一種模擬和數(shù)字信號同步傳輸?shù)募t外通信系統(tǒng)設(shè)計

楊 川，牟琪琦，周維川

(重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)，重慶 402760)

1 設(shè)計思路分析

本文主要設(shè)計一種模擬和數(shù)字信號同步傳輸?shù)募t外通信系統(tǒng)，為了方便系統(tǒng)測試，模擬信號的傳輸采用音頻采集來模擬，數(shù)字信號的傳輸采用溫度采集來模擬。

脈寬調(diào)制(PWM)、脈時調(diào)制(PPM)、紅外串口脈沖等載波方案均采用了高速ADC對信號進(jìn)行采樣并對其進(jìn)行調(diào)制。通過脈沖串的時間間隔來實(shí)現(xiàn)音頻信號的調(diào)制，傳輸時間較長，不能實(shí)現(xiàn)音頻信號實(shí)時傳輸；發(fā)送數(shù)據(jù)量較大，耗費(fèi)大量CPU時鐘周期。脈寬調(diào)制(PWM)方案除定時ADC采樣外，僅需要改變其PWM占空比進(jìn)行調(diào)制，大大提高了效率，降低了系統(tǒng)功耗[1-2]。

紅外接收、發(fā)射方案采用運(yùn)算放大器進(jìn)行發(fā)射和接收，電路傳輸距離可以達(dá)到2 m，但是信號已經(jīng)被衰減了很多倍，無法完成中繼轉(zhuǎn)發(fā)。直接用三極管構(gòu)成發(fā)射電路，單管驅(qū)動必須要發(fā)射與接收較準(zhǔn)確地對準(zhǔn)才能獲得完美的信號。發(fā)射電路采用兩路并聯(lián)方式，每路采用3個發(fā)射管串聯(lián)。接收采用共射級放大，信號穩(wěn)定[3]。

2 總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，輸入信號經(jīng)過放大、濾波、偏置電路后，STM32對其進(jìn)行采集，同時STM32還將采集溫度數(shù)據(jù)、語音信號和數(shù)字信號，同時通過紅外發(fā)射裝置發(fā)射。經(jīng)過中繼轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)，改變通信方向?yàn)?0°后，由紅外接收裝置接收信號，STM32進(jìn)行采樣，然后DA輸出，經(jīng)濾波、音頻放大后輸出信號，調(diào)制、解調(diào)采用脈寬調(diào)制(PWM)方法[4]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 電路分析與設(shè)計

發(fā)射裝置電路分析、設(shè)計，采用兩組并聯(lián)發(fā)射方式，每組串聯(lián)3個發(fā)射管。發(fā)射管采用廣角度的紅外發(fā)射管，驅(qū)動采用單管直驅(qū)方式，三極管8050完全滿足發(fā)射管所需的驅(qū)動電流。接收裝置采用共射級放大電路原理，使用共射級放大電路，提高接收距離。

前級放大電路由于音頻信號非常小，采用單一運(yùn)放組成反向比例放大，或者同相比例放大，效果不理想，差分放大電路常常用在精密的信號處理場合，它具有輸入阻抗高等特點(diǎn)，所以本設(shè)計采用儀表放大對音頻信號進(jìn)行放大[5]。

濾波電路由于信號頻率大小為300～3 400 Hz。不能有其他信號干擾，所以必須在發(fā)射裝置采集音頻信號前和接收裝置輸出信號前濾波，采用九階橢圓濾波器濾波效果最佳，電路也非常簡單，但是電容、電感大小、精度要求太高，很難滿足條件。本系統(tǒng)采用4階巴特沃斯帶通濾波器進(jìn)行濾波，完全滿足濾波要求[6]。濾波電路如圖2所示。

圖2 濾波電路

偏置電路由于STM32直接采集信號時不能采集負(fù)壓信號，必須給信號加偏置電壓，使單片機(jī)采集的信號沒有負(fù)壓。通過實(shí)際測試，給1.75 V偏置效果最佳。采用反向比例設(shè)置給定信號的偏置電壓大小。

