基于白光通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)電子信息工程

1、學(xué)號業(yè)設(shè)計題 目：基于stm32白光通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)作 者廖 斌屆 別2016系 別信息學(xué)院專 業(yè)電子信息工程指導(dǎo)老師陳 松職 稱副教授完成時間2016.0533湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)摘 要本設(shè)計是基于stm32f103的白光led可見光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)射裝置和接收裝置兩部分組成。系統(tǒng)通信以白光為載體，從發(fā)送端到接收端的傳輸距離最高可達(dá)2m。實現(xiàn)了語音信號和溫度傳感器所測的溫度值實時傳輸，信道傳輸?shù)牟ㄌ芈士蛇_(dá)115200 b/s。語音信號經(jīng)放大和帶通濾波后由12位a/d轉(zhuǎn)換器采樣，經(jīng)過pcm編碼壓縮后與所測溫度的數(shù)字信號采用時分復(fù)用方式通過白光led發(fā)射

2、，接收站通過光電接收管接收信號，溫度值在其oled液晶屏上顯示，解碼后的語音信號由d/a轉(zhuǎn)換后經(jīng)帶通濾波功放輸出。關(guān)鍵字：stm32f103；白光通信；語音信號；a/d轉(zhuǎn)換器；d/a轉(zhuǎn)換器；abstractthe design is based on the stm32f103 white led visible-light communication system, which consists of transmitting device and receiving device is composed of two parts. communication with white ligh

3、t as the carrier, from the sender to the receiver of the transmission distance of up to 2m. realization of speech signal and the temperature value measured by the temperature sensor transmission, transmission of up to 115200 baud rate b/s. voice signal amplification and band-pass filtered by a 12-bi

4、t a/d converter sampling after pcm coding and the measured temperature using time division multiplexing of digital signal through the white led light emitting, the receiving station receives signals through photoelectric receiving tube, the temperature values in its oled display on the lcd, decoded

5、audio signal from d/a conversion after the band-pass filter amplifier output.keywords：stm32f103; the white light communication; speech signal; a/d conversion; d/a conversion目 錄摘 要iabstractii第一章 緒 論11.1 課題背景及意義11.2 白光通信研究現(xiàn)狀11.3 本項目設(shè)計要求2第二章 總體方案設(shè)計與論證42.1 系統(tǒng)總體框圖42.2 處理器的選取42.3 光電器件的選取52.4 溫度測量方案論證52.5

6、系統(tǒng)供電電源6第三章 硬件電路設(shè)計73.1 系統(tǒng)主控電路模塊73.2 系統(tǒng)電源模塊73.3 信號采集模塊83.3.1 語音信號調(diào)理模塊83.3.2 溫度傳感器模塊93.4 發(fā)射接收電路模塊93.4.1 發(fā)射驅(qū)動模塊93.4.2 光電接收模塊103.5人機接口顯示模塊103.6語音信號輸出模塊11第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計134.1系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)134.2信號采集144.2.1語音信號采集144.2.1溫度信號采集164.3編碼與解碼164.3.1信源編碼與解碼164.3.2信道編碼與解碼184.8人機接口顯示204.9語音信號輸出21第五章 系統(tǒng)的調(diào)試與測試235.1 硬件調(diào)試235.2 軟件調(diào)試

7、235.3 測試儀器235.4 測試方法與結(jié)果24第六章 總結(jié)和展望25參考文獻26致 謝27附 錄28第一章 緒 論1.1 課題背景及意義隨著led在制造工藝上的不斷進步以及l(fā)ed日益趨向于節(jié)能化。led光源在能源、壽命、響應(yīng)速度、環(huán)保節(jié)能等方面具有傳統(tǒng)光源無法比擬的優(yōu)點，近幾年來在社會上迅速普及。若我們對led進行深層次的開發(fā)，利用led發(fā)出的光作為通信介質(zhì)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更具有靈活性的通信環(huán)境，并且可以換種方式實現(xiàn)資源共享。白光通信電磁干擾極低，其可用于電磁環(huán)境復(fù)雜或這電磁環(huán)境要求苛刻的環(huán)境中，且其用于室內(nèi)通信對人體的輻射甚少，其在未來的室內(nèi)定位、智能家居中具有廣闊的發(fā)展空間。半導(dǎo)體照明技

8、術(shù)的發(fā)展，led照明也成為了未來的趨勢。led具有高速調(diào)制的特性，可以把調(diào)制信號加載到led上，將信號以可見光形式發(fā)送出去，在接收端采用光電探測器對光信號進行提取接收，并進行數(shù)據(jù)恢復(fù)。近年來人們開始關(guān)注基于白光led技術(shù)的可見光通信，這種led白光被認(rèn)為是一個很有潛力的未來照明技術(shù)，其不僅可以用于房間照明，也形成了一種短距離無線光通信系統(tǒng)。led是基于pn節(jié)的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其具有使用壽命長，功耗低，電壓低以及尺寸小等優(yōu)點。另外，led具有高速調(diào)制，響應(yīng)靈敏度高等特點。本次將設(shè)計一個采用以cortex-m3處理器為內(nèi)核的stm32f103rct6作為主控，來實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號實時傳輸。1.

