红外通信收发系统的设计与实现

红外通信收发系统的设计与实现红外通信收发系统的设计与实现TheDesignandImplementofanInfraredCommunicationSystem【摘要】本实验实现了一个简单的红外光通信系统，系统包括发送端与接收端两部分，分别由信号产生、放大、红外发送电路，以及光信号接收、滤波、放大、输出电路组成。输入的信号经单管放大电路通过红外发送管发送，接收信号经高通滤波电路去除背景噪声后经LM386放大输出。实验扩展使用KD9300音乐芯片作为输入，0.8W小喇叭为接收端负载，经测试可达10米左右的传输距离，音乐清晰，效果良好。关键词：通信、红外、电路红外通信收发系统的设计与实现设计任务要求：1.基本要求1)设计一个正弦波振荡器，𝑓≥1𝑘𝐻𝑧，𝑈𝑜𝑝𝑝≥3𝑉;2)所设计的正弦波振荡器的输出信号作为红外光通信收发系统的发送端的输入信号，在接收端可接收到无明显失真的输入信号；3)要求接收端LM386增益设计G=200；4)设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用Protel软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电路版图（PCB）。2.提高要求：利用音乐芯片产生乐曲，调制LED后发出，接收端接收信号利用喇叭将发送的乐曲无失真地播放出来。3.探究环节：探究其他红外光通信收发系统的应用实例，数字调制的解决方案，给出应用方案。设计背景、思路及系统结构现代生活中电子设备花样翻新，层出不穷，它们越来越成为生活中不可或缺的好伙伴。然而，随着现代电子设备而来的是无数的数据线——绕到台式电脑的主机箱后面，有鼠标接口，有显示接口，还有音频接口……使用时不仅布线混乱，而且可能会有接线长度不足的缺点。所以，各种无线设备应运而生，如无线上网的路由器和笔记本，蓝牙耳机等。我们的这个红外通信收发系统也是基于同样的考虑，简化通信传输的介质，做到无线通信。图1.基本通信系统功能框图通常的通信系统大约有以下几个部分构成：信源、发送设备、传输介质、接收设备、信宿。传输介质分有线和无线两种，有线通常为电缆或者光纤，无线传输为微波或者红外等方式。红外传输具有成本低、体积小、反射性强等特点，广泛应用在嵌入式、遥控器等产品上。信源发送设备传输介质(噪声源)接收设备信宿发送端接收端红外通信收发系统的设计与实现首先设计的是发送端。因为传输信号为红外线，使用红外发光管发送，不存在无线电传输时天线尺寸的问题，故不经过编码和调制直接放大后发送。红外发送管的交流电阻较低，故应给其提供近似电流源的输出信号，考虑到晶体管在共射极时从集电极看进去的输出电阻较大，而共基极时增益偏小的特点，选择单管共发射极放大电路，此时，红外发送管可获得较大的电流变化。图2.发送端电路任何物体都在无时无刻地向外发送强度变化率较低的红外线，使用红外线作为传输信号，必须在接收端去除灯光等背景噪声的干扰，本实验采用RC可调电阻式高通滤波器，选择定容𝐶=0.01𝑢𝐹,可变电阻𝑅:0~10𝐾，使用Mathematica软件绘制该高通滤波器的幅度相应如图3所示。可以看出，在音频频段（300−20kHz），对原始信号衰减较弱，而低频噪音段，衰减很大（约100倍）。信号输入端单管共射放大电路红外发送电路直流偏置电路发送端红外接收电路直流供电模块接收端LM386音频功率放大器RC高通滤波器输出级红外通信收发系统的设计与实现图3.RC高通滤波器幅度响应LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器（图3），主要应用于低电压消费类产品。输入端以地位参考，封装形式有塑封8引线双列直插式（如图4）。电压增益内置为20，本实验设计增益为200，故按照器件手册给出的典型应用图，在1、8管脚之间连接10uF的电容，同时在7脚与地之间连接滤波旁路电容。整个接收级电路如图6所示。图4.LM386内部结构图图5.LM386封装图图6.增益G=200的连接图红外通信收发系统的设计与实现图7.接收端电路连接图实验数据实验完成了实验教程中的各项任务，同时进行了扩展实验，利用音乐芯片产生乐曲，调制LED后发出接收端接收信号利用喇叭将发送的乐曲无失真地播放出来，音乐清晰，声音洪亮，效果良好。具体各项数据均以汇总到表1中。指标值单位晶体管静态工作点𝑽𝑩𝑸2.9V晶体管静态工作点𝑰𝑪𝑸27mA发送端增益𝑨𝟏1-接收端增益𝑨𝟐190-输出电压𝑽𝒐1.6V最远传输距离（音乐清晰）10m最远传输距离（音乐洪亮）8m表1.实验数据汇总各数据测量方法：1.静态工作点，使用数字万用表测量基极到地之间的电位差获得𝑉𝐵𝑄，同时测得发射极到地的电位差𝑉𝐸𝑄，利用𝐼𝐶𝑄≈𝐼𝐸𝑄=𝑉𝐸𝑄𝑅𝐸计算得𝐼𝑪𝑸。2.增益，首先将输入信号调为正弦，发送端幅度1V左右，接收端输入幅度0.01V左右（因运放的满幅输出为2.5V，增益约为200，故输入信号幅度不应过大），利用双踪示波器测得输入输出幅度之比计算得增益。3.输出电压，输入正弦信号，利用交流毫伏表在输出端测得输出有效电压值。4.最远传输距离，将音乐芯片的输出加载到发送端，在关闭日光灯等干扰的情况下测试最远直线传输距离。