2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽要點(diǎn)

1、2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽2013 Nati onal Un dergraduate Electro nic Desig n Con test設(shè)計(jì)報(bào)告desig n report參賽題目：紅外光通信裝置（F題）隊(duì)伍編號(hào)：20130136日 期：2013年9月7日紅外光通信裝置（F題）摘要本裝置由32位MC為主控制器。采集音頻信號(hào)及溫度信號(hào)后， 利用紅外發(fā)光 管和紅外光接收模塊作為收發(fā)器件，用來(lái)定向傳輸。另配有一個(gè)紅外光通信中繼轉(zhuǎn) 發(fā)節(jié)點(diǎn)，以改變通信方向90,傳輸距離為2m。接收裝置在接收到信號(hào)后用耳機(jī) 播放出語(yǔ)音，用液晶屏顯示當(dāng)前溫度。當(dāng)接收裝置不能接收發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)時(shí)，用發(fā)光管指示。

2、裝置如圖所示：語(yǔ)音信號(hào) t 紅外發(fā)射裝置紅外光中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)溫度傳感器,J21n21紅外光關(guān)鍵詞： MCU紅外通信；語(yǔ)音信號(hào)；定向傳輸Abstract: This com muni cati on device is based on a 32-bit MCU con troller . First , the system Acquisition audio signal and temperature . Then , we use infrared receiver and infrared transmitter to transport audio signal. Beside , t

3、here is a relay node.we can use relay node to cha nge tran smissi on directi on 90 , and relay dista nee no less tha n 2 meters . Last , the system play audio by earphone and show the temperature by LCD . If in frared receiver can receive sig nals , the LED turned on .Keyword: MCUIn frared Communi c

4、ati on Audio Tran smissi on1. 引言我們?cè)诜治鲱}目之后認(rèn)為難點(diǎn)是利用紅外收發(fā)裝置盡可能完整的傳輸信號(hào)而且信號(hào)中要包含音頻信息和溫度信息。于是我們?cè)O(shè)計(jì)了三種方案：（一）直接傳輸音頻的模擬信號(hào)，定時(shí)發(fā)生中斷，在中斷中發(fā)送溫度的數(shù)字信號(hào)。（二）用VS1503把采到的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓縮比較高的.ogg格式，再通過(guò)串口方式發(fā)送給 接收端，接收端解碼為音頻信號(hào)播出。（三）用STM32對(duì)采集到的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化 為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)軟件降噪后再轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)傳輸。 接收端同樣將接收到的模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，用軟件處理后轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)播放。在硬件方面，考慮到音頻信號(hào)的采集和播放，需要設(shè)

5、計(jì)一些濾波電路和一些 放大電路等。紅外數(shù)字傳輸可以用包絡(luò)檢波在模擬信號(hào)中加載出信號(hào)。 在完成硬 件平臺(tái)后，我們開(kāi)始從以上方案入手，開(kāi)始對(duì)問(wèn)題的討論。2. 方案設(shè)計(jì)與論證方案（一）直接傳輸音頻的模擬信號(hào)，定時(shí)發(fā)生中斷，在中斷中發(fā)送溫度的數(shù)字信號(hào) 流程圖如下：音頻信號(hào)輸入信號(hào)預(yù)處理紅外發(fā)射端發(fā)送音頻比經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，用模擬信號(hào)傳輸音頻會(huì)造成很大的失真，在發(fā)送溫度時(shí)會(huì)嚴(yán) 重影響音頻的播放。方案（二）用VS1503把采到的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓縮比較高的.ogg格式，再通過(guò)串口方式 發(fā)送給接收端，接收端解碼為音頻信號(hào)播出。此方案從理論上來(lái)說(shuō)造成音頻信號(hào) 的失真非常小，使用串口方式通信的話(huà)波特率我們根據(jù)紅外光發(fā)