對于音頻放大電路，可以直接由分離元件組成，但電路相對復(fù)雜。本設(shè)計采用集成功率運(yùn)算放大器LA4112進(jìn)行音頻放大。LA4112的內(nèi)部由三級電壓放大組成。若需要更大功率的功放直接更換相應(yīng)型號即可。

溫度采集直接采用DS 18B20實(shí)現(xiàn)。同時為了避免混入其他干擾，將發(fā)射和接收裝置分別裝在2個屏蔽盒中，直接把電源供電線引出來，防止信號間互相干擾影響作品效果和測試結(jié)果[7]。

4 軟件分析與設(shè)計

所有的通信系統(tǒng)，首先要保存數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和完整性。本系統(tǒng)要設(shè)計模擬和數(shù)字信號同步傳輸，必須采用同步傳輸協(xié)議來完成，即在PWM一個波中既載波模擬信號，也載波數(shù)字信號。設(shè)定以8 kHz的采樣頻率進(jìn)行采樣，PWM脈寬調(diào)制時可以分時復(fù)用。脈寬調(diào)制信號中一個周期T125 μs中，0%～70%的占空比用于傳輸模擬信號，70%～90%的占空比傳輸數(shù)字信號，90%～100%由于傳輸過程中損耗大，且采集放大后線性度不高，無法準(zhǔn)確讀取載波信息，此區(qū)間不使用。接收端捕獲PWM脈寬，轉(zhuǎn)換成DA輸出[8]。發(fā)射和接受程序流程如圖3所示。

圖3 發(fā)射(左)與接收流程圖(右)

5 測試結(jié)果

經(jīng)測試，系統(tǒng)傳輸距離直接距離可達(dá)3 m以上，若加上中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置，可達(dá)10 m以上傳輸，模擬和數(shù)字信號基本不失真。

對信號的選擇效果進(jìn)行測試：第一次測試時，輸入幅度不變，改變頻率，測試發(fā)現(xiàn)通過的頻率為300～3 400 Hz，滿足音頻濾波要求。

800 Hz單音信號和0 V信號測試：發(fā)射裝置輸入信號為800 Hz，1 V，接收裝置帶8 Ω負(fù)載。用示波器測試負(fù)載兩端，頻率為800.5 Hz，傳輸正常，波形無明顯是真，其峰峰值電壓為2.01 V，即有效值為0.710 5 V。

若加上中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置，重新對800 Hz單音信號和0 V信號進(jìn)行測試：發(fā)射裝置輸入信號為800 Hz，1 V，接收裝置帶8 Ω負(fù)載。用示波器測試負(fù)載兩端，波形無明顯失真，頻率為801.03 Hz，傳輸正常，其峰峰值電壓為1.79 V，即有效值為0.626 5 V。減小輸入信號為0 V時，用交流毫伏表測試輸出電壓，大小為24.8 mV，小于0.1 V，噪聲電壓依然在可接受范圍內(nèi)。

數(shù)字信號的傳輸測試：改變環(huán)境溫度，從25℃～32℃依次遞增，采用溫度測試計作對比。發(fā)射端采集到溫度后，傳輸?shù)街欣^轉(zhuǎn)發(fā)再到接收端，接收端解析信號后通過液晶顯示屏顯示出來。經(jīng)過對比測試，溫度傳輸正常，最大誤差不超過0.3℃。

6 結(jié)語

本方案設(shè)計的系統(tǒng)傳輸距離直接距離可達(dá)3 m以上，中繼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸可達(dá)10 m以上，模擬和數(shù)字信號傳輸正常，無明顯延時。800 Hz信號傳輸無明顯失真，有效值大于0.4 V，0輸入時噪聲小于0.1 V，噪聲信號在可接受范圍內(nèi)。