一种模拟和数字信号同步传输的红外通信系统设计

杨 川，牟琪琦，周维川

(重庆机电职业技术大学，重庆 402760)

1 设计思路分析

本文主要设计一种模拟和数字信号同步传输的红外通信系统，为了方便系统测试，模拟信号的传输采用音频采集来模拟，数字信号的传输采用温度采集来模拟。

脉宽调制(PWM)、脉时调制(PPM)、红外串口脉冲等载波方案均采用了高速ADC对信号进行采样并对其进行调制。通过脉冲串的时间间隔来实现音频信号的调制，传输时间较长，不能实现音频信号实时传输；发送数据量较大，耗费大量CPU时钟周期。脉宽调制(PWM)方案除定时ADC采样外，仅需要改变其PWM占空比进行调制，大大提高了效率，降低了系统功耗[1-2]。

红外接收、发射方案采用运算放大器进行发射和接收，电路传输距离可以达到2 m，但是信号已经被衰减了很多倍，无法完成中继转发。直接用三极管构成发射电路，单管驱动必须要发射与接收较准确地对准才能获得完美的信号。发射电路采用两路并联方式，每路采用3个发射管串联。接收采用共射级放大，信号稳定[3]。

2 总体方案设计

本系统总体框图如图1所示，输入信号经过放大、滤波、偏置电路后，STM32对其进行采集，同时STM32还将采集温度数据、语音信号和数字信号，同时通过红外发射装置发射。经过中继转发点，改变通信方向为90°后，由红外接收装置接收信号，STM32进行采样，然后DA输出，经滤波、音频放大后输出信号，调制、解调采用脉宽调制(PWM)方法[4]。

图1 系统总体框图

3 电路分析与设计

发射装置电路分析、设计，采用两组并联发射方式，每组串联3个发射管。发射管采用广角度的红外发射管，驱动采用单管直驱方式，三极管8050完全满足发射管所需的驱动电流。接收装置采用共射级放大电路原理，使用共射级放大电路，提高接收距离。

前级放大电路由于音频信号非常小，采用单一运放组成反向比例放大，或者同相比例放大，效果不理想，差分放大电路常常用在精密的信号处理场合，它具有输入阻抗高等特点，所以本设计采用仪表放大对音频信号进行放大[5]。

滤波电路由于信号频率大小为300～3 400 Hz。不能有其他信号干扰，所以必须在发射装置采集音频信号前和接收装置输出信号前滤波，采用九阶椭圆滤波器滤波效果最佳，电路也非常简单，但是电容、电感大小、精度要求太高，很难满足条件。本系统采用4阶巴特沃斯带通滤波器进行滤波，完全满足滤波要求[6]。滤波电路如图2所示。

图2 滤波电路

偏置电路由于STM32直接采集信号时不能采集负压信号，必须给信号加偏置电压，使单片机采集的信号没有负压。通过实际测试，给1.75 V偏置效果最佳。采用反向比例设置给定信号的偏置电压大小。

对于音频放大电路，可以直接由分离元件组成，但电路相对复杂。本设计采用集成功率运算放大器LA4112进行音频放大。LA4112的内部由三级电压放大组成。若需要更大功率的功放直接更换相应型号即可。

温度采集直接采用DS 18B20实现。同时为了避免混入其他干扰，将发射和接收装置分别装在2个屏蔽盒中，直接把电源供电线引出来，防止信号间互相干扰影响作品效果和测试结果[7]。

4 软件分析与设计

所有的通信系统，首先要保存数据传输的实时性和完整性。本系统要设计模拟和数字信号同步传输，必须采用同步传输协议来完成，即在PWM一个波中既载波模拟信号，也载波数字信号。设定以8 kHz的采样频率进行采样，PWM脉宽调制时可以分时复用。脉宽调制信号中一个周期T125 μs中，0%～70%的占空比用于传输模拟信号，70%～90%的占空比传输数字信号，90%～100%由于传输过程中损耗大，且采集放大后线性度不高，无法准确读取载波信息，此区间不使用。接收端捕获PWM脉宽，转换成DA输出[8]。发射和接受程序流程如图3所示。

图3 发射(左)与接收流程图(右)

5 测试结果

经测试，系统传输距离直接距离可达3 m以上，若加上中继转发装置，可达10 m以上传输，模拟和数字信号基本不失真。

对信号的选择效果进行测试：第一次测试时，输入幅度不变，改变频率，测试发现通过的频率为300～3 400 Hz，满足音频滤波要求。

800 Hz单音信号和0 V信号测试：发射装置输入信号为800 Hz，1 V，接收装置带8 Ω负载。用示波器测试负载两端，频率为800.5 Hz，传输正常，波形无明显是真，其峰峰值电压为2.01 V，即有效值为0.710 5 V。

若加上中继转发装置，重新对800 Hz单音信号和0 V信号进行测试：发射装置输入信号为800 Hz，1 V，接收装置带8 Ω负载。用示波器测试负载两端，波形无明显失真，频率为801.03 Hz，传输正常，其峰峰值电压为1.79 V，即有效值为0.626 5 V。减小输入信号为0 V时，用交流毫伏表测试输出电压，大小为24.8 mV，小于0.1 V，噪声电压依然在可接受范围内。

数字信号的传输测试：改变环境温度，从25℃～32℃依次递增，采用温度测试计作对比。发射端采集到温度后，传输到中继转发再到接收端，接收端解析信号后通过液晶显示屏显示出来。经过对比测试，温度传输正常，最大误差不超过0.3℃。

6 结语

本方案设计的系统传输距离直接距离可达3 m以上，中继转发传输可达10 m以上，模拟和数字信号传输正常，无明显延时。800 Hz信号传输无明显失真，有效值大于0.4 V，0输入时噪声小于0.1 V，噪声信号在可接受范围内。