9、2 白光通信研究現(xiàn)狀如今,led燈泡已不僅僅局限于照明本身,而是如夢幻一般被賦予了更多功能,可以實現(xiàn)更多的創(chuàng)新應(yīng)用。隨著led產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,基于led照明設(shè)備的一系列智能照明應(yīng)用被越來越多的挖掘出來,led燈泡也隨之變得更加的智慧和神奇。而可見光通信的出現(xiàn),更使其加入信息使者的行列。正在此刻,led遇見可見光通信,正待開啟led下一個“奇幻”之旅!“當(dāng)前,基于可見光通信技術(shù)下開發(fā)的led燈泡已經(jīng)成長為具有照明、通信、跨界應(yīng)用等多重意義及用途的智能照明設(shè)備,且迎來了發(fā)展的大好時機。”有業(yè)內(nèi)人士如此指出。2014年諾貝爾物理學(xué)獎得主中村修二在訪臺期間也預(yù)言,“l(fā)ed產(chǎn)業(yè)的下個殺手級應(yīng)用是可見光通

10、信?！彼J(rèn)為,未來家里的燈光將可以承載通信訊號成為最后一里路的信息傳輸設(shè)備,人們甚至可以在路燈下下載電影和音樂。作為一種新興的通信技術(shù)，led可見光通信提出的歷史不算久遠(yuǎn)，早在2000年以前，就有研究人員提出利用led發(fā)出的光來進行通信的設(shè)想，并付諸實驗，實現(xiàn)了一些簡單的通信系統(tǒng)。在這些設(shè)想中，最具代表性的是香港大學(xué)的grantham pang于1999年提出的實現(xiàn)方案，他們的實驗小組搭建并演示了基于可見光led的音頻信號傳輸系統(tǒng)。這些設(shè)想方案提出時，led照明技術(shù)還沒有受到重視，對led可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)也沒有進行深入研究，其影響力有限。2000年，日本keio大學(xué)m. nakagawa教

11、授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊提出了一種利用白光led實現(xiàn)室內(nèi)可見光接入的方案，并針對室內(nèi)可見光通信信道進行建模仿真和分析計算，實現(xiàn)了10mbps的室內(nèi)可見光通信接入方案，正是這一成果被視為可見光通信領(lǐng)域具有影響力的開創(chuàng)性研究，之后，可見光通信技術(shù)開始受到世界各地研究人員的重視?；诳梢姽庹彰鞴庠吹耐ㄐ偶夹g(shù)是隨著發(fā)光二極管的發(fā)展而興起的。高亮度白光led出現(xiàn)后，隨著光效的逐步提高，其應(yīng)用從顯示領(lǐng)域逐步擴展到照明領(lǐng)域，并且發(fā)展迅速。白光led的另外一個突出優(yōu)點是可以實現(xiàn)快速調(diào)制，因此可以用其進行超高速數(shù)據(jù)傳輸。與傳統(tǒng)的照明設(shè)備相比，白光led燈具有耗電量低、使用壽命長、體積小、高亮度、低熱量等優(yōu)點，被評為第四

12、代節(jié)能環(huán)保型照明產(chǎn)品。其另一個非常突出的優(yōu)點是響應(yīng)時間極短，所以可以用led的光信號變化來進行超高速數(shù)據(jù)傳輸。可見光無線通信技術(shù)是一種新興的無線光通信技術(shù)，隨著白光led的發(fā)明及應(yīng)用，可見光通信技術(shù)得到了良好的發(fā)展。與傳統(tǒng)的射頻通信和紅外通信相比，可見光通信具有節(jié)約能源、發(fā)射功率高、無電磁干擾和無需申請頻譜資源等優(yōu)點，因此可見光通信技術(shù)具有極大的發(fā)展前景。與傳統(tǒng)的射頻通信相比較，可見光通信技術(shù)具有以下優(yōu)點：1）可見光通信無處不再。用于通信的照明燈可以安裝在任何地方，通過照明燈，可以很方便地實現(xiàn)告訴無線數(shù)據(jù)通信；2）可見光對人類非常安全。可見光通信系統(tǒng)可以使用家庭或辦公室的照明燈發(fā)送數(shù)據(jù)；3）無

13、需無線電頻譜許可證，由于受無線電頻譜管制，可用的無線電頻率非常有限；4）發(fā)射功率高。對于射頻通信，射頻信號對人體有害，也不能無限制地增加發(fā)射功率，而對于發(fā)射的是可見光，故發(fā)射功率較高。（5）與紅外通信技術(shù)相比，白光通信同時可以照明，而且白光通信的光源為發(fā)散光，對方向要求不是很高，因此通信線路不容易被阻斷，同時，由于光源為白光，不會對人眼造成影響，所以通信功率一般不做限制。1.3 本項目設(shè)計要求本項目的任務(wù)設(shè)計白光通信系統(tǒng)，要求達(dá)到以下指標(biāo)：1）白光通信系統(tǒng)裝置利用led燈和光電傳感器作為收發(fā)器件，用來同時傳輸模擬信號和數(shù)字信號；2）傳輸距離為2m；3）傳輸?shù)哪M信號為語音信號，頻率范圍300h

14、z3400 hz，要求接收到的聲音無明顯失真，輸出的語音信號負(fù)載為8,要求輸出功率不小于0.5w；4）傳輸?shù)臄?shù)字信號為環(huán)境溫度，并能在接收端顯示，要求數(shù)字信號傳輸時延不超過10s，溫度測量誤差不超過2。本裝置的通信信道必須采用可見光信道，不得使用其他通信裝置，不得采用內(nèi)部含有現(xiàn)成通信協(xié)議的發(fā)射芯片或模塊。第二章 總體方案設(shè)計與論證2.1 系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)使用可見光信道，由發(fā)射裝置將語音信號和溫度信息實時定向傳輸至接收裝置，且傳輸距離不小于2m。白光通信裝置包括發(fā)射裝置和接收裝置兩部分，總體架構(gòu)如圖2.1所示。發(fā)送部分語音信號作為模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后，由stm32f103的內(nèi)部12位a

