LIFI耳机-设计报告

电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告设计题目：Li-Fi耳机学院：专业：学生姓名：学号：任课教师：年月日北京交通大学电工电子实验教学中心设计报告电子系统课程设计目录1设计任务要求11.1设计背景11.2设计任务11.3.评分标准12设计方案及论证22.1方案分析32.2具体电路设计42.3接收端电路设计63制作及调试过程73.1制作与调试流程73.2遇到的问题与解决方法84系统测试84.1测试方案84.2测试数据104.3数据分析和结论115系统使用说明115.1系统外观及接口说明115.2系统操作使用说明126成本与效益评估137总结137.1本人所做工作137.2收获与体会137.3对本课程的意见与建议138参考文献14北京交通大学电工电子实验教学中心设计报告电子系统课程设计11设计任务要求1.1设计背景LiFi（LightFidelity）是一种利用可见光进行数据传输的全新无线通信技术，于2011年由英国爱丁堡大学的HaraldHaas教授发明。该技术利用电信号控制发光二极管（LED）发出的肉眼看不到的高速闪烁信号来传输信息，具有传输速度快、保密性好、安全无辐射等优点，可以在正常照明的同时提供数据、音频、视频等无线通信服务。1.2设计任务使用LED台灯和光电二极管设计并制作一套Li-Fi耳机系统。系统由发射机和接收机两部分组成。发射机中的发射板通过音频线与音频播放装置（如MP3播放器、手机或计算机等）连接，对输入的音频信号进行处理后驱动经过改造[说明2]的LED台灯发光，在提供照明的同时利用台灯发出的光线传送信息。接收机中的光电二极管接收到的来自发射机的光信号并将其转换为电信号，经过接收板处理后将其还原为原始的音频信号，驱动耳机发声输出。1.3.评分标准基本部分：（1）发射机具有白光照明功能，LED台灯的驱动电流[说明4]不小于100mA，输出照明光线无肉眼可见闪烁（10分）（2）接收机应能够通过阻抗为8~32Ω的立体声耳机（左右两只耳机应均有输出）播放发射机发送的音频信息，输出声音质量等级[说明5]不低于VI级。（25分）（3）发射机与接收机的最大通信距离[说明6]不小于15cm。（15分）（4）接收机耳机输出应同时包含发射机输入的左、右两个声道的音频信息，左、右声道分别输出（立体声）或合成输出（L+R）均可，两声道声音大小保持原有比例。（10分）（5）系统供电方式及供电电压不限，但发射机和接收机的电源必须完全独立，相互隔离。（6）测试时允许采用适当的遮光措施以避免外界光线对通信北京交通大学电工电子实验教学中心设计报告电子系统课程设计2的干扰。提高部分：（1）提高照明亮度，LED台灯的驱动电流不小于200mA。（10分）（2）提高系统的声音通信质量[说明5]（40分）a)接收机耳机输出音频信号声音质量等级为I级。（40分）b)接收机耳机输出音频信号声音质量等级为II级。（25分）c)接收机耳机输出音频信号声音质量等级为III级。（20分）d)接收机耳机输出音频信号声音质量等级为IV级。（10分）e)接收机耳机输出音频信号声音质量等级为V级。（5分）（3）提高发射机与接收机的最大通信距离[说明6]。（通信距离15cm以上每增加2cm给1分，不设上限）（4）接收机具有输出音量调节功能（20分）a)模拟音量调节：使用电位器旋钮调节音量。（5分）b)数字音量调节：使用“+”、“-”按键调节音量，每次按键音量增加或减小1级，总共不少于8级。（12分）c)数字音量调节及显示：使用“+”、“-”按键调节音量，每次按键音量增加或减小1级，总共不少于8级，当前音量等级通过数码管或液晶显示器显示。（20分）（5）接收机具有接收指示功能，即当接收机接收到来自发射机发出的光信号并成功建立通信时点亮一个指示灯，未接收到发射机的信号时指示灯熄灭。（15分）（6）接收机具有输出静噪功能，即仅当其接收到发射机发出的信号时输出音频信号，未接收到发射机发出的信号时输出静音，不会发出噪声。（15分）（7）系统具有抗干扰能力，在周围环境存在日光（非直射）或手电筒、室内灯光（50Hz频闪）照射情况下仍能正常通信，接收机输出音质不受影响。（20分）（8）发射机完全采用USB电源（含移动电源）（DC+5V输出，使用标准USB接口）或LED台灯内部原有电池（DC+4V）供电（保持LED台灯原有充电功能）。（15分）（9）接收机完全采用干电池（单电源，供电电压最高不超过6V）或移动电源（DC+5V输出）供电。（15分）（10）其他有实际意义的新功能、性能提高、显著的低功耗、低成本等。2设计方案及论证北京交通大学电工电子实验教学中心设计报告电子系统课程设计32.1方案分析发射机中的发射板通过音频线与音频播放装置连接，输入的信号分为左右两个声道，经过加法器和放大器实现信号的相加和放大，再通过调频之后通过驱动电路使LED灯发光传递信息。接收机中的光电二极管接收到的来自发射机的光信号并将其转换为电信号，经过接收板处理后将其还原为原始的音频信号，驱动耳机发声输出。北京交通大学电工电子实验教学中心设计报告电子系统课程设计42.2具体电路设计图表1发送端整体电路2.2.1加法放大电路信号经过音频接分为左右两个声道，接收到信号之后先把他们相加，采用LM324AD芯片实现加法和放大。