基于STM32的低功耗红外光通信系统设计

杨　奕，杨　川，周川云

基于STM32的低功耗红外光通信系统设计

杨奕1，杨川2，周川云3

（1.重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆400054；2.重庆机电职业技术学院自动化工程系，重庆402760；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）

为解决目前红外光通信成本高、距离近、传输方向单一、功耗偏高的问题，采用STM32为控制核心，设计一种红外光通信系统。发送端通过STM32自带的高速AD对音频信号采样，为保证信号不失真，采样频率为15kHz。通过脉冲宽度调制（PWM）来实现音频信号与环境温度信号的调制，接收端STM32对光脉冲进行解调。实验结果表明，在10m范围内能实时传输一路300～3400Hz音频信号和一路数字信号，声音信号传输正常，无失真，环境温度传输最大误差为0.3℃；实现信号中继任意方向转发，并且中继站功耗为0.06W，达到节能目的。

红外光通信；STM32；脉宽调制；中继转发；奈奎斯特定理

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.022

0　引言

红外光通信技术是一种无线连接技术，主要用于取代点对点的线缆连接、进行近距离的无线数据传输，也有用于近距离无线网络接入［1-3］。因其抗电磁干扰能力强，国外主要将红外光通信运用在军事与工业中，如用于高压开关柜热点温度实时检测、矿井安全检测。国内目前对红外光通信的研究落后于其他国家，仍存在许多问题需要解决，如功耗偏高、传输距离近、传输方向单一等。

本文提出一种新的红外光通信传输技术，采用脉宽调制实现信号的传输，比传统的编码方式更为简单，并且可以实现数字、模拟信号同时传输。传输距离远、中继站功耗低。

1　红外光通信技术基本原理

红外光通信技术是利用950 nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体。通过数据电脉冲和红外光脉冲之间相互转换实现无线数据收发［4］。

常用的调制、解调方法有通过脉冲宽度实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法［5-6］。而由于脉时调制（PPM）传输时间较长，不能实现音频信号实时传输，所以本设计方案采用的是脉宽调制的方法。

图1　系统总体框图

2　系统总体方案

由于涉及大量的数据处理，故CPU采用增强型STM32。本系统设计包括前级信号放大、信号采样、信号调制、信号发送、信号中继、信号接收、信号解调、信号滤波放大等模块，系统总体框图如图1所示，输入信号经过放大、滤波、偏置电路后，利用发射端STM32对语音信号进行采集，并将采集的温度数据、语音信号和数字信号同时通过红外发射装置发射。中继站的接收和发送模块是独立的，因此可以实现任意方向的转发。由红外接收装置接收转发之后的信号，利用接收端STM32对接收到的信号进行采样，经DA转换、滤波、音频放大后输出信号。调制与解调均采用脉宽调制（PWM）方法。

3　红外发射与接收装置的设计

本设计方案的创新之处就是发射和接收装置，均采用最基本的元件实现，即电阻、电容、三极管。尤其是接收装置，直接采用两级共射级单管放大电路来实现红外光通信的光信号接收（接收PWM信号）为本系统通信装置的核心技术之一。

3.1红外发射装置

如图2所示，红外发射装置将调制好的载波PWM波通过由三极管8050驱动的红外光管发射出去，供电处增加3个耐压的4700μF大电容储存能量。由于电源供电电流较大，在电路中增加功率负载限流，经测试选用10Ω的功率电阻作为功率负载最佳。

图2　发射装置电路

3.2红外接收装置

接收装置采用由三极管构成的共射级放大电路实现，其电路如图3所示。红外光管接收到的信号通过1μF的电容耦合到第1个三极管的基极，同时加入1μF的电容也使电路有很好的抗干扰能力。直流稳压电源通过电阻R2给三极管发射结提供正向偏压，并产生基极直流电流。同时为集电结提供反向偏压，使三极管工作在放大状态。通过调节电位器W1，改变Q1集电极输出电压，从而改变Q2的基极偏置电压，使Q2导通处于放大状态，对信号进行二级放大，同时，改变W1也有修正接收的PWM波占空比的作用。

