基于STM32的紅外光通信裝置的設(shè)計(jì)

凌振寶，王順月，韓哲鑫，林小雪，張興宇，朱 宇

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130026）

0 引言

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)取得了飛速發(fā)展，它不受時(shí)空限制，能采取靈活多樣的方式，確保語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像的綜合傳輸暢通無(wú)阻，具有無(wú)需架設(shè)復(fù)雜的傳輸線(xiàn)路和通信地點(diǎn)靈活的特點(diǎn)。其中，藍(lán)牙技術(shù)是一種新興的近距無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，但藍(lán)牙技術(shù)的最大障礙是過(guò)于昂貴，抗干擾能力弱、通信距離短、存在信息安全問(wèn)題，使其用戶(hù)群數(shù)量受到限制。同時(shí)大范圍測(cè)試與研發(fā)成本過(guò)高，不利于藍(lán)牙通訊技術(shù)的大規(guī)模研發(fā)與廣泛應(yīng)用。

紅外通信以紅外光作為載體傳送數(shù)據(jù)信息，無(wú)需申請(qǐng)頻率的使用權(quán)，因此，紅外通信使用方便，且具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜、連接方便等特點(diǎn)。根據(jù)光的獨(dú)立性傳播原理，紅外通信之間無(wú)相互干擾，且不怕散射電磁波干擾。此外，紅外線(xiàn)發(fā)射角度較小，傳輸安全性高，對(duì)其他電子設(shè)備無(wú)干擾，而且適用于需要電氣隔離和抗干擾的場(chǎng)合。目前已有的紅外光通信裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要外接A/D（Analog/Digital）轉(zhuǎn)換模塊、模擬調(diào)整電路以及高精度D/A、濾波放大模塊，導(dǎo)致外圍電路精度不夠并且功耗大。筆者采用內(nèi)部集成模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波的處理器STM32[1]、紅外光通信模塊和Speex算法[2]實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的采集，光通信與聲音播放。本裝置電路簡(jiǎn)單，成本低，在基于物聯(lián)網(wǎng)的通信領(lǐng)域有重要應(yīng)用及良好的發(fā)展前景。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

紅外光通信裝置包括語(yǔ)音發(fā)送模塊、中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)模塊和語(yǔ)音接收模塊[3]（見(jiàn)圖1）。其中語(yǔ)音發(fā)送模塊測(cè)試單元，主要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的壓縮、編碼、調(diào)制[4]和發(fā)送功能;中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)測(cè)試單元，主要實(shí)現(xiàn)載波紅外信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)功能;語(yǔ)音接收模塊測(cè)試單元，完成語(yǔ)音信號(hào)的接收，并解調(diào)后由耳機(jī)播放的功能。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 The flow of hardware

1.1 紅外通訊模塊設(shè)計(jì)

紅外通訊模塊電路如圖2所示。紅外通信發(fā)射模塊采用紅外發(fā)射管，由74HC00芯片及外圍電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，紅外發(fā)射管的載波發(fā)射信號(hào)頻率為38 kHz，因此，由74HC00對(duì)處理器產(chǎn)生的38 kHz載波信號(hào)和所要發(fā)射的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行與操作，完成載波發(fā)送。紅外通信接收模塊由接收器件CHQ1838和電壓比較器LM339組成，將接收到的語(yǔ)音信號(hào)輸入到STM32[5]處理器中進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)模轉(zhuǎn)換處理。

圖2 無(wú)線(xiàn)模塊原理圖Fig.2 The principle diagram of the wireless module

1.2 中繼節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

中繼節(jié)點(diǎn)模塊由MSP430處理器、三極管和紅外發(fā)射和接收管組成，其作用是將波長(zhǎng)950 nm近紅外線(xiàn)作為信息載體，把傳輸信號(hào)旋轉(zhuǎn)一定角度后發(fā)送出去（見(jiàn)圖3）。首先中繼節(jié)點(diǎn)的紅外接收管接收38 kHz的傳輸信號(hào);然后傳輸給MSP430單片機(jī);最后單片機(jī)將此輸出信號(hào)輸出給兩級(jí)三極管進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管完成發(fā)射，紅外發(fā)射管與接收管之間的角度就是信號(hào)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

