基于单片机的红外光通信系统设计(发射部分)毕业论文

毕 业 论 文

基于单片机的红外光通信系统设计 （发射部分）

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毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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涉密论文按学校规定处理。

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的

能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的

合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

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年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：（签名）

年月日

摘要

红外通信技术是当今被广泛采用的短距离无线通信技术。本文在简单介绍红外协议基本原理的基础上，重点论述了采用STM32平台来实现一套红外通信系统发射部分的具体工作原理及实现方法。

本红外通信系统发射部分由前置模拟信号调理电路、STM32F103ZETT6片内AD设计的A/D转换部分、温度采集模块和红外发射驱动电路组成。前置模拟信号调理电路可将MIC、音乐和正弦波形3种模拟信号电压调节至0至3.3V，配合STM32平台的片内AD将3种模拟信号数字化。得到的数字信号发送至红外发射驱动电路，利用红外发光管，实现信号的定向传输。STM32平台的片内AD可达到较高的采样率，完成语音信号的高质量采样。在发送语音信号的同时，通过STM32平台上DHT11模块得到的温度信息可与语音信号采用信道时分复用的方式进行传输，每8秒传输一次温度信息。

本红外光通信装置发射部分实现了语音模拟信号与温度数字信号的发送，传输距离达到2m,配合中继转接部分可将信号完成90度变换，且接收端的语音无明显失真。

关键词：红外通信；STM32平台；AD采样率；时分复用

ABSTRACT

Infrared communication technology is the short distance wireless communication technology is widely applied today. In this paper, on the basis of simple introduction to basic principle of infrared protocol, mainly discusses the STM32 platform to implement a set of infrared communication system is part of the working principle and implementation method.

The infrared communication system launch part by the front analog signal conditioning circuit, STM32F103ZETT6 chip AD part design of the A/D conversion, temperature acquisition module and infrared emission of driving circuit. Front analog signal conditioning circuit to MIC, music and sine waveform three analog signal voltage regulation to 0 to 3.3 V, coordinates the STM32 platform on chip AD will be three kinds of digital analog signal. Get digital signal sent to the infrared emission of the drive circuit, using infrared light-emitting tube, realize the directional transmission of signals. STM32 platform on chip AD can achieve high sampling rate, to complete the high quality of the voice signal sampling. At the same time of sending voice signal, temperature information is obtained by STM32 platform DHT11 module can be used with voice signal channel of time-division multiplexing transmission in the form of information transmission every 8 seconds a temperature.

The infrared emission part implements the communication devices voice analog signals and temperature digital signal send and transmission distance to 2 m, part with relay switching signal can be 90 degree transformation, and the voice has no obvious distortion at the receiving end.

Keywords:Infrared communication,STM32 platform,The AD sampling rate,Time-division multiplexing

目录

第1章绪论 (1)

1.1 红外通信简介 (1)

1.2 国内外红外通信的发展现状 (1)

1.2.1 国外现状 (1)

1.2.2 国内现状 (2)

1.3 红外通信的特点 (2)

1.4 红外通信的用途 (3)

1.5 主要工作 (3)

第2章红外通信标准协议与接口器件 (4)

2.1 红外通信标准协议 (4)

2.1.1 Irda 标准 (5)

2.1.2 Irda 技术标准的发展 (5)

2.2 红外通信的接口器件 (6)

第3章STM32平台与Altium Designer (7)

3.1 STM32平台简介 (7)

3.1.1 STM32平台资源 (7)

3.1.2 本系统所用到的硬件介绍 (9)

3.2 Altium Designer简介 (10)

第4章红外光通信系统硬件设计 (11)

4.1 红外光通信系统的组成 (11)

4.2 发射部分设计 (11)

4.3 MIC偏置电路 (12)

4.4 前置模拟信号调理电路 (12)

4.5 信号处理单元 (14)

4.5.1 AD部分 (14)

4.5.2 DHT11模块 (15)

4.5.3 串口发送模块 (15)

4.6 红外发射电路 (15)

第5章红外光通信系统软件设计 (18)

5.1 软件平台RVMDK3.80A介绍 (18)

