如何將信息更好的植入紅外光載體等問題的研究具有重要意義。

1 系統框架設計

本設計是利用了數字編碼通信技術，當話筒或者3.5mm音頻輸入端輸入語音信號時，高速單片機處理接收到的音頻信號；同時，發射端的溫敏電阻采集溫度數據，送入高速單片機內，與音頻信號一起定向發送；由紅外發射模塊發送數據，經過中繼器后，由另一塊高速單片機控制的紅外接收端接收數據，再經過解碼調制、功放調制；最后可在耳機中收聽到清晰且不失真的音頻。系統要求傳輸距離不低于2m，中繼距離不低于4m。本設計所用到的模塊如下：高速單片機C8051F020、紅外發射接收管、中繼轉發部分；在語音信號進入單片機和輸出到耳機之前，還需經過濾波、功放模塊；溫度數據顯示部分使用LC01602液晶顯示器。系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架圖

2 系統硬件部分設計

■2.1 數據收發部分設計

系統收發部分使用的是紅外接收管TFDU4100來完成紅外光信號的接收，其與紅外發射模塊TSFF6410相匹配，可以和一個用于脈沖調制的I/O口相連，電路簡易的同時資源利用率高。

2.1.1 紅外發射模塊電路設計

紅外發送模塊使用的是TSFF6410紅外發射二極管。紅外發射端與高速單片機相連，由于紅外通信需要考慮許多因素，例如不同環境下的光照，發射器自身的發射功率等；要實現通信距離長，通信質量高，就需要聚光性好、發射功率大的紅外二級管；由于我們使用的編碼頻率較高，這對紅外二極管的高頻率特性有高要求。而TSFF6410紅外發射二極管具有如下參數：波長為870mm、調制帶寬為24MHz、輻射功率和輻射強度高。其與設計要求相對應，所以選擇該器件作為發射端。電路圖如圖2所示。

2.1.2 紅外接收模塊電路設計

紅外接收部分使用的是TFDU4100。TFDU4100的發射和接收是一體化的；它具有如下參數：供電電壓為6V，操作電壓范圍是2.5～5V，最低供電電流為1.3mA，通信速率為115.2Kbit/s。由電路圖可以看出，芯片電源引腳上拉一個47Ω的電阻再與5V電源相連，該電阻和C2、C3一起組成一個低通濾波器，用于濾掉電源自身的干擾。在電路板制作中，可盡量將C2、C3與TFDU4100的距離拉近，可有效抑制射頻噪聲。芯片SC引腳的作用是控制接收靈敏度，由于我們的設計是在有光環境下，所以將SC引腳懸空，即可實現有光環境的數據接收，且能保證不受燈光強度差異的影響。

圖2 發射模塊電路圖

圖3 接收模塊電路圖

■2.2 語音預處理

語音數據的預處理選擇做特定的濾波處理和前端放大，再實行精度標準高的AD采樣，即可實現模擬信號轉化為數字信號，便于在紅外通信裝置中傳送。數據采集可通過MIC輸入，也可通過3.5mm音頻孔輸入；由于MIC或3.5mm輸入的數據為低幅信號，所以需要一個放大電路對其進行放大處理，放大器為TL082芯片。當聲音輸入較大時，可用二級放大1～10倍，反之輸入較小時，使用一級放大100倍。使用的電源電壓為5V，電源旁的C14、C15、C20、C21四個電容可起到消除電源自身干擾的作用。

■2.3 信號編碼解碼

信道編碼解碼選擇高速單片機8051F020；將前端信號輸送到單片機的外部中斷，根據定時器的數據作為依據，由此可判斷間隔時間，即可獲得數據；再將收集到的數字信號由單片機編碼成PWM波調制信號。由于高速單片機本身具有AD、DA，便于模擬量的接收和發送使用。

■2.4 溫度顯示

溫度顯示界面由于溫度信號數據較少，所以采用LCD1602，因其擁有接口簡單，直觀省電，可采用囚線或八方向式傳輸數據，只需兩三根控制線等優點，正好適合設計需求。溫度采集電路如圖5所示。

圖5 溫度數據采集電路圖

■2.5 MCU控制單元

控制單元MCU選擇Silicon Labs公司制造的C8051f系列C8051f020單片機，其擁有精簡指令集，且內部集成DAC、ADC等模塊，還擁有64位的FLASH儲存器，可大幅降低電路復雜程度，并節省成本。

圖4 語音處理部分電路圖

3 系統軟件設計

■3.1 發射端程序設計

控制單元MCU上電后，首先對所用到的定時端口、中斷端口、AD端口實行初始化。接著MCU讀取發射端的溫度數據，定時125μs后進行判斷，當時間到達且數據讀取完成，則開始進行AD采樣，采樣完成后將數據編碼然后發送，每12位溫度數據為一個循環。當溫度數據解碼出現延時，則先完成解碼端操作，再進行第二組溫度數據采集和發送指令。

圖6 發射端程序框圖

■3.2 接收端程序設計

控制單元MCU上電開起后，首先對需要使用的定時端口、中斷端口、DA端口實行初始化。然后開啟定時器2接收編碼信號，將接收到的數據進行解碼，還原出原來的語音數據和溫度數據，語音信號直接輸出到3.5mm音頻口或音響設備，溫度數據則由LCD1602顯示器顯示；當溫度數據沒有完全接受時，延遲顯示同時繼續讀取發送端數據。

圖7 接收端程序框圖

4 結論

本設計利用C51F020單片機作為MCU，使用紅外發射管和紅外接收管作為收發器件，配合編碼解碼程序，可將語音信號或3.5mm音頻輸入信號通過紅外光發送；由于收發器件的性能良好，單片機處理速度優異，則可增加一路數字信道，實現了溫度音頻雙信號的實時傳輸；定向傳輸距離為2m，中繼轉向為4m；可實現接收信號無明顯失真，溫度誤差幅度不大于2度；在兩塊單片機之間加入多個中繼器可實現多方向、長距離傳輸，理論上傳輸的數據將保持穩定。

* [1]楊劍飛.基于光傳輸的語音播放系統設計[D].大連:工業大學碩士學位論文，2016.06

* [2]許可行，劉延飛，羊帆.基于紅外的音頻數據中繼系統的設計[J].電聲技術，2016.10