红外光通信装置设计

王耀贤，王建卫

（贵州工程应用技术学院，贵州毕节，551700）

0 引言

红外通信技术历史悠久，自90年代以来，该技术又获得了重大突破，应用领域更加广泛，如生活家居（红外照相/摄像机、夜视仪、家电遥控器等）、航空航天、汽车、军事等领域。经过近半个世纪的发展，我国在红外通信技术方向的科研项目已经取得了可喜的进步，许许多多的正规研究所拔地而起，更有红外通信实验室和众多的研究项目组，在许多高等院校里，也出现了红外通信专业或者与红外通信专业相关的光电子技术系，数量众多的民营企业、股份制企业相继诞生，至今已形成了规模各不相同的产品。

近几年来，随着智能化设备越来越普遍，红外通信技术因其抗磁场性能优异，从而被普遍的利用到针对智能电器、智能家居的设计方案中。红外通信是最常用的中近距离无线信息传输方式之一，采用红外通信的独到之处是成本低、速率高且功耗低。因此对如何最大化的还原红外光携带的信息、如何将信息更好的植入红外光载体等问题的研究具有重要意义。

1 系统框架设计

本设计是利用了数字编码通信技术，当话筒或者3.5mm音频输入端输入语音信号时，高速单片机处理接收到的音频信号；同时，发射端的温敏电阻采集温度数据，送入高速单片机内，与音频信号一起定向发送；由红外发射模块发送数据，经过中继器后，由另一块高速单片机控制的红外接收端接收数据，再经过解码调制、功放调制；最后可在耳机中收听到清晰且不失真的音频。系统要求传输距离不低于2m，中继距离不低于4m。本设计所用到的模块如下：高速单片机C8051F020、红外发射接收管、中继转发部分；在语音信号进入单片机和输出到耳机之前，还需经过滤波、功放模块；温度数据显示部分使用LC01602液晶显示器。系统框架如图1所示。

图1 系统框架图

2 系统硬件部分设计

■2.1 数据收发部分设计

系统收发部分使用的是红外接收管TFDU4100来完成红外光信号的接收，其与红外发射模块TSFF6410相匹配，可以和一个用于脉冲调制的I/O口相连，电路简易的同时资源利用率高。

2.1.1 红外发射模块电路设计

红外发送模块使用的是TSFF6410红外发射二极管。红外发射端与高速单片机相连，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2所示。

2.1.2 红外接收模块电路设计

红外接收部分使用的是TFDU4100。TFDU4100的发射和接收是一体化的；它具有如下参数：供电电压为6V，操作电压范围是2.5～5V，最低供电电流为1.3mA，通信速率为115.2Kbit/s。由电路图可以看出，芯片电源引脚上拉一个47Ω的电阻再与5V电源相连，该电阻和C2、C3一起组成一个低通滤波器，用于滤掉电源自身的干扰。在电路板制作中，可尽量将C2、C3与TFDU4100的距离拉近，可有效抑制射频噪声。芯片SC引脚的作用是控制接收灵敏度，由于我们的设计是在有光环境下，所以将SC引脚悬空，即可实现有光环境的数据接收，且能保证不受灯光强度差异的影响。

图2 发射模块电路图

图3 接收模块电路图

■2.2 语音预处理

语音数据的预处理选择做特定的滤波处理和前端放大，再实行精度标准高的AD采样，即可实现模拟信号转化为数字信号，便于在红外通信装置中传送。数据采集可通过MIC输入，也可通过3.5mm音频孔输入；由于MIC或3.5mm输入的数据为低幅信号，所以需要一个放大电路对其进行放大处理，放大器为TL082芯片。当声音输入较大时，可用二级放大1～10倍，反之输入较小时，使用一级放大100倍。使用的电源电压为5V，电源旁的C14、C15、C20、C21四个电容可起到消除电源自身干扰的作用。

■2.3 信号编码解码

信道编码解码选择高速单片机8051F020；将前端信号输送到单片机的外部中断，根据定时器的数据作为依据，由此可判断间隔时间，即可获得数据；再将收集到的数字信号由单片机编码成PWM波调制信号。由于高速单片机本身具有AD、DA，便于模拟量的接收和发送使用。

■2.4 温度显示

温度显示界面由于温度信号数据较少，所以采用LCD1602，因其拥有接口简单，直观省电，可采用囚线或八方向式传输数据，只需两三根控制线等优点，正好适合设计需求。温度采集电路如图5所示。

图5 温度数据采集电路图

■2.5 MCU控制单元

控制单元MCU选择Silicon Labs公司制造的C8051f系列C8051f020单片机，其拥有精简指令集，且内部集成DAC、ADC等模块，还拥有64位的FLASH储存器，可大幅降低电路复杂程度，并节省成本。

图4 语音处理部分电路图

3 系统软件设计

■3.1 发射端程序设计

控制单元MCU上电后，首先对所用到的定时端口、中断端口、AD端口实行初始化。接着MCU读取发射端的温度数据，定时125μs后进行判断，当时间到达且数据读取完成，则开始进行AD采样，采样完成后将数据编码然后发送，每12位温度数据为一个循环。当温度数据解码出现延时，则先完成解码端操作，再进行第二组温度数据采集和发送指令。

图6 发射端程序框图

■3.2 接收端程序设计

控制单元MCU上电开起后，首先对需要使用的定时端口、中断端口、DA端口实行初始化。然后开启定时器2接收编码信号，将接收到的数据进行解码，还原出原来的语音数据和温度数据，语音信号直接输出到3.5mm音频口或音响设备，温度数据则由LCD1602显示器显示；当温度数据没有完全接受时，延迟显示同时继续读取发送端数据。

图7 接收端程序框图

4 结论

本设计利用C51F020单片机作为MCU，使用红外发射管和红外接收管作为收发器件，配合编码解码程序，可将语音信号或3.5mm音频输入信号通过红外光发送；由于收发器件的性能良好，单片机处理速度优异，则可增加一路数字信道，实现了温度音频双信号的实时传输；定向传输距离为2m，中继转向为4m；可实现接收信号无明显失真，温度误差幅度不大于2度；在两块单片机之间加入多个中继器可实现多方向、长距离传输，理论上传输的数据将保持稳定。

* [1]杨剑飞.基于光传输的语音播放系统设计[D].大连:工业大学硕士学位论文，2016.06

* [2]许可行，刘延飞，羊帆.基于红外的音频数据中继系统的设计[J].电声技术，2016.10