15、dc對其采樣，溫度傳感器tmp275的溫度信號作為數(shù)字信號，主控對采集到的語音信號采用脈沖編碼調(diào)制（pcm）對其信源編碼，然后將其數(shù)據(jù)協(xié)同數(shù)字信號采用時分復(fù)用的方式送入串口發(fā)送的寄存器，通過串口輸出到led驅(qū)動電路可直接發(fā)送出去。接收部分通過光電傳感器感應(yīng)到光信號，然后經(jīng)放大整形送至stm32f103串口接收端，stm32f103可直接讀取其數(shù)據(jù)，然后對其數(shù)據(jù)解碼，溫度信號通過oled屏顯示，語音信號通過stm32f103的da輸出，da輸出的信號經(jīng)帶通濾波器平滑濾波后送入音頻功放電路，然后通過喇叭輸出。圖2.1 白光通信裝置系統(tǒng)架構(gòu)2.2 處理器的選取目前單片機己經(jīng)進入廣泛發(fā)展時代，種類很多

16、，如何選擇性價比最優(yōu)，開發(fā)容易，開發(fā)周期最短的產(chǎn)品，是設(shè)計師要思考的重要問題之一。目前我國銷量的主流mcu(microcontroller unit 微控制單元)產(chǎn)品有51單片機，msp430單片機，stm32嵌入式處理器等系列mcu。選購mcu主要應(yīng)看重兩個方面：一是設(shè)計的系統(tǒng)要哪些資源；第二是結(jié)合成本選擇性價比高的單片機。單片機資源主要考慮的指標(biāo)有：速度、位數(shù)、功耗、存儲器容量、系統(tǒng)擴展與驅(qū)動能力、抗干擾能力、是否含有adc，dac等。除此之外，軟件編寫的難易程度也是重要考慮的因素。方案一：stc89c52單片機stc89c52是stc公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能8位微控制器。該芯片操作簡

17、單，庫函數(shù)豐富，價格低廉，成本低，易控制，但ram僅為4 kb，處理速度不快，難以用在精密控制、精密測量以及高速大數(shù)據(jù)傳輸中。方案二：msp430單片機msp430單片機是美國德州儀器（ti）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（risc）的混合信號處理器（mixed signal processor），適用于便攜式儀器儀表中，主頻為8 mhz，無法倍頻，故處理速度相對較慢，i/o口翻轉(zhuǎn)速度較難滿足發(fā)射速度。方案三：stm32f103嵌入式處理器stm32f103嵌入式處理器是意法半導(dǎo)體公司的32位處理器。stm32f103基于高性能、低成本、低功耗的要求專為嵌入式應(yīng)用設(shè)

18、計的arm cortex-m3內(nèi)核。stm32f103時鐘頻率達(dá)到72 mhz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。內(nèi)置32128 kb的閃存，sram的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率為72mhz時，i/o可以滿足音頻加數(shù)字信號的發(fā)射速度，stm32功耗36 ma，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5 ma/mhz。綜上分析選擇方案三，發(fā)射部分和接收部分均以stm32f103rct6做為主控芯片。2.3 光電器件的選取可見光通信是利用400nm760nm可見光波段作為傳遞信息的載體，由于本課題要求傳輸距離需大于2m，同時保證盡量低功耗，且為了更好地匹配發(fā)射管，在現(xiàn)有的器件中選用接收波段在35

19、0nm1100nm的bpw34作為可見光接收管。其具有響應(yīng)時間極快、靈敏度高、接收距離長等優(yōu)點。如圖2.2為bpw34的光譜靈敏度。圖2.2 bpw34光譜靈敏度2.4 溫度測量方案論證方案一：采用單總線數(shù)字溫度傳感器ds18b20測量溫度，直接輸出數(shù)字信號。便于單片機處理及控制，節(jié)省硬件電路。ds18b20的最大特點之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，但其單總線時序占用資源太多。方案二：tmp275 是一個精度為 0.5、兩線制、串行輸出溫度傳感器，采用i2c與主控通信，可直接輸出數(shù)字信號。綜上分析，ds18b20單總線通信，占用主控資源太多，很難達(dá)到要求，因此選擇方案二。2.5 系統(tǒng)供電電源白光通

20、信系統(tǒng)供電電源的設(shè)計是本設(shè)計中的一項重要的工作，它對整個白光通信系統(tǒng)是否正常運行起著至關(guān)重要的作用。電源在設(shè)計時因考慮功率是否滿足全系統(tǒng)的工作需要以及電平機抗干擾問題等問題。單片機系統(tǒng)的大部分芯片都以脈沖方式工作，對于較小的系統(tǒng)，功率消耗的脈沖特性尤為突出，而對于較大的系統(tǒng)，由于器件功耗的分散性，使得系統(tǒng)整體的功率消耗比較平穩(wěn)。因此，單片機系統(tǒng)的電源必須有足夠的耐沖擊性，這就要求電源設(shè)計時留有充分的余量。電平設(shè)計指的是直流電壓幅度和電源在最不利（滿載）情況下的紋波電壓峰峰值設(shè)計。這兩項指標(biāo)都關(guān)系到單片機系統(tǒng)能否實現(xiàn)正常運行。因此，必須按系統(tǒng)中對電平要求最高的器件條件進行設(shè)計。各種形式的干擾一般

