一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)，包括紅外發(fā)射裝置、中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置和紅外接收裝置；紅外發(fā)射裝置包括功率電阻W1、電容、電阻R1、三極管Q1和紅外發(fā)射管Ⅰ；中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置包括功率電阻W2、電容C2、C3、電阻、紅外接收管Ⅰ、紅外發(fā)射管Ⅱ、可調(diào)電阻W1、三極管（Q2、Q3和Q4）；紅外接收裝置包括電阻、紅外接收管Ⅱ、電容C4、三極管Q5、三極管Q6和單刀雙擲開關(guān)，紅外接收管Ⅰ接收紅外發(fā)射管Ⅰ發(fā)射的信號，紅外接收管Ⅱ接收紅外發(fā)射管Ⅱ發(fā)射的信號。整個系統(tǒng)設(shè)計成本低、功耗低、性價比高，并且系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、無干擾、低噪聲的特點。
【專利說明】一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種紅外光通信技術(shù)，尤其涉及一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]21世紀(jì)已經(jīng)全面進(jìn)入了電子信息時代，電信息成為我們生活中傳遞訊息的最多、最重要的方式，各種電信號的傳遞充滿了我們生活的每一個角落。作為電信息的最常規(guī)的載體線纜在日常生活中，隨處可見，讓我們眼花繚亂。已經(jīng)很大程度上觸犯了現(xiàn)代人追求簡約的審美觀，因此發(fā)展無線通信為人們的迫切需求。
[0003]當(dāng)前無線通信正在蓬勃的發(fā)展起來。傳統(tǒng)的無線通信方式有藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee、無線局域網(wǎng)(wifi)等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，此類無線通信模塊及器件逐漸成熟，無線通信的應(yīng)用已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，極大程度上方便了人們的日常生活。但與此同時也帶來了許多的問題。這些通信方式都受無線電波頻帶限制，可利用的通信頻帶是有限的，一種通信方法使用一個范圍的頻帶后，就意味著可利用的頻帶減少了，屬于拓展性很低的領(lǐng)域。此外，以上方式通過發(fā)射無線電波傳遞訊號，發(fā)射功耗大，容易受電磁干擾，價格昂貴，且信息安全可靠度不高。
[0004]因此，迫切需要開發(fā)一種本質(zhì)上不同于上述無線電波通信的通信方式。光通信響應(yīng)時代的需求，正逐漸發(fā)展起來?？萍疾烤W(wǎng)站下發(fā)關(guān)于下達(dá)2013年度有關(guān)國家科技計劃項目的通知，多個光通信項目被列入“2013年度國家重點新產(chǎn)品計劃立項項目”。光通信方式以信息安全度更高，不受頻帶限制，無輻射危害，更綠色環(huán)保等優(yōu)點成為了科研學(xué)者研究的主題。
[0005]當(dāng)前光通信有可見光通信和紅外光通信，可見光通信易受各種光源的干擾。因此紅外光通信受到了更多的關(guān)注。
[0006]紅外線能像可見光一樣集中成很窄的一束發(fā)射出去，根據(jù)紅外光的特點，具備以下優(yōu)勢:1、不易被人發(fā)現(xiàn)和截獲，保密性強；2、幾乎不會受到電氣、天電、人為干擾，抗干擾性強。此外，紅外線通信機體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉。這些優(yōu)點使紅外光無線通信與傳統(tǒng)通信方式在本質(zhì)上有了更大的區(qū)別。紅外光通信不占用任何頻帶資源，解決了頻帶有限的問題，且此方式同時解決了傳統(tǒng)通信保密性低，抗干擾能力不高的缺點。在軍事、工業(yè)以及家居等各個方面都有極大的開發(fā)潛力。
[0007]目前紅外光通信雖然已經(jīng)進(jìn)入了初步應(yīng)用階段，但是技術(shù)仍然尚不完全成熟，仍存在許多問題。目前大多數(shù)紅外通信都存在距離近及發(fā)射功率大等缺點。
[0008]現(xiàn)有的紅外光通信技術(shù)有三種基本方案:
1、調(diào)幅發(fā)送方式:該方法通過高頻載波對信號波形進(jìn)行調(diào)制，形成有幅度變化的高頻信號。并通過紅外光發(fā)射電路將調(diào)制信號發(fā)射出去，另一端通過接受電路接收信號并放大，解調(diào)，還原信號。
[0009]2、脈寬調(diào)制(PWM):該方案通過原始信號不同的幅值，通過CPU處理后，按比例輸出不同的PWM波。并通過發(fā)射電路發(fā)射，接收電路接收后通過濾波，使其還原為原始信號。[0010]3、PPM(脈沖間隔調(diào)制):該方案與脈寬調(diào)制相似，但是時間間隔長，傳輸信息速度有限。
[0011]雖然目前的紅外光通信已經(jīng)彌補了傳統(tǒng)通信的部分局限性，但是目前紅外光通信方式仍存在很多問題需要解決。例如目前紅外通信技術(shù)驅(qū)動能力差，頻率低，功耗大，有效傳播距離近，成本高等。因此迫切需要開發(fā)和設(shè)計一種低功耗，遠(yuǎn)距離的紅外通信技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明提供了一種功耗低，傳播距離遠(yuǎn)的低功耗紅外光通信系統(tǒng)。
[0013]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)，包括紅外發(fā)射裝置、中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置和紅外接收裝置；
所述紅外發(fā)射裝置包括功率電阻W1、電容、電阻R1、三極管Ql和紅外發(fā)射管I，所述功率電阻Wl的輸入端與12V電源連接，功率電阻Wl的輸出端與紅外發(fā)射管I的正極連接，所述電容的正極與12V電源連接，電容的負(fù)極接地，紅外發(fā)射管I的負(fù)極與三極管Ql的集電極連接，三極管Ql的發(fā)射極接地，所述三極管Ql的基極與電阻Rl的一端連接；
所述中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置包括功率電阻W2、電容C2、電容C3、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、紅外接收管1、紅外發(fā)射管I1、可調(diào)電阻W1、三極管Q2、三極管Q3和三極管Q4 ;所述紅外接收管I的正極接地，紅外接收管I的負(fù)極連接電容C2的正極，所述電容C2的負(fù)極與三極管Q4的基極連接，所述三極管Q4的集電極通過電阻R5與三極管Q3的基極連接，三極管Q4的發(fā)射極接地，所述紅外接收管I的負(fù)極通過電阻R2與5V電源連接，所述電容C2的負(fù)極通過電阻R3與5V電源連接，所述三極管Q4的集電極與可調(diào)電阻Wl的一端連接，可調(diào)電阻Wl的另一端通過電阻R4與5V電源連接，所述三極管Q3的集電極通過電阻R6與5V電源連接，所述三極管Q3的發(fā)射極接地；所述三極管Q3的集電極還通過電阻R7與三極管Q2的基極連接，所述三極管Q2的發(fā)射極接地；所述功率電阻W2的輸入端與5V電源連接，所述功率電阻W2的輸出端與紅外發(fā)射管II的正極連接，所述紅外發(fā)射管II的負(fù)極與三極管Q2的集電極連接，所述電容C3的正極與5V電源連接，電容C3的負(fù)極接地；所述紅外接收裝置包括電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻Rl3、紅外接收管I1、電容C4、三極管Q5、三極管Q6、可調(diào)電阻W2、可調(diào)電阻W3和單刀雙擲開關(guān)；所述紅外接收管II的負(fù)極通過電阻R8與3.3V?5V電源連接，紅外接收管II的負(fù)極還與電容C4的正極連接，紅外接收管II的正極接地，電容C4的負(fù)極與三極管Q5的基極連接，電容C4的負(fù)極還通過電阻R9與3.3V?5V電源連接，所述三極管Q5的發(fā)射極接地，三極管Q5的集電極與單刀雙擲開關(guān)的主樁L連接，所述單刀雙擲開關(guān)的一子樁LI與可調(diào)電阻W2的一端連接，可調(diào)電阻W2的另一端通過電阻RlO與3.3V?5V電源連接，所述單刀雙擲開關(guān)的另一子樁L2與可調(diào)電阻W3的一端連接，可調(diào)電阻W3的另一端通過電阻Rll與3.3V?5V電源連接，所述三極管Q5的集電極還通過電阻R12與三極管Q6的基極連接，所述三極管Q6的集電極通過電阻R13與3.3V?5V電源連接，所述三極管Q5的發(fā)射極接地；