2.2.2调制部分10KR?Res210KR?Res235421J?PhonejackStereoSW1uFC?CapPol1100KR?Res2100KR?Res2100KR?Res2100KR?Res2VCC1I/O12I/O23GND4GND5I/O26I/O17VCC8U?USB6B1GNDGND2311411U?ALM324AD10KR?Res21uFC?CapPol1Q913Q55Q47Q64Q1015Q121Q76GND8Q132Q814Q143CLK010CLK09RST12CLK111VDD16U?CD4060BCM1MR?Res2124MY?XTAL22pFC?Cap22pFC?CapGND5VposVSRCGNDVCOIN9COMPIN3SIGIN14VCOOUT4PHCOMP1OUT2PHCOMP2OUT13ZEN15DMDOUT10C1A6C1B7INH5PHPULSE1R111R212VCC16GND8U?CD4046BCM1nFC?Cap3KR?Res21uFC?CapPol1GND100KR?RPot100KR?RPotQ?2N3904Q?2N3904100KR?Res21KR?Res25VposVSRCD?LED02.3R?Res2100KR?Res2100KR?Res2100KR?Res2GND2311411U?ALM324AD1uFC?CapPol1GNDVCC10KR?Res21uFC?CapPol11uFC?CapPol110KR?Res210KR?Res235421J?PhonejackStereoSW1uFC?CapPol1100KR?Res2100KR?Res2100KR?Res2100KR?Res2GNDGND2311411U?ALM324AD10KR?Res21uFC?CapPol11uFC?CapPol11uFC?CapPol1北京交通大学电工电子实验教学中心设计报告电子系统课程设计5图表2锁相环电路为了降低噪音干扰，我们要将信号进行调频，将我们需要的信号搬移到高频进行传输。调制部分使用锁相环电路和晶振共同完成，具体原理晶振产生的振荡频率波和VCO的输出一起作为鉴相器的输入，鉴相器通过相位的比较后输出然后经过设计好的环路滤波器，再利用加法器与调制信号相加，共同输入到压控振荡器，控制其输出频率，达到频率调制的效果。输入信号Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压UΨ则反映出两者的相位差。UΨ经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。图表3晶振电路载波使用晶振提供，我们选取的是4MHZ的晶振，经过五分频后VCOIN9COMPIN3SIGIN14VCOOUT4PHCOMP1OUT2PHCOMP2OUT13ZEN15DMDOUT10C1A6C1B7INH5PHPULSE1R111R212VCC16GND8U?CD4046BCM1nFC?CapGND100KR?RPot100KR?RPotQ913Q55Q47Q64Q1015Q121Q76GND8Q132Q814Q143CLK010CLK09RST12CLK111VDD16U?CD4060BCM1MR?Res2124MY?XTAL22pFC?Cap22pFC?CapGND北京交通大学电工电子实验教学中心设计报告电子系统课程设计6输出125KHZ的方波信号作为载波信号。2.2.3驱动电路我们采用两级共射驱动电路，可使得通过LED灯的驱动电流达到200mA以上，且基极电流较小，不会对解调部分造成干扰。2.3接收端电路设计图表4接收端整体电路2.3.1感光部分光电二极管由LED灯发出的光信息产生电流信号，我们用一个较大的电阻将其转变为电压信号,然后再进行相应的处理。Q?2N3904Q?2N3904100KR?Res21KR?Res25VposVSRCD?LED02.3R?Res2D?SFH230P100KR?Res2100KR?Res2100KR?Res2100KR?Res2330KR?Res2100KR?Res2100KR?Res2100KR?Res2VCC2311411U?ATLV24645672411U?BTLV24641uFC?CapPol1GNDVCC1uFC?Cap1uFC?CapGND1uFC?Cap10KR?Res2330KR?Res210KR?Res21uFC?Cap1uFC?CapVCOIN9COMPIN3SIGIN14VCOOUT4PHCOMP1OUT2PHCOMP2OUT13ZEN15DMDOUT10C1A6C1B7INH5PHPULSE1R111R212VCC16GND8U?CD4046BCM1nFC?CapGND10KR?RPot100KR?RPot10KR?Res21nFC?CapVCCD?LED01uFC?Cap12345678P?X9511GNDS?SW-PBS?SW-PB12345678P?TDA282210KR?Res2100uFC?CapGNDGND35421J?PhonejackStereoSWD?DiodeBAT173.3uFC?Cap100uFC?Cap100uFC?Cap470uFC?Cap470uFC?Cap4.7R?Res10.1uFC?Cap0.1FC?CapVCC4.7R?Res1100uFC?Cap10KR?Res2北京交通大学电工电子实验教学中心设计报告电子系统课程设计72.3.2放大部分由光电二极管感光而来的信号十分的微弱，所以必须对进行高倍的放大，考虑到增益带宽积的限制，我们这里采用二级放大，理论上来说，这两级放大电路级联在一起能够达到940倍的放大效果，但考虑到实际，放大倍数有一些偏差，只能达到400倍左右。2.3.3解调部分与调制部分相同，我们这里采用CD4046芯片利用锁相环的特性进行解调，将我们需要的音频信号提取出来。当从14脚输入一倍信号调制的（中心频率与CD4046的VCO的中心频率相同）调频信号，则相位比较器输出端将输出一个与信号具有相同变化频率的包络信号，经低通滤波器滤去载波后，即剩下调频信号解调后的信号了。一般使用PCI，这时仅由R1和C1确定VCO的中心频率f0，而不用R2来收缩频率范围（其为无穷大）。2.3.4功放电路输出左右声道信号，播放音乐。3制作及调试过