21、都是以脈沖的形式進入單片機的，干擾竄入單片機系統(tǒng)的渠道主要有3條途徑：空間干擾（場干擾），通過電磁波輻射竄入系統(tǒng)；過程通道干擾，通過與主機相連的前向通道、后向通道及其它與主機相互連接的通道進入；供電系統(tǒng)干擾，通過供電線路竄入。對于上述3種干擾必須采用行之有效的措施和具體電路加以消除，確保單片機系統(tǒng)正常運行和工作。第三章 硬件電路設(shè)計3.1 系統(tǒng)主控電路模塊stm32f103基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的arm cortex-m3內(nèi)核。本次設(shè)計發(fā)射接收部分均專門設(shè)計了以stm32f103rct6為主控的系統(tǒng)板，發(fā)射接收的系統(tǒng)板相同，其系統(tǒng)板把stm32f103rct6芯

22、片的i/o口用間距2.54mm單排排針引出來，方便其靈活應(yīng)用，具體電路如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)電路原理圖3.2 系統(tǒng)電源模塊根據(jù)系統(tǒng)供電電源的要求，發(fā)射部分和接收部分只需要設(shè)計+5v和+3.3v供電電源，且要求電源輸出的紋波應(yīng)盡量的小，以減少對輸出信號的干擾和系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。本電源輸入端接220v交流供電，經(jīng)變壓器降壓后采用橋式對其全波整流、電容濾波、三端線性穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法產(chǎn)生+5v和+3.3v直流電壓，固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片為lm7805和lm1117-3.3。穩(wěn)壓管的輸出后通過電容濾波，數(shù)字部分與模擬部分的電源用電感隔離，這樣就可以得到紋波系數(shù)很小的直流電壓，具體電路如圖3.2

23、所示。圖3.2 系統(tǒng)穩(wěn)壓電源電路3.3 信號采集模塊3.3.1 語音信號調(diào)理模塊語音信號前級處理主要是對語音信號進行放大，是其適合在stm32f103rct6的ad輸入電壓范圍03.3v之間，電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3 語音信號調(diào)理電路根據(jù)ne5532的理論參數(shù)，可求出運放電路的各項交流參數(shù)。理論計算如下：1）輸入電阻（3-1）2）輸出電阻（3-2）3）電壓增益（3-3）（4）輸出電壓（v）（3-4）v （3-5）由以上分析可知，給輸出電壓加上了直流電壓1.65v，正好是stm32f103的 adc轉(zhuǎn)換器所能接收范圍的中心，運放的電壓增益為3，這樣使其正好適合adc采集的范圍，使其更精

24、確的采集到語音信號。3.3.2 溫度傳感器模塊stm32f103通過i2c可直接讀取tmp275溫度傳感器的數(shù)值，其電路如圖3.4所示，r20和r21為i2c總線的上拉電阻，其硬件地址3位均設(shè)置為0。圖3.4 tmp275溫度傳感器電路3.4 發(fā)射接收電路模塊3.4.1 發(fā)射驅(qū)動模塊發(fā)射驅(qū)動電路是直接從stm32f103的io口輸出信號，然后用npn型三極管來驅(qū)動led燈，其發(fā)射驅(qū)動電路如圖3.5所示，其中r5電位器可調(diào)節(jié)其led燈的亮度，相當(dāng)于調(diào)節(jié)發(fā)射功率。圖3.5 led發(fā)射驅(qū)動電路3.4.2 光電接收模塊為了能接收到更多光信號，采用兩個bpw34光電接收管并聯(lián)。具體點路如圖3.6所示，電

25、位器r20可調(diào)節(jié)光電接受管導(dǎo)通是的壓降。感應(yīng)到的光信號首先經(jīng)ne5532運放電路反向放大680倍，再通過lm393比較電路，可整形出更好的波形給stm32f103讀取，圖中r29可調(diào)節(jié)與放大后光信號比較的電壓，r23可調(diào)節(jié)輸給單片機波形的最大幅值的大小。圖3.6 光信號接收電路3.5人機接口顯示模塊 本系統(tǒng)以單色oled顯示屏（128×64）點陣構(gòu)成人機接口的硬件基礎(chǔ)。lcd都需要背光，而oled不需要，因為它是自發(fā)光的，另外，oled的功耗比lcd低得多，相同顯示面積的功耗僅相當(dāng)于lcd的1/3。其具有低功耗、無需背光、高對比度、內(nèi)置驅(qū)動芯片等優(yōu)點，系統(tǒng)的人機交互界面友好，液晶接口

26、電路如圖3.2所示。通信中使用了如下幾條信號線：1）cs：oled片選信號；2）fso（res）：硬件復(fù)位oled（電平翻轉(zhuǎn)觸發(fā)）；3）dc：命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志位（0-命令，1-數(shù)據(jù)）；4）sclk：串行時鐘線；5）mosi：串行數(shù)據(jù)線。圖3.7 液晶接口電路3.6語音信號輸出模塊語音信號經(jīng)stm32f103的da輸出，為了濾除噪聲減小干擾，由于語音信號的頻率是在300hz和3400 hz之間，所以需要采用帶通濾波器。無源濾波器要求有電感元件，體積龐大。有源的運算放大濾波器用阻容元件，體積小，有大量的現(xiàn)成表格可供設(shè)計時查閱。由于該帶通濾波器的上、下限頻率之比3400/300=11.3>>

27、;2(一個倍頻程)，為寬帶濾波器，故宜采用一低通濾波器和一高通濾波器級聯(lián)而成。選擇帶通濾波器濾出300hz3400hz語音信號頻率范圍的信號，可有效地抑制噪聲。本系統(tǒng)采用巴特沃斯濾波器，帶通濾波器由兩階低通濾波器級聯(lián)兩階高通濾波器構(gòu)成，采用專用濾波器設(shè)計軟件filter solutions 8.1，按其參數(shù)對其設(shè)計，帶通濾波電路如圖3.8所示。帶通濾波器根據(jù)品質(zhì)因數(shù)q的大小，分為窄帶帶通濾波器（q>10）和寬帶濾波器（q<10）兩種，本系統(tǒng)中的上限頻率，下限頻率，同頻帶中心頻率與品質(zhì)因數(shù)q分別為（3-6）（3-7）圖3.8 帶通濾波電路顯然，q<10，故該帶通濾波器為寬帶帶通