所述中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外接收管I接收紅外發(fā)射裝置中的紅外發(fā)射管I發(fā)射的信號，所述紅外接收裝置中的紅外接收管II接收中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外發(fā)射管II發(fā)射的信號。[0014]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述紅外發(fā)射裝置中的電容由電容CU、電容C12和電容C13組成，所述電容C11、電容C12和電容C13的正極與12V電源連接，所述電容C11、電容C12和電容C13的負(fù)極接地。
[0015]作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述紅外發(fā)射裝置中的紅外發(fā)射管I由紅外線發(fā)射二極管Dll、紅外線發(fā)射二極管D12和紅外線發(fā)射二極管D13組成；所述紅外線發(fā)射二極管D13的正極與功率電阻Wl的輸出端連接，所述紅外線發(fā)射二極管D13的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管D12的正極連接，所述紅外線發(fā)射二極管D12的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管Dll的正極連接，所述紅外線發(fā)射二極管Dll的負(fù)極與三極管Ql的集電極連接。
[0016]作為本發(fā)明的又一種優(yōu)選方案，所述中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外接收管I由紅外線接收二極管D21和紅外線接收二極管D22組成，所述紅外線接收二極管D21的正極接地，所述紅外線接收二極管D21的負(fù)極與紅外線接收二極管D22的正極連接，所述紅外線接收二極管D22的負(fù)極與電容C2的正極連接，紅外線接收二極管D22的負(fù)極還通過電阻R2與5V電源連接。
[0017]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)方案，所述中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外發(fā)射管II由紅外線發(fā)射二極管D31、紅外線發(fā)射二極管D32和紅外線發(fā)射二極管D33組成，所述功率電阻W2的輸出端與紅外線發(fā)射二極管D33的正極連接，所述紅外線發(fā)射二極管D33的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管D32的正極連接，所述紅外線發(fā)射二極管D32的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管D31的正極連接，所述紅外線發(fā)射二極管D31的負(fù)極與三極管Q2的集電極連接。
[0018]作為本發(fā)明的另一種改進(jìn)方案，所述紅外接收裝置中的紅外接收管II由紅外線接收二極管D41和紅外線接收二極管D42組成，所述紅外線接收二極管D41的負(fù)極與電容C4的正極連接，所述紅外線接收二極管D41的負(fù)極還通過電阻R8與3.3V?5V電源連接，所述紅外線接收二極管D41的正極與紅外線接收二極管D42的負(fù)極連接，所述紅外線接收二極管D42的正極接地。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
1、使用時，向紅外發(fā)射裝置中電阻Rl的一端輸入信號，通過紅外光通信系統(tǒng)傳輸，從紅外接收裝置中三極管Q6的集電極輸出信號，信號傳輸正常，無失真；環(huán)境溫度傳輸最大誤差為0.2° ;實現(xiàn)了數(shù)字信號與模擬信號同時傳輸；中繼站功耗低，為0.01W，達(dá)到了節(jié)能的目的。整個系統(tǒng)設(shè)計成本低、功耗低、性價比高，并且系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、無干擾、低噪聲的特點。
[0020]2、紅外接收裝置采用的基本原理是共射級放大電路，電路具有相當(dāng)高的？？值，為150-300之間，把信號放大很多倍；放大管子采用開關(guān)管，精度更高，系統(tǒng)功耗更低；同時接收采用2-3個接收管串聯(lián)，效果更好，接收效果更佳，傳輸距離更遠(yuǎn)，接收到的信號更強，同時也比I個接收管接收時功耗低，進(jìn)一步降低了功耗。若采用復(fù)合管，傳送的距離更遠(yuǎn)但抗干擾能力會下降，可以根據(jù)需要選擇。