6、射接收頭的波長(zhǎng) 特性，發(fā)射功率等參數(shù)計(jì)算并測(cè)試下來(lái)可達(dá)到 4800bps,如要實(shí)時(shí)更新音頻信號(hào) 則會(huì)有較大延時(shí)， 可能會(huì)超過(guò)5-10秒,如采用數(shù)字語(yǔ)音壓縮算法，8K采樣率下8 位數(shù)據(jù)可壓縮至1K byte/秒，且必須靠可靠的雙向通信協(xié)議來(lái)保證，不然信號(hào)將失真嚴(yán)重，故此方案被放棄。方案（三）用STM32對(duì)采集到的音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)8k或16k采樣周期轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，采 用軟件降低噪音， 采用芯片帶的PWM更新中斷協(xié)調(diào)好8K載波周期。 采用 11位高精度PWM脈寬調(diào)制。接收端同樣將接收到的微弱的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通 濾波器，電容隔直放大信號(hào)后 ADC采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，溫度傳感器采集的 數(shù)字信號(hào)通過(guò)包絡(luò)載波

7、形式加載與模擬信號(hào)之中用軟件數(shù)字降噪調(diào)理處理后轉(zhuǎn) 化為模擬信號(hào)播放。具體流程如下：DACPWM 更岳申芋*38K觀逗載字變號(hào)STiB2STW2 ADCST1132此方案的操作性比較強(qiáng)，從理論上分許可以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)分為5個(gè)模塊，分別用3塊STM32來(lái)控制1）語(yǔ)音及溫度的采集語(yǔ)音信號(hào)的采集主要是實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。使用的方法是用一個(gè) 駐極體，接受聲音信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)放大。一般麥克風(fēng)輸出電平為幾十毫伏，經(jīng)增益約為46 dB的前置放大器A 1放大至1V左右的范圍，以便推動(dòng)后級(jí)電路。通過(guò)帶通濾波器將頻帶通路設(shè)置在人耳比較容易實(shí)現(xiàn)的300HZ - 20KHZ CPU每秒鐘采樣

8、8 000點(diǎn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)，每一點(diǎn)數(shù)據(jù)以一個(gè)12位分辨率采樣及傳輸，因?yàn)?音頻放大芯片已經(jīng)將處理為1.65V為中心的模擬信號(hào)，因此我們可以根據(jù)此特 性進(jìn)行數(shù)字濾波及降噪聲處理，溫度采集使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。通過(guò)STM32與DS18B20連接，得到 實(shí)時(shí)的溫度信息。紅外發(fā)送紅外發(fā)送電路我們使用了 9013三極管處于飽和狀態(tài) PWM脈寬調(diào)試方 式來(lái)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管， 通過(guò)STM32主CPU進(jìn)行和8K頻率進(jìn)行ADC 一致 的高級(jí)定時(shí)器設(shè)置， 并且進(jìn)行了過(guò)采樣來(lái)保證聲音的銀色，用12位高精度PWM脈寬周期來(lái)調(diào)理紅外發(fā)射電路，因?yàn)楦咻d波，因此我們無(wú)需多個(gè)發(fā)射管 串聯(lián)就可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮苓h(yuǎn)。對(duì)于數(shù)字信

9、號(hào)的包絡(luò)波方式加載于模擬信號(hào)中， 不過(guò)再此次項(xiàng)目中我們并沒(méi)有使用軟件做數(shù)字38k載波處理，我們選擇了使用硬件電路做數(shù)字載波，通過(guò)幅度的不同來(lái)區(qū)分與模擬信號(hào)。3）紅外接收紅外接收電路中我們使用了兩套電路，一套使用電容隔直流并放大音頻信號(hào)來(lái)采集到調(diào)制過(guò)的模擬信號(hào)，我們并沒(méi)有使用傳統(tǒng)的運(yùn)放比較器去濾除加載的數(shù)字信號(hào)，我們選擇了更加靈活的38k 一體接收芯片做為單獨(dú)的通道處理數(shù) 字信號(hào)，模擬信號(hào)我們?cè)?ADC采集后進(jìn)行數(shù)字化降噪和分離出數(shù)字信號(hào)，進(jìn) 實(shí)際測(cè)試， 此設(shè)計(jì)方案非常好的處理好模擬數(shù)字通道的發(fā)送和接收。對(duì)于中繼 我們還放大了數(shù)字信號(hào)為了更好的傳輸語(yǔ)音信號(hào)。4）后級(jí)功放電路及電源由于此次設(shè)計(jì)需要