5.2 程序设计 (20)

5.2.1 AD部分程序 (20)

5.2.2 定时器部分程序 (22)

第6章系统调试与总结 (23)

6.1 红外光通信系统各组成部分 (23)

6.2 测试 (24)

6.3 结论 (26)

参考文献 (27)

致谢 (28)

基于单片机的红外光通信系统设计（发射部分）

第1章绪论

1.1 红外通信简介

随着便携式通信设备的兴起，无线接入技术得到了广泛的重视。已有的无线通信技术包括红外、微波、无线电、蓝牙等技术。

红外数据通信指的是两台设备之间通过红外线进行无线数据传输的一种数据传输方式，一般采用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒介。发送设备将基带二进制信号调制成一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。接收设备将接收到的光脉冲转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。常用使用调节脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和调节脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）这两种方法。

简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便用红外信道进行传输；红外通信接口是针对红外信道的调制解调器【1】。

1.2 国内外红外通信的发展现状

1.2.1 国外现状

军用领域：

红外技术已广泛应用于陆、海、空各军兵种，其中红外成像精确制导是各国红外技术应用的主流方向之一。红外成像制导技术是由美国人从60年代初开始研创。

在欧、美发达国家，非消耗性红外成像制导（指挥、预警和火控）系统的列装率较高，几乎军用（警用）舰船上、飞机上、战车上和重要的地面阵地都装备了大量的红外成像设备，并发挥了相当重要的作用。

根据国际光学学会（SPIE）估计，目前全球军用红外热像仪的实际年需求至少为30 亿美元。

民用领域：

根据美国Maxtech International 发布的红外市场报告，2006年全球民用红外热像仪的销售额为16.3亿美元，几年来，全球民用红外热像仪市场需

求年均增长率已超过了15%，预计2010 年全球民用红外热像仪市场供给将达到28亿美元。

全球民用红外热像仪市场的供给和需求趋势:由于红外技术具有很高的军用和民用价值，近年来国外主要厂家纷纷在核心器件及系统产品的产业化进程中加大投入和研发的力度。

1.2.2 国内现状

军用领域：

由于红外技术能比较全面地满足军事应用上的各种需求，因而红外技术也是当今国内竞相发展的重点技术之一。

目前我国军队中红外热像仪应用的相对较少，按照我国政府发布的《2006年中国的国防》白皮书，我国军队的人员数量为230万人，如果未来我军10%的部队装备红外热像仪，则我国军用红外热像仪市场容量就可达到23万套，以每套5万元（目前大部份军用红外热像仪实际售价远超过10万元）来计算，其市场需求量可达115亿元。

民用领域：

红外热像仪在我国应用于安防、消防、电力、建筑等行业领域目前还处于起步阶段，发展空间巨大，未来市场空间将超过军用需求。

由于国内经济高速发展，中国红外热像仪市场的年均增长率将达到甚至超过20%，预计2011年中国民用红外热像仪市场的需求量可以达到9.95亿元。若考虑到新的应用领域的开发，其实际的市场需求总量将可能超过这一预测。

目前国产红外热像仪的产品性能已经基本接近进口产品，但由于品牌影响力等原因，价格只是进口产品的一半。

红外热像仪的核心部件主要靠进口，核心技术受制于人。国内企业的竞争力主要体现在总体技术、光学系统、后续电路、图像处理软件等方面。当然、人才、管理、市场也是竞争力的一部分【2】。

1.3 红外通信的特点

红外通信技术是目前被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持，其主要特点：

（1）通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发；（2）主要是用来取代点对点的线缆连接；

（3）新的通讯标准兼容早期的通讯标准；

（4）小角度（30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强；（5）传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR

技术已经发布【3】。

1.4 红外通信的用途

红外通信技术常被应用在计算机及其外围设备、移动电话、数码相机、工业设备和医疗设备、网络接入设备，如调制解调器等。

但因为红外通信具有通讯距离短，在通讯过程中不能移动，遇障碍物通讯中断、传输速率较低等的缺点，主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输。