[0021]3、為了盡可能減小供電系統(tǒng)的供電電流，減小功耗，同時，降低中繼站復(fù)雜性，中繼電路只采用一個5V單電源供電，同時，在保證傳遞信號正常的情況下，增大中繼發(fā)送裝置功率負(fù)載的大小，進(jìn)一步達(dá)到減小電流的目的。
[0022]4、采用紅外光通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，并且相比以往增加了紅外中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置，信號發(fā)射、接收、中繼轉(zhuǎn)發(fā)電路均采用分離元件實現(xiàn)(以往是采用集成運放實現(xiàn))。大大節(jié)約了成本。增大了傳輸距離，降低了整個系統(tǒng)的功耗。
[0023]5、驅(qū)動能力強，可以在高頻情況下工作，傳輸距離遠(yuǎn)；并且成本非常低，降低了好幾倍的成本，現(xiàn)有電路的一個集成芯片價格可以制作幾個本電路了。
[0024]6、系統(tǒng)采用的調(diào)頻方式不是傳統(tǒng)意義上的調(diào)頻，傳統(tǒng)上是高頻正弦波調(diào)頻，加載信號。而本發(fā)明采用的是調(diào)頻方波，然后采樣時間段內(nèi)提取數(shù)據(jù)，傳輸時的方波占空比可以很低(通過理論分析占空比可無限低，為保證接收機能捕捉到信號，一般采用1%-10%)，這樣就大幅度降低了傳輸、接收和中繼站的功耗。
[0025]7、目前本系統(tǒng)只采用了 2-3個晶體管，根據(jù)具體情況可以適當(dāng)?shù)脑黾泳w管，傳輸距離最遠(yuǎn)可以到30M。若采用TTL，理論上傳輸距離可以達(dá)到200M (若采用TTL，功耗稍大)。
[0026]8、中繼的接收和最終的接收電路中，初級接收和次級放大的靜態(tài)工作狀態(tài)不相互干擾，前級大電流，次級大增益。前級大電流提高接收管的靈敏度，電容隔直以后，次級只接收了信號的微變部分。可以根據(jù)實際需要調(diào)整次級的直流偏置以及工作點，大大提高產(chǎn)品的適用場合和范圍，而且單電源供電，是很多運算放大器或測量放大器無法替代的優(yōu)勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)的總體框圖；
圖2為紅外發(fā)射裝置的電路圖；
圖3為中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置的電路圖；
圖4為紅外接收裝置的電路圖；
圖5為發(fā)射裝置程序流程圖；
圖6為接收裝置程序流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0029]如圖1所示，一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)，包括紅外發(fā)射裝置、中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置和紅外接收裝置。將采集溫度數(shù)據(jù)，語音信號和數(shù)字信號同時通過紅外發(fā)射裝置發(fā)射。經(jīng)過中繼轉(zhuǎn)發(fā)點，中繼站的接收和發(fā)送模塊是獨立的，因此可以實現(xiàn)任意方向的轉(zhuǎn)發(fā)。對于最后接收端，由紅外接收裝置接收轉(zhuǎn)發(fā)之后的信號，利用接收端STM32對接收到的信號進(jìn)行采樣，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換、濾波、音頻放大后輸出信號，調(diào)制與解調(diào)均采用調(diào)頻的方法。
[0030]紅外發(fā)射裝置的電路如圖2所示，紅外發(fā)射裝置包括功率電阻W1、電容、電阻R1、三極管Ql和紅外發(fā)射管I。功率電阻Wl的輸入端與12V電源連接，功率電阻Wl的輸出端與紅外發(fā)射管I的正極連接，電容的正極與12V電源連接，電容的負(fù)極接地，紅外發(fā)射管I的負(fù)極與三極管Ql的集電極連接，三極管Ql的發(fā)射極接地，三極管Ql的基極與電阻Rl的一端連接，信號從電阻Rl的另一端輸入。