10、比較好的模擬量調(diào)理電路，所以我們沒(méi)有選擇開(kāi)關(guān)電源降低電源質(zhì)量， 減少紋波。 后級(jí)功放電路我們選擇了數(shù)字功放，更將簡(jiǎn)單處理功放的設(shè)計(jì)，由于高集成度，所以更加方便的避免了萬(wàn)能板做電路對(duì)于電源 信號(hào)的處理難問(wèn)題，特別是數(shù)字模擬功率三部分三點(diǎn)接地的處理上更加容易了。4. 方案測(cè)試i）測(cè)試聲音是否正常采集放大將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路輸入到示波器上，觀察得到的波形。峰值可以 達(dá)到1V左右，達(dá)到預(yù)期的要求，說(shuō)明音頻采集放大電路沒(méi)有問(wèn)題。2）測(cè)試聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后的還原情況接收的聲音應(yīng)無(wú)明顯失真。當(dāng)發(fā)射端輸入語(yǔ)音信號(hào)改為800Hz單音信號(hào)時(shí)，在8Q 電阻負(fù)載上，接收裝置的輸出電壓有效值為0.7V。不改變電路

11、狀態(tài)，減小發(fā)射端輸入信號(hào)的幅度至ov，測(cè)量此時(shí)接收裝置輸出端噪聲電壓，讀數(shù)約為8omv。3）測(cè)試溫度檢測(cè)是否正常啟動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)送端通過(guò)DS18B2采集到溫度后，經(jīng)系統(tǒng)傳輸后顯示在超大液 晶屏上。 用手輕輕捂住溫度傳感器，顯示的溫度有所增加，說(shuō)明溫度值在通過(guò) 系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸。與此同時(shí)，音頻信號(hào)傳輸正常，播放正常。4）測(cè)試中繼節(jié)點(diǎn)工作是否正常在系統(tǒng)中加入中繼節(jié)點(diǎn)電流為峰值 5個(gè)毫安左右，提供5V電源。系統(tǒng)開(kāi)啟后依 然可以正常工作。此時(shí)通過(guò)數(shù)字毫安表測(cè)得中繼節(jié)點(diǎn)中的電流為。 我們做了低功 耗待機(jī)的電流減少處理，通過(guò)模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)的觸發(fā)方式來(lái)喚醒 CPU處于 恢復(fù)工作狀態(tài)。5. 總結(jié)經(jīng)過(guò)不斷的測(cè)試，我

12、們決定使用方案（三）。在方案實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，我們遇 到了很多困難，但是我們都堅(jiān)持不到最后一刻絕不放棄的原則， 將問(wèn)題一個(gè)一個(gè) 解決。最終很好的完成了基本要求，基本完成了附加要求。我們的團(tuán)隊(duì)意識(shí)非常 好，每個(gè)人都努力把分到的工作認(rèn)真對(duì)待。在隊(duì)友出現(xiàn)小錯(cuò)誤的時(shí)候不埋怨不氣 餒，而是耐心的檢查并找出解決問(wèn)題的方案。在作品完成之后我們都很高興，也 在此次競(jìng)賽中吸取了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)，收獲了難得的友誼。附錄:附1 ：元器件明細(xì)表1、紅外發(fā)射管、接收管2、駐極體、喇叭、耳機(jī)、彩色液晶屏3、LM567、LM358、74HC00、STM32，MCP6002 等4、三極管 9012、90135、電位器、電容、電阻、杜

13、邦線若干。附2:儀器設(shè)備清單1、邏輯分析儀2、數(shù)字毫安表3、失真度測(cè)量?jī)x4、數(shù)字示波器5、穩(wěn)壓電源附3:電路圖圖紙音頻采集放大電路XFG14.7uF仆：U1DXR9 .:47kLkRdO 4.7kLC522uF24NQ%1T-A1#1 &QUPM Ocbuf UbrCNDTR = 1;DMA_Cmd(DMA1_Cha nn el6, ENABLE); if(Uart2Rb0 % 8 = (Uart2Rb0 3) % 8) Se nd_Hex(Uart2Rb0); DestUart = Uart2Rb0;Uart2Rb0 = 0;switch(Se ndState)case Anl og:if(

14、An logTimes+ = 31995)Anl ogTimes = 0;Sen dState = Digtal;DacValueSet(1,ADC_CH1_Co nvertedValue); break;case Digtal:if(DestUart)TIM_Cmd(TIM1, DISABLE);Se nd_Hex(DestUart); TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); DestUart = 0;Sen dState = An log;break;case Idle:break;void PeriphCompe nt_in it(void)SystemI nit();SysTic

