基于MSP430单片机的红外光通信系统研究

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　　摘  要：红外光通信系统主要由红外发射端和红外接收端组成，以光为介质完成语音通信。系统中使用了MSP430F5529单片机作为工具对语音信号进行A/D，DSP，D/A，串口通信处理，在发射端应用了AM调制技术来降低误码率，提高通信的质量，进而使接收端得到的语音信号更加清晰。文章采用模块化思想制作硬件电路，同时将软件作为信号采集处理的工具，软硬结合共同完成光通信装置的理论分析和实物制作，传输的语音效果良好。
　　关键词：红外光通信;AM调制;DSP;串口通信
　　中图分类号：TN929.1         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）09-0060-03
　　Abstract： Infrared optical communication system is mainly composed of infrared transmitting end and infrared receiving end， and completes voice communication with light as medium. The MSP430F5529 single-chip microcomputer is to perform A/D， DSP， D/A and serial communication processing on the voice signal. AM modulation technology is applied at the transmitting end to reduce the bit error rate and improve the quality of communication， so that the receiving end can get the receiving end. The voice signal is clearer. In this paper， we use modular thinking to make hardware circuits and software as a signal acquisition and processing tool. The combination of software and hardware completes the theoretical analysis and physical production of the optical communication device， the transmitted speech effect is good.
　　Keywords： infrared optical communication; AM modulation; DSP; serial communication
　　引言
　　光通信是以光波为载波的通信方式。它采用红外线传输信息，不易被发现，因此其具有保密性强的优点。近些年来，光通信领域发展迅速，在许多高等院校里，也出现了对红外通信专业学生的实践培养。光通信位于通信领域发展的前段，整个通信系统的性能对于通信的质量极为重要。因此，对于传统装置的改进与创新变得更加必要。
　　本文中设计了一套结合MSP430F5529单片机以及AM调制技术的光通信系统，可以实时完成语音信号的传输，且效果良好。
　　1 系统总体方案
　　本系统采用TI公司的MSP430F5529单片机为载体，对采集的语音信号做出处理，结合了AM调制方法，通过红外发射管进行发送。红外接收端通过I-V转换电路实现对信号的放大，经过解调器进行解调处理，再将其通过自适应比较器进行波形整形，之后结合单片机进行DA处理并滤波，最后通过音箱实时播放传输过来的语音信号。
　　本系统主要分为发射和接收两个主要部分，红外发射管和红外接收管均采用高带宽的二极管，以光为载体，对电流的变化和感应作为传输信号进行通信。通过MSP430F5529单片机和模拟电路模块作为工具对语音信号进行数字、模拟的处理。模拟硬件电路模块均采用Altium Designer软件进行PCB板设计，实践效果良好。光通信系统总体模块包括：语音放大滤波、乘法器、振荡器、I-V转换电路、解调器、自适应比较器、300-3400Hz滤波电路，DA转换模块等。整体系统框图如图1所示。
　　2 系统硬件设计
　　根据系统总体设计要求，对几个主要功能模块的设计方案进行介绍。
　　2.1 语音放大及滤波电路
　　麦克风将语音信号转化成电信号，此电信号通过放大以及滤波电路进行电信号的初步信号处理。在这里，选用OPA2134芯片来设计放大器以及滤波器。OPA2134具有低噪声，极小失真，具有良好的声音品性的特点，因此，放在语音处理的电路部分。
　　在本文中，通过TI公司的FilterPro Desktop软件进行滤波器的设计。语音信号频率在300-3400Hz，为了避免其余频率的噪声对语音信号的干扰，选用中心频率1850Hz，带宽为3100Hz的带通滤波器对语音信号进行滤波处理。
　　2.2 单片机预处理
　　首先，用MSP430F5529单片机进行AD采集，将语音转化成的电信号通过AD处理转变为数字信号。之后将单片机与Uart进行通信，输出PWM方波，便于在红外通信装置中传播。此方波便是带有语音信息的数字信号，此异步帧格式由1个起始位、7或8个数据位、校验位（奇/偶/无）、1个地址位、和1或2个停止位[2]。