1.5 主要工作

制作红外光通信系统发射部分，与红外光通信系统的接收部分配合完成基本的通信。发射部分要使输入端的MIC、音乐和正弦波形3种模拟信号正确传输，并要求输出端收到的声音无明显失真。同时检测环境的温度，使之与3种模拟信号采用时分复用的方式发送到输出端。传输距离达到2m，并有中继转接部分，完成信号传输方向90度的变换。

第二章简要介绍了红外通信标准和红外接收器件。第三章简要介绍了STM32平台和Altium Designer。第四章在简单介绍红外通信系统总体设计的基础上，重点论述了发射部分硬件设计的功能及原理。第五章论述了红外通信系统发射部分的软件设计。第六章简单介绍了整个红外光通信系统实物，重点描述了实际检测的现象与结果。

第2章红外通信标准协议与接口器件

2.1 红外通信标准协议

红外线接口的标准由 IrDA（InfraRed Data Association，红外线数据协会）制定的，现在很多资料和书籍上都称红外线接口为 IrDA。

IrDA 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，它也许是第一个实现无线个人局域网的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如 PDA、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的 PDA 及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持 IrDA。

IrDA 的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。它还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。由于数据传输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。

IrDA 的不足在于它是一种视距传输，2 个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于 2 台（非多台）设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。 IrDA 目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

Irda协议栈是红外通信的核心,它规定了进行红外通信双方从硬件到软件的统一通信规范,使各个提供红外通信相应产品的厂商遵守统一的规范来生产产品,从而促进红外通信的发展。红外协议栈与TCP/IP协议栈一样,管理整个通信过程。它被划分成几层,各层除有自己的一套管理职责外,还与上下层之间联系紧密,可以互相调用,将各协议层叠起来就成了协议栈。Irda是一套层叠的专门针对点对点红外通信的协议【4】。

红外数据通信协议簇由必要协议和可选协议两部分组成,必要协议包括物理层、红外链路建立协议、红外链路管理协议和信息获取服务,依据各种特殊应用需求可选配流传输协议、对象交换协议、模拟串口层和局域网访问协议【5】。

2.1.1 Irda 标准

IrDA 标准主要分为两种类型，即“IrDA Data”和“IrDA Control”。其中 IrDA Data 主要用于与其他设备交换数据。而 IrDA Control 则主要用于与人机接口设备（HID）通信，如键盘、鼠标器等。

IrDA Data 的传输距离为 0.2至1 米，传输速度为 9600bps至16Mbps。IrDA Control的传输距离为 8 米，传输速度为 75Kbps【6】。

2.1.2 Irda 技术标准的发展

IrDA 于 1994 年发表了 IrDA 1.0，简称为 SIR（Serial InfraRed），是一种非同步、半双工红外通信方式。SIR 的实现基于 UART，是在计算机的 UART 上扩展红外线编译码器和红外收发器构成的。 SIR 的传输速率取决于 UART，最高传输速率受到 UART 的限制，最高为115.2Kbps，发射接收角度为 30 度。是由于它基于 UART，SIR 的成本较低。在 SIR 之后，IrDA 于 1996 年发布了 IrDA 1.1，即 FIR（Fast InfraRed），FIR不再基于 UART，而是直接连接在计算机总线，它的性能也就不受制于 UART的性能了。FIR 的数据传输速率最高为 4Mbps。FIR 仍然支持 SIR 的传输模式，与 SIR 向下兼容，当 FIR 设备与 SIR 设备通信时，使用 SIR 的速率和调制模式。只有通信双方都支持 FIR 的 4Mbps 速率时，才将通信速率设定在 4Mbps。 2001 年 IrDA 发布了最高通信速率为 16Mbps 的 VFIR（Very Fast InfraRed）标准。VFIR 设备兼容 SIR 和 FIR 设备。 AIR （Advanced InfraRed）是 IrDA 针对蓝牙技术的竞争发布的一个多点连接红外线规范，它的优点是其传输距离和发射接收角度的改进。在 4Mbps 通信速率下