28、濾波器。實驗結(jié)果表明，該濾波器能有效濾除低頻分量和高頻分量，大大減少了噪聲干擾，同時也濾除了多余的高頻分量，性能滿足要求。經(jīng)平滑濾波器輸出的語音信號，其幅度03v，為滿足題目要求的0.5w的功率輸出，音頻功率放大器采用典型器件lm386制作，lm386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，最大輸出功率可達(dá)1.25w，為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地為參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半。本次設(shè)計的電路原理如圖3.9所示。通過r11可調(diào)節(jié)音頻功放輸入信號的幅值，lm386增益設(shè)定為50，輸出

29、端接電阻為8喇叭播放出來。圖3.9 音頻功放電路第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)軟件的開發(fā)也是本課題的一項重要內(nèi)容。本課題的軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計方法，全部原代碼均使用標(biāo)準(zhǔn)c語言編寫，并附帶有詳細(xì)的注釋，增加了本系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性，系統(tǒng)總體架構(gòu)分為發(fā)射和接收兩部分。1）發(fā)射裝置總體流程圖在主函數(shù)中，每隔500ms就從tmp275讀取一次溫度值。在定時器中斷函數(shù)中，設(shè)置一個標(biāo)志位flag(0255)，通過標(biāo)志位來控制分時發(fā)送溫度標(biāo)志位、發(fā)送溫度和發(fā)送ad采集后編碼的數(shù)值，發(fā)射裝置語音信號采集是通過adc的單通道模式自動采集數(shù)據(jù)。發(fā)射裝置流程圖如圖4.1所示。 主函數(shù) 定

30、時器中斷函數(shù)圖4.1 發(fā)射裝置流程圖2）接收裝置總體流程圖在主函數(shù)中，判斷溫度值是否更新，若更新則更新顯示的溫度。定時器中斷函數(shù)，進入中斷后，先判斷是否接收到數(shù)據(jù)，沒有接收數(shù)據(jù)則返回，若接收到數(shù)據(jù)，則根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)rx_buff判斷是否為起始位，若是起始位則使標(biāo)志位flag=1，表示接收到一幀數(shù)據(jù)的幀頭，后面接收到的數(shù)據(jù)則根據(jù)flag判斷是溫度信號還是語音信號。接收到了溫度信號就更新其溫度值，接收到的語音信號則對其解碼后直接從stm32f103的da輸出。接收裝置流程圖如圖4.2所示。主函數(shù) 定時器中斷函數(shù)圖4.2 接收裝置流程圖4.2信號采集4.2.1語音信號采集語音信號采集是對語音信號抽

31、樣，時間上離散化，即對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后應(yīng)當(dāng)能包含原信號中所有信息，也就是說能無失真地恢復(fù)原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定力決定的。本次設(shè)計采集的語音信號的頻率在300hz3400hz內(nèi)，根據(jù)奈奎斯特定律,按其定律可知，抽樣速率應(yīng)不小于最高頻率的2倍，即，而實際當(dāng)中我們會略大于2倍的頻率，本次選取的抽樣頻率為8khz的抽樣速率。本系統(tǒng)采用stm32f103 adc1的通道1即pa1腳采樣語音信號，adc1通道初始化流程圖如圖4.3所示。stm32f103的ad設(shè)置為12mhz的采樣速率單通道模式單次轉(zhuǎn)換方式對其采樣，實際

32、的采樣速度是通過定時器中斷控制在8khz的，進了中斷的數(shù)據(jù)才會發(fā)出去，其它adc采集到的數(shù)據(jù)都丟棄。 圖4.3 adc1通道初始化流程圖adc初始化程序如下：void adc_init(void) rcc->apb2enr|=1<<2; /使能porta口時鐘 gpioa->crl&=0xffffff0f;/pa1 anolog輸入 rcc->apb2enr|=1<<9; /adc1時鐘使能 rcc->apb2rstr|=1<<9; /adc1復(fù)位rcc->apb2rstr&=(1<<9);/復(fù)位結(jié)束

33、 rcc->cfgr&=(3<<14); /分頻因子清零,sysclk/div2=12m adc時鐘設(shè)置為12mrcc->cfgr|=2<<14; adc1->cr1&=0xf0ffff; /工作模式清零adc1->cr1|=0<<16; /獨立工作模式 adc1->cr1&=(1<<8); /非掃描模式 adc1->cr2&=(1<<1); /單次轉(zhuǎn)換模式adc1->cr2&=(7<<17); adc1->cr2|=7<<

34、17; /軟件控制轉(zhuǎn)換 adc1->cr2|=1<<20; /使用用外部觸發(fā)(swstart)!必須使用一個事件來觸發(fā)adc1->cr2&=(1<<11); /右對齊 adc1->sqr1&=(0xf<<20);adc1->sqr1|=0<<20; /1個轉(zhuǎn)換在規(guī)則序列中 也就是只轉(zhuǎn)換規(guī)則序列1 /設(shè)置通道1的采樣時間adc1->smpr2&=(7<<3); /通道1采樣時間清空 adc1->smpr2|=7<<3; /通道1 239.5周期,提高采樣時間可以提高