[0031]本實施例中，紅外發(fā)射裝置中的電容由電容CU、電容C12和電容C13組成。電容C11、電容C12和電容C13的正極與12V電源連接，電容C11、電容C12和電容C13的負(fù)極接地。紅外發(fā)射裝置中的紅外發(fā)射管I由紅外線發(fā)射二極管D11、紅外線發(fā)射二極管D12和紅外線發(fā)射二極管D13組成。紅外線發(fā)射二極管D13的正極與功率電阻Wl的輸出端連接，紅外線發(fā)射二極管D13的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管D12的正極連接,紅外線發(fā)射二極管D12的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管Dll的正極連接,紅外線發(fā)射二極管Dll的負(fù)極與三極管Ql的集電極連接。
[0032]紅外發(fā)射裝置將調(diào)制好的載波通過由三極管Ql (選用高頻功率管效果更佳)驅(qū)動的紅外發(fā)射管發(fā)射出去，供電處增加三個耐壓的大電容(一般選用4700uf)儲存能量。串聯(lián)三個紅外線發(fā)射二極管(Dll、D12和D13)提高發(fā)射效率。由于電源供電電流較大，在電路中增加功率電阻Wl限流，經(jīng)測試選用10-100歐的功率電阻作為功率負(fù)載最佳。
[0033]中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置的電路如圖3所示，中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置包括功率電阻W2、電容C2、電容C3、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、紅外接收管1、紅外發(fā)射管I1、可調(diào)電阻Wl、三極管Q2、三極管Q3和三極管Q4。紅外接收管I的正極接地，紅外接收管I的負(fù)極連接電容C2的正極，電容C2的負(fù)極與三極管Q4的基極連接，三極管Q4的集電極通過電阻R5與三極管Q3的基極連接，三極管Q4的發(fā)射極接地，紅外接收管I的負(fù)極通過電阻R2與5V電源連接，電容C2的負(fù)極通過電阻R3與5V電源連接，三極管Q4的集電極與可調(diào)電阻Wl的一端連接，可調(diào)電阻Wl的另一端通過電阻R4與5V電源連接，三極管Q3的集電極通過電阻R6與5V電源連接，三極管Q3的發(fā)射極接地。三極管Q3的集電極還通過電阻R7與三極管Q2的基極連接，三極管Q2的發(fā)射極接地；功率電阻W2的輸入端與5V電源連接，功率電阻W2的輸出端與紅外發(fā)射管II的正極連接，紅外發(fā)射管II的負(fù)極與三極管Q2的集電極連接，電容C3的正極與5V電源連接，電容C3的負(fù)極接地。
[0034]本實施例中，中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外接收管I由紅外線接收二極管D21和紅外線接收二極管D22組成，紅外線接收二極管D21的正極接地，紅外線接收二極管D21的負(fù)極與紅外線接收二極管D22的正極連接，紅外線接收二極管D22的負(fù)極與電容C2的正極連接，紅外線接收二極管D22的負(fù)極還通過電阻R2與5V電源連接。中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外發(fā)射管II由紅外線發(fā)射二極管D31、紅外線發(fā)射二極管D32和紅外線發(fā)射二極管D33組成，功率電阻W2的輸出端與紅外線發(fā)射二極管D33的正極連接，紅外線發(fā)射二極管D33的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管D32的正極連接,紅外線發(fā)射二極管D32的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管D31的正極連接，紅外線發(fā)射二極管D31的負(fù)極與三極管Q2的集電極連接。