15、k_Config(720000/320); / 初始化滴答定時(shí)器 In itUartMo nitor();/ 初始化串口 1,2pwmn it (&M ypwm);ppmnit(&M yppm);ADC1_I nit();DAC_Co nfiguratio n();Ledl nit();INT8U Temp =7;/* brief* param None* retval No ne*/ int main( void)PeriphCompe nt_in it();while (1)if (P500usReq) /輪詢(xún)時(shí)間信號(hào)狀態(tài) P500usReq = 0;P500us();* file PPM

16、.C* author Lvhaia n R&D Driver Software Team* versio n V1.0.0* date 07/24/2012* brief 配置 PPM*clude PPM.h#in clude stm32f10x_gpio.h#in clude stm32f10x_exti.h#i nclude stm32f10x_tim.h#in clude defi ne.h/* addtogroup XFIyer_Driver* /* addtogroup PPM* */* defgroup PPM_Private_TypesDefi niti ons* */* */*

17、 defgroup PPM_Private_Defi nes* */* */* defgroup PPM_Private_Macros* */* */* defgroup PPM_Private_Variables* */#define Min Dig 2038ppm_t *p_ppm = 0;/*CNT = 0;* brief NVIC 初始化* param None* retval No ne*/void PPM_NVIC_C on figuratio n( void)NVIC_I ni tTypeDef NVIC_I ni tStructure;NVIC_I nitStructure.N

18、VIC_IRQCha nnel = TIM2_IRQ n;NVIC_I ni tStructure.NVIC_IRQCha nn elPreemptio nPriority = 0;NVIC_I ni tStructure.NVIC_IRQCha nn elSubPriority = 1;NVIC_I ni tStructure.NVIC_IRQCha nn elCmd = ENABLE;NVIC_I nit(&N VIC_I nitStructure);* brief PPM 初始化* param None* retval No ne*/ void ppm_i nit(ppm_t *ppm)

19、p_ppm = ppm;PPM_NVIC_Co nfigurati on();PPM_GPIO_Co nfigurati on(); ppm_timer_i nit();* brief ppm_timer 的初始化* param None* retval No ne*/ void ppm_timer_i nit(void)IITIM3輸出初始化TIM_TimeBasel ni tTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIMCI ni tTypeDef TIMCI nitStructure;II 通道輸入初始化結(jié)構(gòu)RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB

20、2Periph_AFIO, ENABLE);ENABLE);GPIO_Pi nRemapCo nfig(GPIO_PartialRemap2_TIM2,這里做部分REMAP CH3,CH4通道復(fù)位定時(shí)器TIM_DeI ni t(TIM2);開(kāi)時(shí)鐘RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);II定時(shí)器TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = OxFFFF;16K因此TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 2-1;IIAPB1 總線 用于解 8K不分頻了TIM_TimeBas

21、eStructure.TIM_ClockDivision =0x00;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Cou nterMode = TIM_Cou nterMode_Up;TIM_TimeBase In it(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);TIMCI nitStructure.TIM_Cha nnel 通道1 -=TIM_Cha nn el_4;TIMCI nitStructure.TIMCPolarity升沿捕獲=TIMCPolarity_Risi ng;TIMCln itStructure.TIMCSelection = TIMCSelec

22、tion_DirectTI;TIMCI nitStructure.TIMCPrescaler= TIM_ICPSC_DIV1;檢測(cè)到捕獲輸入就觸發(fā)一次捕獲/選擇/輸入上/通道方向選擇/每次TIMCI nitStructure.TIMCFilter = 0x0;TIMCI ni t(TIM2, &TIMClni tStructure);/* TIM en able cou nter */TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);/* En able the CC1 In terrupt Request */* En able the CC1 In terrupt Request */ TIM_

23、ITC on fig(TIM2, TIM_IT_CC4, ENABLE);/* brief 將PPM信號(hào)值限定在-125125之間* paramin t v :信號(hào)值* retval No ne*/ int LimitPpmValue(i nt v)if(vPPM_MAX) return PPM_MAX; if(vCH8 = TIM_GetCapture4(TIM2); if(p_ppm-CH8 Mi nDig - 300)elseFlag2+;TIM_ClearITPe ndin gBit(TIM2 , TIM_IT_CC4);TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);TIM_Reset