　　PWM波设置的波特率为256000bps。因此当每个音节对应的八位数字信号为01010101或10101010时，所传输的数字信号频率最大，为128KHz。当信号在信道中传输时，信號的传输速率越快（频率越高），相对应的时间延迟越小，通信效果更佳。所以，在这里选取了当前时钟下所对应的最大波特率。 　　2.3 乘法器
　　在本套系统中，使用基于AD835芯片的乘法器来模拟整个AM调制过程。如图2所示。载波信号是由ADF4351本振源产生的高频正弦波，基带信号则为经过单片机预处理后的数字信号。将两个信号通过乘法器相乘后，完成模拟调制过程。
　　数字信号进行通信时，在通信过程中的误码率较高，例如：在信道传输时，外界因素干扰，数字信号0跳变为1，导致一段数据信息错误，使声音失真。若经过模拟AM信号调制后，由于正弦波经过倒相后所承载的信息不会发生变化，因此，调制后的信号在经过信道进行传输时便会大大降低误码率，使接收端处理后的语音信号更准确。
　　2.4 振荡器
　　通过ADF4351振荡器模块产生正弦波，作為本振源，对单片机输出的数字信号进行调制处理。通用异步收发传输器（Uart）发送 ADF4351的频率配置指令，MSP430F5529将串口协议解析，以SPI的形式将配置指令发送至ADF4351，实现波形输出。为了使调制效果更加明显，输出的正弦波频率应达到10MHz以上[3]。
　　2.5 红外发射端电路
　　红外发射端电路使用的是TSFF6410[4]红外发射二极管。红外发射端与高频率调制信号相连，由于红外通信需要考虑许多因素，例如不同环境下的光照，发射器自身的发射功率等;要实现通信距离长，通信质量高，就需要聚光性好、发射功率大，带宽大的红外二级管;由于我们使用的编码频率较高，这对红外二极管的高频率特性有高要求。而TSFF6410红外发射二极管具有如下参数：波长为870mm、调制带宽为24MHz、辐射功率和辐射强度高。其与设计要求相对应，所以选择该器件作为发射端。电路图如图3所示。
　　电路图中的电容均为滤除电源自身噪声的电容，在PCB板制作时，应尽量使电容靠近电源，最大程度上减小电源噪声干扰。复合三极管用来稳定三极管射极的电流，当发射端的输入电压信号不断变化时，通过三极管的稳定电流性能将电压变化转变为电流变化，再通过红外二极管发射出去。
　　此发射端电路与传统电路有所不同，此电路结合了集成运放OPA695来使三极管导通。优点是OPA695为高带宽的电流驱动运放，使用它会使信号在高速传播时仍具有稳定性，进而使红外发射的效果更好。
　　2.6 红外接收端电路
　　红外接收部分使用的是TFDU4100。此红外二极管同样具有高带宽特性。电路如图4所示。
　　此接收端模块同样也为I-V转换电路，将接收管接收到的电流信号，转换成电压信号并且放大106倍（弥补通信时信号幅度的衰减），选用500MHz高增益带宽积的OPA656作为运放来构建此电路。
　　2.7 解调器
　　本系统采用包络检波（非相干解调）来对调制信号进行解调。基波为数字信号，最高频率可达128KHz，载波为ADF4351振荡器输出的15MHz的正弦波。两种信号经过AM调制后，得到了AM信号。在通信传输过程中，调制信号的频率信息不发生变化，只有幅度产生变化。根据已知的频率信息，设计解调器参数，实现基波的还原。
　　2.8 单片机DA处理
　　通过MSP430F5529单片机控制DAC7811芯片组成的DA模块，完成数-模转换，输出采集到的音频电信号。最后经过300-3400Hz的带通滤波器后，通过音响放出语音信号，完成整个光通信系统。
　　3 系统软件设计
　　本系统使用MSP430F5529单片机的程序编写实现AD，DA和通信的功能。
　　在发射端，单片机通过AD转换将模拟信号转变为数字信号，在利用Uart实现串口通信，发出PWM波（含有模拟信号的全部信息）。
　　在接收端，单片机对解调出的数字信号进行DA处理，转化成模拟信号（语音信号）。接收端软件流程图如图5所示。
　　4 结束语
　　本系统利用了MSP430F5529单片机作为MCU，采用了AM调制技术来降低通信时的误码率。硬件系统的PCB板集成度较好，所采用芯片均适合高速电路，单片机处理速度较快，可以实现最高频率可达1MHz的信号通信。系统未考虑通信距离问题，需要提高信号功率来增加通信距离。发射端与接收端都采用了红外二极管，以语音为原始信号，以光为载体进行通信，接收端得到的语音效果良好。
　　参考文献：
　　[1]张秀.应用型模拟电子技术的应用[J].电子技术与软件工程，2019（15）：62-63.
　　[2]涂文元.浅析串行通信接口UART的设计[J].民营科技，2018（12）：201.
　　[3]Tan Qiuhong. DESIGN AND FABRICATION OF PHASE-LOCKED LOOP FREQUENCY SYNTHESIZER CIRCUIT[A]. 香港国际工程技术协会.Proceedings of 2017 2nd International Conference on Intelligent Computing and Information Engineering（ICIE 2017）[C].香港国际工程技术协会：武汉万城云文化传媒有限公司，2017：3.
　　[4]王耀贤，王建卫.红外光通信装置设计[J].电子制作，2018（07）：40-42.
　　[5]李卫，陶维青.基于MSP430的串行通信软件设计[J].仪器仪表用户，2004（01）：79-80.
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