[0035]中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置直接是紅外發(fā)射裝置和紅外接收裝置的級聯(lián)，為了盡可能減小供電系統(tǒng)的供電電流，減小功耗，同時，降低中繼站復(fù)雜性，中繼電路只采用一個5V供電，同時，為進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，在保證傳遞信號正常的情況下:A、增大中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置功率負(fù)載的大小，進(jìn)一步達(dá)到減小電流的目的。但功率電阻W2的大小依然控制在10-100歐之間,太大情況下此電路相當(dāng)于斷路了。B、改變中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置共射級放大電路第一級開關(guān)管(圖3中的三極管Q4)集電極電阻可調(diào)節(jié)系統(tǒng)功耗，電阻越大，功耗越低。
[0036]紅外接收裝置的電路如圖4所示，紅外接收裝置包括電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、紅外接收管I1、電容C4、三極管Q5、三極管Q6、可調(diào)電阻W2、可調(diào)電阻W3和單刀雙擲開關(guān)。紅外接收管II的負(fù)極通過電阻R8與3.3V?5V電源連接，紅外接收管II的負(fù)極還與電容C4的正極連接，紅外接收管II的正極接地，電容C4的負(fù)極與三極管Q5的基極連接，電容C4的負(fù)極還通過電阻R9與3.3V?5V電源連接，三極管Q5的發(fā)射極接地，三極管Q5的集電極與單刀雙擲開關(guān)的主樁L連接,單刀雙擲開關(guān)的一子樁LI與可調(diào)電阻W2的一端連接，可調(diào)電阻W2的另一端通過電阻RlO與3.3V?5V電源連接，單刀雙擲開關(guān)的另一子樁L2與可調(diào)電阻W3的一端連接，可調(diào)電阻W3的另一端通過電阻Rll與
3.3V?5V電源連接，三極管Q5的集電極還通過電阻Rl2與三極管Q6的基極連接，三極管Q6的集電極通過電阻R13與3.3V?5V電源連接，三極管Q5的發(fā)射極接地，最終信號從三極管Q6的集電極輸出。
[0037]本實施例中，紅外接收裝置中的紅外接收管II由紅外線接收二極管D41和紅外線接收二極管D42組成，紅外線接收二極管D41的負(fù)極與電容C4的正極連接，紅外線接收二極管D41的負(fù)極還通過電阻R8與3.3V?5V電源連接，紅外線接收二極管D41的正極與紅外線接收二極管D42的負(fù)極連接，紅外線接收二極管D42的正極接地。
[0038]紅外接收裝置采用的基本原理是共射級放大電路原理，電路具有相當(dāng)高的？？值，為150-300之間，具體根據(jù)管子型號而定。放大管子采用開關(guān)管(即三極管Q5)，精度更高，系統(tǒng)功耗更低。同時接收信號采用2個紅外線接收二極管(D41和D42)串聯(lián)，接收效果更好，傳輸距離更遠(yuǎn)，接收到的信號更強。
[0039]紅外線接收二極管D41和D42接收到的信號通Iuf的電容C4耦合到第一個三極管Q5的基極，同時加入Iuf的電容C4也使電路有很好的抗干擾能力。直流穩(wěn)壓3.3V?5V電源通過電阻Rll給三極管Q5的發(fā)射極提供正向偏壓，并產(chǎn)生基極直流電流。同時為集電極提供反向偏壓，使三極管Q5工作在放大狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻W2，改變?nèi)龢O管Q6集電極輸出電壓，從而改變?nèi)龢O管Q5的基極偏置電壓，使三極管Q5導(dǎo)通并處于放大狀態(tài)，對信號進(jìn)行二級放大。
[0040]整個電路采用3.3V或者5V供電(根據(jù)CPU的最高電壓決定，輸入到CPU的信號最大電壓不能高于CPU的電壓)。電路供電電壓不易過高，傳輸距離遠(yuǎn)了，接收到的信號偏弱，開關(guān)管的Hfe (即共發(fā)射極低頻小信號輸出交流短路電流放大系數(shù))不夠，大電壓工作無意義，并且大電壓增加了系統(tǒng)功耗，還有可能損壞電路。
[0041]中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外接收管I接收紅外發(fā)射裝置中的紅外發(fā)射管I發(fā)射的信號，紅外接收裝置中的紅外接收管II接收中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外發(fā)射管II發(fā)射的信號。
[0042]采樣頻率與紅外光通信協(xié)議:
O:音頻信號AD采樣頻率計算
1924年奈奎斯特(Nyquist)推導(dǎo)出在理想低通信道的最高碼元傳輸速率的公式:C=B* log2 N ( bps )