24、Counter(TIM2);/ 復(fù)位定時(shí)器TIM_Cha nn el_4;TIMCPolarity_Risi ng;DirectTI;II 通道TIM_ICPSC_DIV1;TIMClni tStructure.TIM_Cha nnel=選擇通道1TIMClni tStructure.TIMCPolarity=II輸入上升沿捕獲TIMClni tStructure.TIMCSelection = TIMCSelection方向選擇TIMClni tStructure.TIMCPrescaler=每次檢測(cè)到捕獲輸入就觸發(fā)一次捕獲TIMClni tStructure.TIMCFilter = 0x

25、0;TIMCln it(TIM2, &TIMCln itStructure);I* TIM en able cou nter *ITIM_Cmd(TIM2, ENABLE);I* En able the CC1 In terrupt Request *ITIM_ITC on fig(TIM2, TIM_IT_CC4, ENABLE);/* file PPM.C* author Lvhaia n R&D Driver Software Team* versio n V1.0.0* date 07/24/2012* brief 配置 PPM* copy* 硬件版本：MiniStar V1.0* 硬

26、件型號(hào)：MiniStar V1.0*硬件說(shuō)明：四軸控制主板 firmware.*此版本軟件遵循Doxygen軟件編程規(guī)范，可直接生成說(shuō)明文檔.* Doxygen輸入編碼模式為GB2312,如果使用默認(rèn)將不能正確顯示中文* © COPYRIGHT 2012 STEP Electro nics*/* In cludes*/#i nclude PPM.h#in clude stm32f10x_gpio.h#in clude stm32f10x_exti.h#i nclude stm32f10x_tim.h#in clude defi ne.h/* addtogroup XFIyer_Dri

27、ver* */* addtogroup PPM* */* defgroup PPM_Private_TypesDefi nitio ns* */* */* defgroup PPM_Private_Defi nes* */* */* defgroup PPM_Private_Macros* */* */* defgroup PPM_Private_Variables* */#define Min Dig 2038ppm_t *p_ppm = 0;/*CNT = 0;* brief NVIC 初始化* param None* retval No ne*/void PPM_NVIC_C on fi

28、guratio n( void)NVIC_I ni tTypeDef NVIC_I ni tStructure;NVIC_I nitStructure.NVIC_IRQCha nnel = TIM2_IRQ n;NVIC_I ni tStructure.NVIC_IRQCha nn elPreemptio nPriority = 0;NVIC_I ni tStructure.NVIC_IRQCha nn elSubPriority = 1;NVIC_I ni tStructure.NVIC_IRQCha nn elCmd = ENABLE;NVIC_I nit(&N VIC_I nitStru

29、cture);/* brief PPM 初始化* param None* retval No ne*/void ppm_i nit(ppm_t *ppm)p_ppm = ppm;PPM_NVIC_C on figuratio n();PPM_GPIO_C on figuratio n(); ppm_timer_i nit();/* brief ppm_timer 的初始化* param None* retval No ne*/void ppm_timer_i nit(void)IITIM3輸出初始化TIM_TimeBasel ni tTypeDefTIM_TimeBaseStructure;T

30、IMCI ni tTypeDef TIMCI nitStructure;II 通道輸入初始化結(jié)構(gòu)RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);ENABLE);GPIO_Pi nRemapCo nfig(GPIO_PartialRemap2_TIM2,這里做部分REMAP CH3,CH4通道復(fù)位定時(shí)器TIM_DeI ni t(TIM2);開(kāi)時(shí)鐘RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);II定時(shí)器TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = OxFFFF;

31、16K因此II選擇II輸入上TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 2-1;IIAPB1 總線 用于解 8K不分頻了TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =0x00;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Cou nterMode = TIM_Cou nterMode_Up;TIM_TimeBase In it(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);TIMCln itStructure.TIM_Cha nnel = TIM_Cha nn el_4;通道1TIMCln itStruct

32、ure.TIMCPolarity= TIMCPolarity_Risi ng;升沿捕獲一_II通道方向選擇TIMCln itStructure.TIMCSelection = TIMCSelection_DirectTI;TIMCln itStructure.TIMCPrescaler= TIMCPSC_DIV1;/每次檢測(cè)到捕獲輸入就觸發(fā)一次捕獲TIMCl nitStructure.TIMCFilter = 0x0;TIMCI ni t(TIM2, &TIMClni tStructure);/* TIM en able cou nter */TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);/* E