35、精確度 adc1->cr2|=1<<0; /開啟ad轉(zhuǎn)換器 adc1->cr2|=1<<3; /使能復(fù)位校準(zhǔn) while(adc1->cr2&1<<3); /等待校準(zhǔn)結(jié)束 /該位由軟件設(shè)置并由硬件清除。在校準(zhǔn)寄存器被初始化后該位將被清除。 adc1->cr2|=1<<2; /開啟ad校準(zhǔn) while(adc1->cr2&1<<2); /等待校準(zhǔn)結(jié)束/該位由軟件設(shè)置以開始校準(zhǔn)，并在校準(zhǔn)結(jié)束時由硬件清除 4.2.1溫度信號采集tmp275與主控的通信方式為i2c，本系統(tǒng)每間隔500ms，對其讀

36、取一次溫度值，其讀取到的溫度數(shù)據(jù)分為高八位和低八位，共2bety數(shù)據(jù)大小。stm32f103與tmp275通信采用軟件模擬i2c時序進行通信，pb6模擬時鐘口scl，pb7模擬數(shù)據(jù)口sda，溫度讀取流程圖如圖4.4所示。圖4.4 tmp275溫度讀取流程圖4.3編碼與解碼4.3.1信源編碼與解碼語音信號編碼方式主要有脈沖編碼調(diào)制（pcm）、差分脈沖編碼調(diào)制（dpcm）、增量調(diào)試等。由于語音信號的統(tǒng)計特性是大信號出現(xiàn)的概率小，而小信號出現(xiàn)的概率大。為了提高信噪比，在小信號是需降低量化噪聲，降低量化噪聲則需要減小量化間隔。因此，在量化時，需使量化間隔隨輸入信號電平的大小改變，小信號是分層細(xì)一些量化

37、間隔小一些，大信號時量化間隔大一些，這樣就使輸入信號與量化噪聲之比在小信號到大信號整個范圍內(nèi)基本一致。13折線a律主要用于歐洲各國、非洲地區(qū)所采用的pcm30/32路基群中。本系統(tǒng)將采用13折線a律數(shù)字壓擴技術(shù)的方法實現(xiàn)非均勻量化編碼。如圖4.5所示，圖中x和y分別表示壓縮器歸一化輸入和歸一化輸出信號幅度。將x軸的區(qū)間（0,1）分成不均勻地8段，分段的規(guī)律是每次以1/2取段。然后，每段再均勻地16等分，每一等分作為一個量化分層。于是在01范圍內(nèi)共有8×16=128個量化區(qū)間，但各段上的間隔是不均勻的。同樣在y軸上，將（0,1）區(qū)間均勻地分成8段，每段再分16等分，所以y軸也被分為12

38、8個量化區(qū)間，但他們是均勻的。圖 4.5 13折線的形成編碼規(guī)則：a律13折線用8位二進制表示一個樣值。這8位安排如下： 極性碼 段落碼 段內(nèi)碼1）為極性碼，正極用1表示，負(fù)級用0表示。2）為段落碼，x正半軸分成不均勻地8段，3位段落碼表示抽樣值落在哪一段中。3）為段內(nèi)碼，對每一段分成16等分，用4位段內(nèi)碼表示。每一段的量化間隔不等，也就是對x的非均勻編碼，若以為量化間隔進行均勻量化，則在正半周量化區(qū)內(nèi)就有2048個量化電平，需要的編碼，現(xiàn)在用非均勻編碼，只需要7位編碼。a律13折線編碼具體程序見附件u8 pcm_code(u16 data)編碼函數(shù)，程序先判斷其極性，然后判斷其段落碼，最后判

39、斷段內(nèi)碼后就完成了整個編碼過程。譯碼則是編碼過程的逆過程，經(jīng)過編碼后再解碼的結(jié)果可能跟原來的數(shù)據(jù)不同但接近，對其影響不大。程序直接根據(jù)編碼的數(shù)據(jù)，可直接解碼出其值來，語音信號具體解碼程序如下：u16 pcm_decode(u8 code)/解碼u16 data;u8 para_in,para_out,polar;para_in = (code & 0xf0) >> 4;/段內(nèi)碼para_out = (code & 0x0e) >> 1;/段落碼polar = code & 0x01;/極性switch(para_out)case 0 : data

40、 = para_in * 1;break;/段落0case 1 : data = 16 + para_in * 1;break;/段落1case 2 : data = 32 + para_in * 2;break;/段落2case 3 : data = 64 + para_in * 4;break;/段落3case 4 : data = 128 + para_in * 8;break;/段落4case 5 : data = 256 + para_in * 16;break;/段落5case 6 : data = 512 + para_in * 32;break;/段落6case 7 : dat

41、a = 1024 + para_in * 64;break;/段落7default : data = 0;if(polar = 0)/為負(fù)data = (u16)(-(int)data)+2047);else/為正data = data + 2048;return data;4.3.2信道編碼與解碼數(shù)據(jù)發(fā)送可用stm32f103硬件上的串口直接發(fā)送數(shù)據(jù)，不用對其進行軟件上的硬件編碼解碼。因其傳輸速率為8khz，則其串口采用波特率為115200 b/s較合適,數(shù)據(jù)長度為9位，包含8位數(shù)據(jù)位和1為停止位。語音信號與溫度信號實時傳輸采用時分復(fù)用方式。如圖4.6所示，以255byte數(shù)據(jù)作為一幀，以數(shù)