在進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號中最高頻率fmax的2倍時(fs.max>=2fmax)，采樣之后的信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5?10倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理。
[0043]理想低通信道的最高碼元傳輸速率B=2W Baud (其中W是理想)理想信道的極限信息速率(信道容量)，在本系統(tǒng)方案中，AD采樣信號必須大于音頻最大頻率的兩倍6.SKHz0
[0044]2):通信協(xié)議的選定
為確保正確識別和接收音頻信號和溫度信號，可以采用同步傳輸協(xié)議進(jìn)行信號的調(diào)頻。
[0045]同步傳輸協(xié)議即發(fā)送和接收同步進(jìn)行。音頻采樣頻率為lOOKHz，STM32對采集到的音頻信號進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)一定的比例轉(zhuǎn)化成中心頻率為1MHz，偏移頻率為20KHz的脈沖波經(jīng)過紅外發(fā)送裝置發(fā)送出去；此時，紅外接收端接收到脈沖信號，根據(jù)脈沖頻率與實際信號的關(guān)系還原信號。
[0046]對于溫度信號，可以將溫度信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號加載在脈沖信號當(dāng)中。采樣頻率為ΙΟΟΚΗζ，載波頻率中心頻率為1MHz，偏移頻率為20KHz。在紅外光接收端，STM32F103ZE單片機捕獲脈沖頻率，通過DA輸出還原音頻信號。
[0047]同理，將脈沖信號解調(diào)后往液晶屏輸出溫度值。
[0048]系統(tǒng)軟件設(shè)計:
發(fā)射機程序中共有兩種模式:發(fā)送校準(zhǔn)模式，音頻傳輸模式；當(dāng)模式切換按鍵按下時，進(jìn)入校準(zhǔn)模式，單片機輸出IMHz的脈沖波，用于發(fā)射機與接收機之間的通訊校準(zhǔn)；當(dāng)切換模式按鍵未按下時，進(jìn)入音頻信號發(fā)送模式，單片機以IOOKHz頻率采樣，然后調(diào)制成中心頻率為1MHz，偏移頻率為20KHz的脈沖波。同時，定時20ms采集環(huán)境溫度。使用同步傳輸協(xié)議對音頻信號與溫度信號進(jìn)行調(diào)頻調(diào)制，進(jìn)而單片機輸出脈沖波。注意為了降低系統(tǒng)的功耗，脈沖波的占空比為10%以下，發(fā)射裝置程序流程圖如圖5所示。
[0049]接收機程序中，定時器定時200ms檢測接收信號是否異常，異常信號包括:溫度超出常溫、載波頻率波動較大等；當(dāng)信號異常時，點亮LED燈報警；另外，在PWM捕獲中斷中，根據(jù)同步傳輸協(xié)議解析信號，同時DA還原音頻信號以及顯示環(huán)境溫度。接收裝置程序流程圖如圖6所示。
[0050]測試方案與測試結(jié)果:
I)測試環(huán)境與儀器
環(huán)境溫度:29.55°
儀器:示波器；信號發(fā)生器；交流毫伏表；四位半數(shù)字萬用表；溫度計。
[0051]2)測試條件與內(nèi)容
測試信號傳輸距離；測試中繼5V單電源供電條件下的最小電流；測試對輸入信號為300-3400hz的選頻效果，波形有無失真；測試傳輸聲音信號時有無失真；測試靜噪效果；測試溫度傳輸誤差，數(shù)字信號與模擬信號同步傳輸。
[0052]3)測試結(jié)果
3.1)傳輸距離測試
直傳時，當(dāng)發(fā)射端輸入的信號為800Hz正弦單音信號時，超低功耗有效傳輸距離大于10米。不考慮功耗,整個系統(tǒng)最遠(yuǎn)距離傳輸可達(dá)30米。
[0053]10米時，把接收端輸出信號有效值幅值放大到2V時，置發(fā)射端為O輸入，測的接收端輸出信號有效值幅值大小為20mV，靜噪比為0.01，靜噪效果良好。
[0054]中轉(zhuǎn)之后，測得轉(zhuǎn)發(fā)的距離同樣可以達(dá)到10米。此時，靜噪比為0.012。靜噪效果同樣良好。
[0055]靜噪比為發(fā)送端無信號輸入和有信號輸入時，接收端輸出電壓大小之比。
[0056]3.2)對信號的選頻效果測試
10米傳輸距離情況下，經(jīng)測試，發(fā)送裝置輸入信號頻率范圍為300hz-3400hz時，接收裝置輸出信號無衰減，波形完美，通帶內(nèi)無起伏，上截至頻率為3500hz，下截至頻率為250hz，選頻效果良好。用示波器觀測波形，波形無明顯失真。
[0057]3.3)溫度傳輸測試
