2013年全国大学生电子设计竞赛

红外光通信装置（F题）

2013年9月6日

摘 要

红外光通信装置（F题）

一、总体方案设计

仔细分析题目要求，红外光通信装置的传输距离需要达到2米、发挥部分中的中继转发点、保证信号无明显失真，是本题最大的难点。同时，当发射端输入语音信号为800Hz单音信号时，8Ω电阻负载上的输出电压有效值不小于0.4V；发射端输入信号的幅度为0V时，接收装置输出端噪声电压不大于0.1V也是本题中需要解决的问题。对此，我们考虑了以下几种方案：

1.1系统整体方案的论证与选择

方案一：纯51单片机方式，数字传输，即用两块单片机分别完成对红外对管发送和接收的控制。通过软件实现时序控制，AD端采样后对信号进行编码、调制，经红外对管传输，再解码解调出原信号。

方案二：纯FPGA方式，数字传输，方法同51单片机，通过数字方式对采样信号进行编码和ASK调制解调，占用资源少同时高速高效。

方案三：模拟电路加FPGA方式。即通过乘法器和压控振荡器实现对音频信号的调制，经过光电对管传输后，再经过乘法器和亚控振荡器解调，直接输出到音响端；FPGA用于处理温度信息，使用另一路光电对管传输，实现编码和解码的功能。

方案一的最大特点是控制简单，编程逻辑清晰，但是由于51自身的时钟经过分频，对于时钟信号的控制准确度低，而且时序控制需要时刻调用内部时钟中断，非常占资源，大大影响了处理速率，故不选择此方案。方案二的特点是时钟信号十分精确，处理速度快，但是数字传输传输，速率要求太高，普通光电管接收起来有难度，温度和信号编码的时序要求非常高。方案三模拟部分工作量较大，需要乘法器、多级放大器、压控振荡器、滤波器等器件，但是可以保证较高的输出功率，同时用FPGA实现对单一温度信息的传输、编码输出难度不大，故采用此方案。

1.2信号调制解调方案的论证与选择

方案一：数字调制解调，即将音频信号通过AD采样后，传输给FPGA，在FPGA内部通过软件实现调制，调制后的信号经过放大电路通过红外传递，接收端接收后，进行数字解调，经过滤波、放大之后得到原信号。

方案二：模拟乘法器调制解调，采用AD734模拟乘法器对信号进行幅度调制，调制后的信号经过放大，传输给红外接收端，经过带通滤波器滤除噪声后，再次使用模拟乘法器对信号进行解调，滤波放大后得到原信号。

方案三：采用锁相环进行调制解调。锁相环芯片CD4046，内部压控振荡器可实现FM，接收端同样使用该芯片，从芯片10脚输出FM解调信号，同时该芯片的中心频率可调，从调制解调角度来看，简单易行，功耗较低。

方案一如果使用逻辑门数较多的FPGA芯片，滤波与放大都可通过数字完成，外围电路简单，但是编程量十分可观。方案二是最传统的方案，设计电路难度不大，但是所需外围电路比较复杂，对焊接要求较高。方案三相比于方案二，外围电路减少很多，人为控制中心频率难度不大，且芯片本身功耗低，优势较明显。因此我们选择方案三作为调制解调的方案。

1.3红外发射管驱动模块的论证与选择

方案一：使用功率放大器，推挽输出，提高电路的带载能力。

方案二：使用普通三极管驱动，单级三极管工作在截止区和饱和区，将调制波放大以及加大驱动能力。

方案三：使用达林顿大功率管，tip122，原理同方案一。

方案一使用功放能有效达到带载效果，但是在直流偏置电路上消耗功率，难以达到发挥部分要求，且对电源供电要求较高，与其他电路供电不易统一。方案二使用通用三极管，元件常用，但是单级三极管电路增益不够，而二级共射三极管级联之后达到大增益后，带载功率增大后热稳定性差，所以直接采用方案三达林顿大功率三极管。

1.3 系统总体框图

方案一：XXX。XXXX

方案二：音频输入，放大，低通滤波，锁相环调频，驱动电路，红外发射管输出。

红外接收管，带通放大器，锁相环解调，低通滤波器，功率放大器，音响设备

综合考虑采用方案二

2系统理论分析与计算

2.1 XXXX的分析

2.1.1 XXX

XXXX

2.1.2 XXX

XXXX

2.1.3 XXX

XXXX

2.2 XXXX的计算

2.2.1 XXX

XXXX

2.2.2 XXX

XXXX

2.2.3 XXX

XXXX

2.3 XXXX的计算

2.3.1 XXX

XXXX

2.3.2 XXX

XXXX

2.3.3 XXX

XXXX

3电路与程序设计

3.1电路的设计

3.1.1系统总体框图

系统总体框图如图X所示，XXXXXX

图X 系统总体框图

3.1.2 XXXX子系统框图与电路原理图

1、XXXX子系统框图

图X XXXX子系统框图

2、XXXXX子系统电路

图X XXXX子系统电路

3.1.3 XXXX子系统框图与电路原理图

1、XXXX子系统框图

图X XXXX子系统框图

2、XXXXX子系统电路

图X XXXX子系统电路

3.1.4电源

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。

3.2程序的设计

3.2.1程序功能描述与设计思路

1、程序功能描述

根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。

1）键盘实现功能：设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。

2）显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。

2、程序设计思路

3.2.2程序流程图

1、主程序流程图

2、XXX子程序流程图

3、XXX子程序流程图

4、XXX子程序流程图

4测试方案与测试结果

4.1测试方案

1、硬件测试

2、软件仿真测试

3、硬件软件联调

4.2 测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。

4.3 测试结果及分析

4.3.1测试结果(数据)

2V档信号测试结果好下表所示： （单位/V）

4.3.2测试分析与结论

根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下结论：

1、

2、

3、

综上所述，本设计达到设计要求。

附录1：电路原理图

附录2：源程序