圖3 中繼站發(fā)射接收模塊原理圖Fig.3 The principle diagram of the relay

1.3 耳機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

集成塊TDA2822是一款雙聲道音頻功率放大[6]電路（見(jiàn)圖4）。立體聲功放電路中R1、R2是輸入偏置電阻，C1、C2是負(fù)反饋端的接地電容，C3、C5是輸出耦合電容，R4、C6和C8是高次諧波抑制電路，用于防止電路振蕩。

圖4 耳機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.4 The principle diagram

1.4 STM32處理器設(shè)計(jì)

紅外光通信裝置[7]中選用 STM32F103VET6[8]作為處理器，圖 5 為 STM32[9]原理圖。芯片集成64 kByte片內(nèi)SRAM（Static RAM），512 kByte片內(nèi)Flash，具備1個(gè)JTAG（Joint Test Action Group）調(diào)試接口、1個(gè)電源LED（Light-Emitting Diode）、1個(gè)狀態(tài)LED，還包括RS-232接口、USB2.0 SLAVE接口、Micro SD卡插座以及后備電池座。語(yǔ)音編碼通過(guò)處理器并結(jié)合Speex算法完成，由該芯片內(nèi)部集成的A/D和D/A模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生38 kHz的載波信號(hào)，最終完成語(yǔ)音信號(hào)的紅外通信。

圖5 STM32原理圖Fig.5 The schematic of STM32

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的編碼、解碼[10]、數(shù)字濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，發(fā)射端系統(tǒng)軟件主要包括語(yǔ)音信號(hào)[11，12]采集和A/D轉(zhuǎn)換，語(yǔ)音信號(hào)發(fā)送編碼和發(fā)送控制。其中A/D轉(zhuǎn)換部分由內(nèi)部集成A/D模塊完成，編碼和發(fā)送控制由編程實(shí)現(xiàn)，每次接收4 000個(gè)數(shù)據(jù)，以600 Byte/s的速率發(fā)送信號(hào)，以解決紅外通信[13]中所載信號(hào)量受限問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

接收端軟件主要包括語(yǔ)音信號(hào)接收存儲(chǔ)、數(shù)字濾波和D/A轉(zhuǎn)換。其中存儲(chǔ)部分運(yùn)用處理器內(nèi)部的Flash完成，數(shù)字濾波和D/A轉(zhuǎn)換通過(guò)軟件設(shè)定參數(shù)完成調(diào)試。主要程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 The flow chart of software

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)整體測(cè)試方案是用示波器測(cè)量系統(tǒng)無(wú)輸入時(shí)輸出端噪聲電壓，語(yǔ)音信號(hào)用信號(hào)發(fā)生器模擬測(cè)量傳輸頻率范圍，最后測(cè)量信號(hào)穩(wěn)定傳輸情況下的最大通信距離。

在系統(tǒng)的各個(gè)模塊測(cè)試完成后進(jìn)行整體測(cè)試。首先將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的1 kHz方波作為模擬語(yǔ)音信號(hào)加載到處理器產(chǎn)生的38 kHz載波信號(hào)上。紅外管連續(xù)發(fā)送一個(gè)字節(jié)，觀察接收波形，分析得知，單字節(jié)數(shù)據(jù)接收正常，發(fā)射接收之間仍存在微小延時(shí)。然后紅外管連續(xù)發(fā)送一個(gè)數(shù)組，觀察接收波形。分析得知，連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)收發(fā)正常。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試圖Fig.7 The diagram of system

對(duì)系統(tǒng)整體測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)8 m通信距離內(nèi)穩(wěn)定傳輸并可通過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)延長(zhǎng)通信距離，能實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的傳輸，對(duì)通信系統(tǒng)的發(fā)展有著積極的意義。系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試表Tab.1 The testing chart of system