其传输距离可以达到 4 米，在更低速率下传输距离可以达到 8 米。AIR 规范的发射接收角度为 120 度。更重要的是它支持多点连接，其他的 IrDA 规范都只支持点对点连接。由于红外接口主要使用在便携设备，这类设备通常对功耗要求很高，为了降低设备的功耗，IrDA 发布了低功耗的 IrDA1.2 和 IrDA1.3，但同时缩短了传输距离，传输距离为 0.2至0.3 米。这两个标准分别是 SIR 和FIR 的低功耗版本【7】。

2.2 红外通信的接口器件

红外接口芯片主要分为红外编码器和红外收发器两类。目前的大多数笔记本和掌上电脑都配有红外线接口，但在台式计算机上使用红外接口多都需要扩展红外线接口。在台式计算机上扩展红外接口的最简单方法是使用 USB 接口红外适配器。由于 Windows 操作系统已经全面支持红外协议，通过红外适配器可以方便的与红外设备实现连接。

红外线接口器件主要包括以下几类：

红外编解码器：一般连接计算机系统的 UART，实现异步串行信号和红外调制信号之间的转换，这一类器件大多是 SIR 标准。主要的产品有 HP 公司的HSDL-7001、Microchip 公司的 MCP2120、TI 公司的 TIR1000 等；

红外收发器：用于发送和接收红外线信号的器件，主要是集成了红外发射二极管和红外接收二极管。主要的产品有安捷伦（Agilent Technologies）公司的HSDL-1001 和 HSDL-3201 等；

红外协议处理器：包括红外编解码器和红外协议软件的器件，如 Microchip 公司的 MCP 2150/2155，它的硬件接口和红外编解码器件类似，但具备 IrDA 的协议控制；红外桥器件：用于实现 IrDA 接口与其他接口的变换。如 SigmaTel 公司的USB-IrDA 桥 STIr4200，实现 IrDA 与 USB 的接口信号和协议转换【8】。

第3章STM32平台与Altium Designer

3.1 STM32平台简介

3.1.1 STM32平台资源

本红外光通信系统的发射部分基于STM32开发平台，采用的ALIENTEK战舰STM32开发板如图3.1所示：

图3.1 战舰STM32 开发板图

ALIENTEK战舰STM32开发板选择STM32F103ZETT6作为MCU，该芯片在STM32F103系列里面配置非常强大，它拥有的资源包括：64KB SRAM、512KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器（共12个通道）、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSMC接口以及112个通用IO口。该芯片的配置十分强悍，并且还带外部总线（FSMC）可以用来外扩SRAM和连接LCD等，通过FSMC驱动LCD，可以显著提高LCD的刷屏速度。

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和

STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz【9】。STM32103系列特点：

（1）内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。

（2）存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。

（3）时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC 振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz 的晶振。

（4）低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。

（5）调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。

（6）DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。（7）2个12位的us级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-3.6 V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。

（8）2通道12位D/A转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。

最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。

（9）最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。

（10）最多多达13个通信接口：2个IIC接口（SMBus/PMBus）。5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。

基于STM32103系列如此多的特点和功能，本系统选择了STM32平台，图3.2为MCU部分原理图。

图3.2 MCU部分原理图

3.1.2 本系统所用到的硬件介绍

为了实现红外光通信系统发射部分的功能，用到了许多STM32开发板的功能。这里着重介绍以下几部分。

（1）JTAG/SWD

这是ALIENTEK战舰STM32开发板板载的20针标准JTAG调试口（JTAG），该JTAG 口直接可以和ULINK、JLINK或者STLINK等调试器（仿真器）连接，同时由于STM32支持SWD调试，这个JTAG口也可以用SWD模式来连接。

用标准的JTAG调试，需要占用5个IO口，有些时候，可能造成IO口不够用，而用SWD则只需要2个IO口，大大节约了IO数量，但达到的效果是一样的。在调试程序的过程中利用JTAG/SWD调试方法既缩短调试时间，又便于调试，方便检错。（2）DS18B20/DHT11接口

本系统中需要测量环境的温度，因此用到了DHT11模块，开发板上正好也有

该接口电路，方便了温度测试的实现。开发板的一个复用接口DTH11接口，该接