红外通信收发系统的设计与实现实验中问题及故障排查在搭建完成面包板之后，曾分别测试发送端和接收端电路：将信号发生器接在发射极输入信号两端，测量发送管与集电极之间节点的信号；接收端则将红外光敏二极管取下，加一个正弦小信号，分别测试均无异常，但是当接上接收管之后，却无法在接收端获得来自发送端的信号。此故障曾纠结数日，更换过数个接收管均无济于事，最后，经分析判断，很可能是发送管损坏或反接（因损坏或反接时其不导通，晶体管处于饱和状态，仍可以用示波器从集电极与发送管之间的节点观察到正弦信号），于是心生一计，在发送管与𝑉𝐶𝐶之间又串联一电阻（大约10Ω）。图8此时，若红外管完好且正向工作，可从电阻与发送管之间的节点测得正弦波。反之，若管损坏或反接，只能从集电极测得信号而电阻的两个引脚均无信号。如此，成功排除了本实验中的最大问题。其他问题如：将实验教程中实例电路中LM386管脚5与地之间的电阻误认为是10K，导致输出异常；在去掉红外管，加载正弦信号测试接收端时，若将示波器的地线接在LM386的地而不是信号发生器的地线处，会导致直流电源短路，经分析LM386芯片内部结构图后认为是示波器的输入内阻过低，从芯片内最后一级流出的电流过大，使直流电源短路。（如图9）图9.实验总结与结论本次电子电路综合设计实验选择实验8红外通信收发系统的设计与实现，原因有两个，一个是符合通信电子类学科要求及特色，另一个是此实验极具趣味性且并不太复杂。中途几次重搭电路，为的是使面包板更加美观，更易于调试。实验效果比较理想，以很低的成本便实现了一个能够传输8米以上的通信系统，使我更加了解了红外通信的特点及应用场合，同时也清楚了作为短距通信的不足。但是实验过程中仍遇到大大小小数次挫折，看似简单的电路，却耗费了几个待选实验中最多的时间。3个周的实验过程，感受最深的就是：通信，尤其是无线通信，很难把握住的就是传输介质这一块——其他的通信方式或者是电路连接形式，如双绞线、同轴电缆等，变压器耦合、电容耦合等方式，都没有光耦合（无线电波）更具挑战性，因为这种看不见摸不红外通信收发系统的设计与实现着的介质我们很难知道信号到底有没有传输，更无法轻易地像使用电压表、示波器那样使用空中电磁信号探测装置测量。另外一点感触就是，一个设计良好的PCB电路板带来的不仅是美观、调试的便利，同时还有更少的干扰。在同组的其他同学进行传输测试时，老师教导我们尽量减少面包板上导线的数量，使电路横平竖直，减少电磁干扰，于是我便适当调整了电路的部分结构，重新测试后果然效果明显。另联想到电子产品中曾经爆出的飞线事件，更让我深刻体会到了一个素质优良的工程师所应该掌握的设计技巧是多么重要。实验后的探究——数字系统中的红外通信数字红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端采用脉时调制（PPM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。目前无线电波和微波已被广泛应用在长距离的无线通信中，但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通信场合点对点的直接数据传输。为了使各种设备能够通过一个红外接口进行通信，红外数据协议（InfraredDataAssociation，简称IRDA）发布了一个关于红外的统一的软硬件规范，也就是红外数据通讯标准。以遥控器为例，遥控发射具有键盘矩阵，每按下一个键，即产生具有不同的编码数字脉冲，这种代码指令信号调制在38kHz的截波上，激励红外光二级管产生具有脉冲串的红外波，通过空间的传送到受控机内的遥控接收器。在接收过程中，红外波信号通过光学滤波器和光电二级管转换为38kHz的电信号，此信号经过放大、检波、整形、解调、送到解码与接口电路，从而完成相应的遥控功能。附图为采用TC9148P专用集成块（IC501）构成的用于音响遥控的发射电路原理图，电路振荡频率由IC501第2、3脚外接晶阵CF501决定，并经内部分频产生38kHz的载波信号。键扫描输入和输出各采用了两条线，它们分别与IC501的第4、5和第10、11脚相接，组成2X2矩阵。当按下矩阵交叉点上的按键时IC501就进行编码、调制和放大，由IC501就进行编码、调制和放大，由IC501第15脚输出代表相应控制功能并被调制在38kHz上的编码电脉冲串，经Q501、Q502放大后驱动红外发光管，使电脉冲变换为光脉冲信号，通常遥控距离不小于8.5m，有时可达10m（甚至更远）。【参考资料】[1]电子电路综合设计实验教程》2011.2[2]NationalSemiconductor.LM386LowVoltageAudioPowerAmplifierDataSheet.2000[3]百度百科.“通信系统”、“红外线”词条[4]互动百科.“红外通信协议”词条[5]厦门华联电子有限公司.红外发光二极管.产品规格书2003.5红外通信收发系统的设计与实现附录PROTEL绘制的原理图红外通信收发系统的设计与实现所用元器件及测试仪表清单红外发送管303红外接收管302LM386KD9300三极管（8050）发光二极管按键开关可变电阻（10K）电阻（2K、3.3K、20、51、33K、10）电容（10uF、100uF、0.01uF、10uF、47uF、0.047uF、220uF）