真人CS里激光接收電路設(shè)計(jì)

黃 明，王 燦，丁照雨，李爭(zhēng)平，葉 青

(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144)

真人CS里激光接收電路設(shè)計(jì)

黃 明，王 燦，丁照雨，李爭(zhēng)平，葉 青

(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144)

設(shè)計(jì)了一種適用于戶(hù)外環(huán)境的自適應(yīng)激光接收電路。為提高激光收發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在激光接收端采用自適應(yīng)去除直流分量，并對(duì)波形進(jìn)行數(shù)字化整形，使單片機(jī)主控器收到符合規(guī)范的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了較好地抑制外界環(huán)境光干擾的需求，維持了系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。

單片機(jī)；激光接收；低通濾波；信號(hào)整形

0 引言

真人CS對(duì)戰(zhàn)是時(shí)下很流行的游戲，很多企業(yè)把這個(gè)項(xiàng)目作為拓展訓(xùn)練的一種。游戲規(guī)則之一是在自然環(huán)境里，如果“友軍”槍支發(fā)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(xiàn)場(chǎng)受不同時(shí)間、天氣、地形等自然因素影響，背景光明暗迥異，如何保障設(shè)備工作的穩(wěn)定性成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文探討并設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)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(wěn)定識(shí)別解碼激光信號(hào)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)發(fā)射端采用單片機(jī)控制，游戲開(kāi)始后，用戶(hù)扣動(dòng)扳機(jī)，單片機(jī)從串口輸出自己的ID號(hào)控制激光二極管發(fā)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(fā)射的ID信號(hào)，經(jīng)過(guò)波形整形電路，傳送給單片機(jī)串口，由單片機(jī)判斷所接收的信號(hào)是否被敵方激光槍擊中。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)發(fā)射部分電路簡(jiǎn)單，只要保障一定發(fā)射功率驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射二極管即可。整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性主要取決于接收部分電路實(shí)現(xiàn)。

2 激光接收電路的關(guān)鍵問(wèn)題

系統(tǒng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題在于外界環(huán)境光受晝夜、陰晴、地形等諸多因素影響[1]，亮度動(dòng)態(tài)范圍太大，發(fā)射的激光混同外界環(huán)境光進(jìn)入接收端后，接收端必須排除外部環(huán)境干擾以防止誤判，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定接收。

接收端的設(shè)計(jì)采用以下兩種有效方法排除干擾誤判，增強(qiáng)穩(wěn)定性：

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

(2)經(jīng)過(guò)濾鏡的光被光電二極管接收，通常出現(xiàn)波幅較小、疊加一定直流分量的現(xiàn)象，這種信號(hào)難以識(shí)別，還需通過(guò)整形電路去除直流分量、放大波幅[2]。

接收端設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 接收端設(shè)計(jì)框圖

圖4 數(shù)字整形電路與仿真

因此，保障接收端信號(hào)質(zhì)量的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于波形整形電路設(shè)計(jì)。

3 電路設(shè)計(jì)

波形整形電路完成的功能有兩個(gè)：(1)去除信號(hào)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(shù)字波形，提供給主控制器數(shù)字解碼使用。以下對(duì)兩部分電路依次進(jìn)行討論。

3.1 去除信號(hào)中直流分量

信號(hào)混入的外界背景光強(qiáng)度未知，因此對(duì)應(yīng)信號(hào)所疊加的直流分量也有波動(dòng)，不能在電路中直接設(shè)定某一直流比較電平作參考。但可以通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波求出所攜帶直流分量。一般信號(hào)傳輸波特率在1 kb/s左右，因此設(shè)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(hào)與均值分別接入開(kāi)環(huán)放大器的正負(fù)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(lì)信號(hào)設(shè)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(jīng)過(guò)放大器后可得6 V Vpp、500 Hz方波。結(jié)果表明電路設(shè)計(jì)合理。

圖3 電路設(shè)計(jì)及時(shí)序仿真圖

3.2 數(shù)字化整形電路

設(shè)計(jì)思路是信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器電路進(jìn)行波形數(shù)字整形，去除負(fù)電壓信號(hào)，使低電平歸為0 V，抬升高電平信號(hào)至TTL數(shù)字系統(tǒng)。電路設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮單電源供電時(shí)，需要采用保護(hù)二極管D2對(duì)芯片輸入端進(jìn)行負(fù)壓保護(hù)，防止過(guò)低輸入電壓燒毀芯片；另外負(fù)向輸入端比較電壓設(shè)為0.6 V，以保證電路工作穩(wěn)定；再者，比較器是開(kāi)漏(OD)輸出，輸出引腳需要上拉電阻才能保證正常的數(shù)字輸出。

如圖4所示，設(shè)定激勵(lì)信號(hào)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(wěn)定的數(shù)字

方波。結(jié)果表明電路設(shè)計(jì)合理[4-5]。

綜合3.1和3.2節(jié)可以有效解決接收模擬信號(hào)整形問(wèn)題，較好地抑制外界環(huán)境光干擾，提供符合規(guī)范的數(shù)字信號(hào)給主控器，實(shí)際電路測(cè)試也證明了這一點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)激光接收電路，在背景光明暗迥異的情況下依然能夠穩(wěn)定識(shí)別激光信號(hào)的電路，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、實(shí)用，可以為相關(guān)設(shè)計(jì)提供有益的參考。

[1] 童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2006.

[2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)·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(zhǎng)慶.激光原理與技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社,2015.

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

[5] 楊建國(guó).ADI中文技術(shù)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(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)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(hào)鏈設(shè)計(jì)、FPGA信號(hào)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(hào)鏈設(shè)計(jì)、FPGA信號(hào)處理。

丁照雨(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：模擬信號(hào)鏈設(shè)計(jì)、FPGA信號(hào)處理。