42、據(jù)0作為起始位，緊接后面的數(shù)據(jù)分別是溫度高八位和低八位，然后是252byte的語音信號，其中語音信號編碼后為0的數(shù)據(jù)進行軟件處理讓其為16，其基本無影響，目的是杜絕與起始位相同導(dǎo)致無法判斷。用該方式傳輸數(shù)據(jù)每一字節(jié)之間有聯(lián)系，即起始位后接收到的數(shù)據(jù)為溫度信號。圖4.6 時分復(fù)用數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)送部分發(fā)送程序用一標(biāo)志位flag從0255毎執(zhí)行一次就加1，flag=0，發(fā)送幀頭；flag=1，發(fā)送溫度高八位；flag=2，發(fā)送溫度第八位；flag>2，發(fā)送語音信號，發(fā)送部分具體編碼程序如下：u8 flag=0;/全局變量,標(biāo)志位void code_send(void)u16 ad_data;

43、/ad采集的數(shù)據(jù)if(flag<=2)/發(fā)送標(biāo)志位和溫度if(flag = 0)uart2_send_data(0);/發(fā)送標(biāo)志位else if(flag = 1)uart2_send_data(temperature/256);/發(fā)送溫度高八位elseuart2_send_data(temperature%256);/發(fā)送溫度低八位else/發(fā)送語音信號ad_data = get_adc(adc_channel_1);/讀取ad數(shù)據(jù)sendbuff = pcm_code(ad_data);/編碼while(sendbuff = 0);uart2_send_data(sendbuff);

44、/發(fā)送編碼后的數(shù)據(jù)flag+;接收部分的信道解碼程序用定時器控制每隔一段時間檢測是否接收到數(shù)據(jù)，若接收到數(shù)據(jù)則判斷是幀頭、溫度信號還是語音信號。若接收到語音信號，則對其解碼后da輸出；若接收到的是幀頭，則標(biāo)記；若接收到溫度信號，則存儲并標(biāo)記。接收部分具體解碼程序如下：u8 rend3=0;/溫度數(shù)據(jù)和接收溫度數(shù)據(jù)標(biāo)志位void decode_rend(void)if(rx_flag = 1)/接收到數(shù)據(jù)if(flag = 0 && rx_buff != 0)/接收到語音信號數(shù)據(jù)da_buff = pcm_decode(rx_buff);/解碼dac_setchannel1dat

45、a(dac_align_12b_r,da_buff);/da輸出else if(flag = 0 && rx_buff = 0)/接收到標(biāo)志位flag+;/標(biāo)志位自增else if(flag = 1)/接收到溫度高八位rend0 = rx_buff;/存儲溫度高八位數(shù)據(jù)flag+;/標(biāo)志位自增else/接收到溫度低八位if(flag = 2)rend1 = rx_buff;/存儲溫度第八位數(shù)據(jù)rend2 = 1;/可更新溫度值標(biāo)志位flag = 0;/標(biāo)志位清零rx_flag = 0;/接收到數(shù)據(jù)標(biāo)志位清零4.8人機接口顯示本系統(tǒng)采用oled屏作為人機接口顯示，采用spi總線通

46、信方式，該方式為同步串行通信。只能對oled顯示屏進行寫操作，不能進行讀操作。在4線spi模式下，每個數(shù)據(jù)長度均為8為位，在sclk的上升沿，數(shù)據(jù)從sdin一如到ssd1306，高位在前。在4線spi模式下，寫操作時序如下：圖4.7 spi時序圖oled點陣與常規(guī)lcd點陣的顯示方式相同。從第一列開始向下去8個點作為一個字節(jié)，然后從第二列開始向下去8個點作為第二個字節(jié)依次類推，取模順序是從低到高。圖4.8為顯示一行數(shù)據(jù)的圖解。圖4.8 顯示方式圖解oled模塊初始化流程圖如圖4.9所示。圖4.9 oled屏初始化流程圖4.9語音信號輸出本系統(tǒng)的處理器stm32f103rct6的dac模塊是12

47、位數(shù)字輸入，電壓輸出型的dac。dac可以配置為8位或12位模式，也可以與dma控制器配合使用。dac模塊有2個輸出通道，每個通道都有單獨的轉(zhuǎn)換器。圖中dac_outx就是dac的輸出通道，對應(yīng)pa4或者pa5引腳。當(dāng)dac的參考電壓為的時候（對stm32f103rct6來說就是3.3v），dac的電壓是線性的從0，12位模式下dac輸出電壓與以及dorx寄存器的計算公式如下：(4-1)語音信號經(jīng)解碼后直接從mcu的da通道輸出，本設(shè)計采用dac通道1（pa4）輸出模擬電壓，其dac初始化流程圖如圖4.10所示。圖4.10 dac初始化流程圖dac初始化程序如下：/dac通道1輸出初始化voi

48、d dac1_init(void)rcc->apb2enr|=1<<2; /使能porta時鐘 rcc->apb1enr|=1<<29; /使能dac時鐘 gpioa->crl&=0xfff0ffff; gpioa->crl|=0x00000000;/pa4 模擬輸入 dac->cr|=1<<0;/使能dac1dac->cr|=1<<1;/dac1輸出緩存不使能 boff1=1dac->cr|=0<<2;/不使用觸發(fā)功能 ten1=0dac->cr|=0<<3;/da

49、c tim6 trgo,不過要ten1=1才行dac->cr|=0<<6;/不使用波形發(fā)生dac->cr|=0<<8;/屏蔽、幅值設(shè)置dac->cr|=0<<12;/dac1 dma不使能 dac->dhr12r1=0;第五章 系統(tǒng)的調(diào)試與測試5.1 硬件調(diào)試本系統(tǒng)硬件相對較復(fù)雜，所以將其按功能分成了三個模塊發(fā)射部分語音信號調(diào)理模塊、led驅(qū)動和光電感應(yīng)模塊模塊、接收部分語音信號輸出模塊。在組裝與通電前，硬件調(diào)試首先檢查線路，對各模塊明顯的硬件故障進行排除。在芯片未插入電路板之前，用萬用表檢查電路板上線路是否連接正常，檢查是否存在短路