图3　接收装置电路

3.3中继转发装置

中继转发装置直接是发射装置和接收装置的级联。为尽可能减小系统供电电流，中继转发电路中的发射模块只采用2个发射管，并且只用一路1个三极管驱动，2个发射管串联的方式，同时，在保证传递信号正常的情况下，增大中继发送装置功率负载的大小，进一步达到减小电流的目的。

4　采样频率与红外光通信协议

4.1音频信号AD采样频率计算

1924年奈奎斯特（Nyquist）推导出在理想低通信道的最高码元传输速率的公式：

在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时（fs.max≥2fmax），采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理［7-8］。

理想低通信道的最高码元传输速率B=2W Baud（其中W是理想信道的极限信息速率），在本系统方案中，AD采样信号必须大于音频最大频率的两倍（6.8 kHz）。综合硬件条件，经测试，选择采样频率15 kHz时，音频信号与温度信号能稳定实时传输。

4.2通信协议的选定

红外光通信的关键在于数据的同步传输以及数据的完整性，为确保正确识别、接收音频信号和温度信号，可以采用同步传输协议。

采用同步传输协议即发送和接收同步进行，利用STM32F103ZE单片机的PWM输出与PWM捕获功能可对信号进行调制解调。采用同步协议时，发送端STM32F103ZE单片机采用15 kHz ADC采样频率对音频信号进行采样，并转换成相应的占空比输出，经过红外发送装置发送，此时接收端通过接收装置捕获到PWM中断，实时将PWM解调成对应的音频信号幅值，并通过DA输出，滤波放大电路还原音频信号［9］。对于温度信号，此时脉宽调制可以分时复用，每间隔100ms对温度信号进行脉宽调制，同时暂时停止音频信号的调制。即实现了数字、模拟信号同时传输。脉宽调制信号如图4所示。

图4　脉宽调制信号原理图

PWM脉宽与音频信号的关系为

式中V为高速ADC对音频信号采样值。

PWM脉宽与温度信号的关系为

式中T为环境温度，范围为20～40℃。

综上所述，载波频率为fc=15kHz，调制比为0.7。在红外光发送端，脉冲的占空比0～70%用于传输响应幅值的音频信号，70%～90%用于传输环境温度。在红外光接收端，STM32F103ZE单片机捕获PWM脉宽，求解式（2）、式（3）得到音频与温度信号［10-11］。

5　系统软件设计

发射机程序中共有发送校准模式、音频传输模式两种模式；当模式切换按键按下时，进入校准模式，单片机输出占空比为50%的PWM调制波，用于发射机与接收机之间的通信校准；当切换模式按键未按下时，进入音频信号发送模式，程序以15kHz的ADC采样频率，使用同步传输协议对音频信号与温度信号进行脉宽调制，进而单片机输出PWM调制波。发射装置程序流程图如图5所示。

图5　发射装置程序流程图

在接收机程序中，定时器定时200ms检测接收信号是否异常，异常信号包括：温度超出常温、载波频率波动较大等；当信号异常时，点亮LED灯报警；另外，在PWM捕获中断中，根据同步传输协议解析信号，同时DA还原音频信号以及显示环境温度。接收装置程序流程图如图6所示。

图6　接收装置程序流程图

6　测试内容与测试结果

6.1测试条件与内容

电阻负载为8Ω喇叭条件下，测试信号传输距离；测试中继5V供电条件下的最小电流；测试对输入信号为300～3400Hz的选频效果，波形有无失真；测试传输声音信号时有无失真；测试静噪效果；测试温度传输误差，数字信号与模拟信号同步传输。

6.2测试结果

6.2.1传输距离测试

当发射端输入语音信号为800Hz单音信号，幅值为1V的正弦波，接收装置输出端接8Ω电阻负载，直传时，改变发射装置和接收装置距离测试接收装置负载两端电压有效值；当加入中继后，发射装置和中继站的距离为5m，改变中继站和接收装置距离测试接收装置负载两端电压有效值，其有效值与传输距离的关系如表1所示。