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者給出了基于STM32的嵌入式語(yǔ)音識(shí)別模塊的紅外光通信裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)每個(gè)組成單元的硬件電路及軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)研究。多次實(shí)際測(cè)試表明：接收裝置輸出噪聲電壓小于0.1 V，中繼轉(zhuǎn)發(fā)站可將傳輸方向改變?nèi)我饨嵌?，語(yǔ)音信號(hào)安全、穩(wěn)定傳輸距離為8 m。該設(shè)計(jì)的紅外光通信裝置具有穩(wěn)定性好、語(yǔ)音識(shí)別率高、抗噪聲干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和使用方便等特點(diǎn)。此外，基于STM32的紅外光通信裝置性能穩(wěn)定，信息傳輸高效、安全、成本低，對(duì)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展起著積極的推動(dòng)作用，并對(duì)新產(chǎn)品的誕生具有重要意義。

：

[1]楊發(fā)盛.基于STM32RBT6的便攜式甲烷濃度檢測(cè)儀[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2013，31（2）：191-195.

YANG Fasheng.Portable Methane Gas Concentration Detector Based on STM32RBT6 Processor[J].Journal of Jilin University：Information Science Edition，2013，31（2）：191-195.

[2]張立文.基于Speex的嵌入式無(wú)線(xiàn)數(shù)字音頻交互系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2013，31（4）：253-258.

ZHANG Liwen.Embedded Wireless Digital Audio Interactive System Based on Speex [J].Journal of Jilin University：Information Science Edition，2013，31（4）：253-258.

[3]蘇寶林.基于AVR單片機(jī)的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（11）：136-138.

SU Baolin.The Speech Recognition System Designing Scheme Based on AVR[J].Modern Electronics Technique，2012，35（11）：136-138.

[4]付璐.基于Speex算法的語(yǔ)音壓縮解壓程序設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，26（8）：6357-6412.

FU Lu.The Speech Compression and Decompression Programming Based on Speex Algorithmic[J].Computer Knowledge and Technology，2012，26（8）：6357-6412.

[5]彭剛，春志強(qiáng).基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

PENG Gang，CHUN Zhiqiang.The Application Practice of Embed Controller Based on ARM Cortex-M3 STM32[M].Beijing：Publishing House of the Electronics Industry，2010.

[6]周文.淺談TDA2030集成音頻功率放大器的制作[J].課程教育研究，2013（2）：254-255.

ZHOU Wen.Introduction to TDA2030 Integrated Audio Power Amplifier[J].Course Education Research，2013（2）：254-255.

[7]沈文，詹前衛(wèi).AVR單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)入門(mén)指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

SHEN Wen，ZHAN Qianwei.Introduction and Guidance of AVR Single Chip[M].Beijing：Tsinghua University Press，2003.

[8]蔡鐵.基于語(yǔ)音質(zhì)量預(yù)測(cè)的Speex自適應(yīng)碼率控制算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，30（3）：12-17.

CAI Tie.Speex Adaptive Rate Control Algorithm Based on Speech Quality Prediction [J].Computer Applications，2010，30（3）：12-17.

[9]李寧.基于MDK的STM32處理器開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

LI Ning.The Development and Application of STM32 Processor Based on MDK [M].Beijing：Beihang University Press，2008.

[10]徐國(guó)安.∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器中量化噪聲的功率譜整形[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2013，31（2）：143-146.

XU Guoan.Power Spectrum Shaping for Quantization Noise in Sigma-Delta A/D Converter[J].Journal of Jilin University：Information Science Edition，2013，31（2）：143-146.

[11]陳景帥.智能空間下語(yǔ)音交互系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，2010.

CHEN Jingshuai.The Research and Implementation of Voice Interactive System in Smart Space[D].Jinan：College of Control Science and Engineering，Shandong University，2010.

[12]付娟.強(qiáng)干擾環(huán)境下數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].杭州：中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院，2013.

FU Juan.Design and Research on Digital Speech Communication System under the Strong Interference[D].Hangzhou：College of Information Engineering，China Jiliang University，2013.

[13]趙軍.淺析紅外通信技術(shù)在數(shù)據(jù)通訊中的作用[J].信息技術(shù)，2013（7）：40-41.

ZHAO Jun.A Brief Analysis of the Effect of Infrared Communication Technology in Data Communication[J].Information Technology，2013（7）：40-41.