50、。檢查完線路正常后，進行試觸性上電，看起電流是否正常，正常后接上電源，用萬用測各電源輸出電壓是否正常。上電正常只是排除了一些明顯的問題。系統(tǒng)的軟件和硬件密切相關(guān)，程序也必須在聯(lián)機后才能調(diào)試。在進行在線調(diào)試時，必須借助keil單片機開發(fā)工具來開發(fā)應(yīng)用軟件，對硬件電路進行診斷、調(diào)試，及時的排除硬件故障。檢查正常后可對各個模塊硬件調(diào)試：1）發(fā)射部分語音信號調(diào)理模塊：輸入端輸入300hz3400hz幅度適宜的正弦波，用示波器測試輸出，查看器輸出信號峰峰值和偏置是否正常。2）led驅(qū)動和光電感應(yīng)模塊模塊：用頻率為10khz的方波來驅(qū)動led電路，示波器查看接收端收到的信號是否正常。3）接收部分語音信號輸

51、出模塊：輸入端接300hz3400hz幅度適宜的正弦波，用示波器測試功放的輸出波形。5.2 軟件調(diào)試本系統(tǒng)程序量較大，因此采用我較熟悉的stm32f103進行程序編寫，縮短了程序開發(fā)的時間，提高了程序編寫效率。采用自下而上的調(diào)試方法，先調(diào)試各功能程序模塊，再調(diào)試整個系統(tǒng)。調(diào)試中stm32f103單片機提供了jtag接口，方便了程序的在線調(diào)試。在調(diào)試過程中與硬件的調(diào)試相結(jié)合，提高了調(diào)試效率。當(dāng)軟件和硬件的基本功能分別調(diào)試好后,進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試。及時的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，對系統(tǒng)的軟件和硬件進一步優(yōu)化，使系統(tǒng)的軟件與硬件結(jié)合的更好。5.3 測試儀器測試儀器：tektronix tds1012數(shù)字示

52、波器、su3080 dds函數(shù)信號發(fā)生器、勝利vc890數(shù)字萬用表、yb1732b3a數(shù)字穩(wěn)壓電源。5.4 測試方法與結(jié)果1）指標(biāo)測量結(jié)果在弱光下，通過對準(zhǔn)發(fā)射裝置與接收裝置。在輸入接口加入語音信號，然后進行測試。測試結(jié)果如表1所示。表1 基本部分測試指標(biāo)序號題目要求測試指標(biāo)1可見光傳輸距離2m2m2輸入頻率范圍300-3400hz300 3400hz3不能接受信號時，發(fā)光管指示可以指示4語音信號和數(shù)字信號同時傳輸能夠同時傳輸5接收溫度信息并顯示可以顯示6數(shù)字信號傳輸延時10s1s7溫度測試誤差 212）測試結(jié)果分析通過對本系統(tǒng)的測試，可見光傳輸距離符合指標(biāo)要求，輸入頻率范圍在300hz340

53、0hz。當(dāng)輸入語音信號改為800hz單音信號時，在8歐姆負(fù)載上，接收裝置的輸出電壓有效值可高達(dá)2v。音頻輸入端口接地時，測試接收裝置噪聲有效值小于70mv，且接收裝置裝有接收信號指示燈。該系統(tǒng)還增加了一路數(shù)字信道，用于實時顯示環(huán)境中的溫度。因可見光受環(huán)境和其他因素的影響，實測數(shù)據(jù)難免存在外界干擾，且數(shù)字信號與語音信號同時傳輸時。由于數(shù)字信號的高頻干擾使得接收節(jié)點噪聲增大，這對系統(tǒng)信號的調(diào)制方式提出了很高的要求，同時也增加了硬件電路的設(shè)計的難度，因此要想達(dá)到更好的指標(biāo)，還存在改進空間，如：信道編碼采用抗干擾性強的編碼方式、光電傳感器采用頻率特性好的電路、適當(dāng)增加濾波電路等。第六章 總結(jié)和展望本設(shè)

54、計是利用led發(fā)出的光作為無線傳輸介質(zhì)，系統(tǒng)發(fā)射端采集到的語音信號和溫度信號可通過可見光信號實時傳輸?shù)浇邮斩孙@示出和播放出來。本系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)要求的所有功能。當(dāng)然，本次設(shè)計還有很多不足之處需要改正和完善：1.信道編碼方式不適合次信道傳輸，其傳輸信號的直流電平不是固定值，需換一種信道編碼；2.發(fā)射端燈亮度不夠，導(dǎo)致傳輸距離很短，可增加發(fā)射端燈的數(shù)量，提高發(fā)射功率。由于自己能力和時間問題軟件上用單個stm32還不能完成信道編碼程序，只能利用stm32自帶硬件資源串口直接發(fā)送數(shù)據(jù)；硬件上led發(fā)射驅(qū)動電路需驅(qū)動更多的led燈?？傊?，我覺得此次畢業(yè)設(shè)計的收獲不僅僅是完成了課題的任務(wù)，更重要的是通過這次畢業(yè)設(shè)計，我對學(xué)過的書本知識有了更深的理解，比如通信原理課上老師跟我們講的語音信號的編碼，我能將老師課堂上教的東西，自己寫程序?qū)崿F(xiàn)語音信號編碼，能把書本上學(xué)到的理論應(yīng)用到實踐當(dāng)中，真正地做到了學(xué)以致用。同時也學(xué)到了許多書本上學(xué)不