表1　电压有效值与传输距离关系表

由表可知，从100～500cm，信号衰减速度较慢，且有效值＞1V；距离＞500 cm时，信号衰减较快，且有效值＜1V。实验结果表明本系统直传和转发的有效传输距离为5m以上。输出有效值的大小反映的是STM32 DA输出值的大小，值越小，证明接收电路接收到的信号占空比越小，太小会造成信号丢失。

6.2.2对信号的选频效果测试

经测试，发送装置输入信号频率范围为300～3 400Hz时，接收装置输出信号无衰减，波形完美，通带内无起伏，上截至频率为3500Hz，下截至频率为250Hz，选频效果良好。播放声音信号时，声音无失真。

6.2.3静噪效果测试

直传时，当发射装置为0输入时，用交流毫伏表测试接收装置输出电压为15.2mV。加入中继后，同样的方法，测得输出电压为20.2mV。静噪效果良好。

6.2.4温度传输

加入中继装置后，加载800Hz单音信号的条件下测试温度传输，数据结果如表2所示。家用温度计显示室温29.55℃时，发射装置显示温度29.5℃，发射装置采集温度正常。测试接收装置温度接收时，人为改变发射装置温度传感器采集到的温度，便于测试传输效果。

表2　温度传输数据

实验结果表明，温度传输正常，最大误差≤0.3℃，且延时＜1 s。实现了数字、模拟信号同时传输。

6.2.5中继站电流

中继装置供电电压为5V，800Hz单音信号，发射装置和中继装置距离为5m，中继装置与接收装置距离为5m的情况下测得中继电流为10mA，计算可得功率为0.05W。

改800Hz单音信号为音频信号，其他不变，测得电流为12mA。计算可得功率为0.06W。

实验证明本系统实现了超低功耗的中继转发传输，达到节能目的。并且如果采用性能更佳的发送、接收红外管，电流可以进一步降低。

7　结束语

本系统设计的红外通信装置实现了直传和中继后传输距离都大于5m的信号无丢失、无失真传输，还增加了红外发射对管校准程序。整个系统的亮点在于：

1）采用同步传输协议，配合高速ADC采样频率保证了音频信号的准确实时发送。

2）中继转发装置发射管采用2个发射管级联方式，在保障数据正确传输的同时减少了电流，降低了功耗。

3）整个系统设计成本低、功耗低、性价比高。并且系统具有结构简单、易于制作、无干扰、低噪声的特点。

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Design of low-power infrared light communication devices based on STM32

YANG Yi1，YANG Chuan2，ZHOU Chuanyun3
（1.College of Electronic Information&Automation，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China；2.Department of Automation Engineering，Chongqing Electromechanical Vocational Institute，Chongqing 402760，China；3.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039，China）

In order to solve the infrared communication cost is high，Transmission distance near，the single direction of transmission；power consumption is on the high side.Using STM32 as the control core designed an infrared communication device system.By sending STM32 own highspeed AD the audio signal sampling，the sampling frequency up to 15 kHz.By pulse width modulation（PWM）to modulate the audio signal and the temperature signal，the receiver to demodulate STM32 optical pulse.Experimental results show in the range of about 10 meters realtime transmits a 300～3 400 Hz audio signals and one digital signal.that the normal audio signal transmission and without distortion，the maximum transmission error of the ambient temperature 0.3℃；Implements the signal relay any direction forward，Low power consumption and the purpose of energy saving that the relay station is 0.06W.

infrared light communications；STM32；PWM；relaying；Nyquist theorem

A

1674-5124（2015）09-0096-05

2015-01-09；

2015-02-07

国家自然科学基金项目（51107155/E0705）；重庆市科委自然科学基金项目（cstc2012jjA40066）；重庆市教委科学技术研究项目（KJ130807）；国家级大学生创新创业训练项目（2014116600006）

杨奕（1970-），男，重庆市人，教授，硕士，研究方向为电工电子技术、通信技术、信息理论及汽车电子等。