10米傳輸距離、加入中繼站、加載SOOhz單音信號的條件下測試溫度傳輸。家用溫度計顯示室溫29.55度時，發(fā)射裝置顯示溫度29.5度，發(fā)射裝置采集溫度正常。測試接收裝置溫度接收時，用手人為改變發(fā)射裝置溫度傳感器采集到的溫度，便于測試傳輸效果。
[0058]表2溫度傳輸數(shù)據(jù)
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)，其特征在于:包括紅外發(fā)射裝置、中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置和紅外接收裝置；所述紅外發(fā)射裝置包括功率電阻W1、電容、電阻R1、三極管Ql和紅外發(fā)射管I，所述功率電阻Wl的輸入端與12V電源連接，功率電阻Wl的輸出端與紅外發(fā)射管I的正極連接，所述電容的正極與12V電源連接，電容的負(fù)極接地，紅外發(fā)射管I的負(fù)極與三極管Ql的集電極連接，三極管Ql的發(fā)射極接地，所述三極管Ql的基極與電阻Rl的一端連接；所述中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置包括功率電阻W2、電容C2、電容C3、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、紅外接收管1、紅外發(fā)射管I1、可調(diào)電阻W1、三極管Q2、三極管Q3和三極管Q4 ;所述紅外接收管I的正極接地，紅外接收管I的負(fù)極連接電容C2的正極，所述電容C2的負(fù)極與三極管Q4的基極連接，所述三極管Q4的集電極通過電阻R5與三極管Q3的基極連接，三極管Q4的發(fā)射極接地，所述紅外接收管I的負(fù)極通過電阻R2與5V電源連接，所述電容C2的負(fù)極通過電阻R3與5V電源連接，所述三極管Q4的集電極與可調(diào)電阻Wl的一端連接，可調(diào)電阻Wl的另一端通過電阻R4與5V電源連接，所述三極管Q3的集電極通過電阻R6與5V電源連接，所述三極管Q3的發(fā)射極接地；所述三極管Q3的集電極還通過電阻R7與三極管Q2的基極連接，所述三極管Q2的發(fā)射極接地；所述功率電阻W2的輸入端與5V電源連接，所述功率電阻W2的輸出端與紅外發(fā)射管II的正極連接，所述紅外發(fā)射管II的負(fù)極與三極管Q2的集電極連接，所述電容C3的正極與5V電源連接，電容C3的負(fù)極接地；所述紅外接收裝置包括電阻R8、電阻R9、電阻RlO、電阻Rl 1、電阻Rl2、電阻Rl3、紅外接收管I1、電容C4、三極管Q5、三極管Q6、可調(diào)電阻W2、可調(diào)電阻W3和單刀雙擲開關(guān)；所述紅外接收管II的負(fù)極通過電阻R8與3.3V~5V電源連接，紅外接收管II的負(fù)極還與電容C4的正極連接，紅外接收管II的正極接地，電容C4的負(fù)極與三極管Q5的基極連接，電容C4的負(fù)極還通過電阻R9與3.3V~5V電源連接，所述三極管Q5的發(fā)射極接地，三極管Q5的集電極與單刀雙擲開關(guān)的主樁 L連接，所述單刀雙擲開關(guān)的一子樁LI與可調(diào)電阻W2的一端連接，可調(diào)電阻W2的另一端通過電阻RlO與3.3V~5V電源連接，所述單刀雙擲開關(guān)的另一子樁L2與可調(diào)電阻W3的一端連接，可調(diào)電阻W3的另一端通過電阻Rll與3.3V~5V電源連接，所述三極管Q5的集電極還通過電阻R12與三極管Q6的基極連接，所述三極管Q6的集電極通過電阻R13與3.3V~5V電源連接，所述三極管Q5的發(fā)射極接地；所述中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外接收管I接收紅外發(fā)射裝置中的紅外發(fā)射管I發(fā)射的信號，所述紅外接收裝置中的紅外接收管II接收中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外發(fā)射管II發(fā)射的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)，其特征在于:所述紅外發(fā)射裝置中的電容由電容CU、電容C12和電容C13組成，所述電容CU、電容C12和電容C13的正極與12V電源連接，所述電容CU、電容C12和電容C13的負(fù)極接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)，其特征在于:所述紅外發(fā)射裝置中的紅外發(fā)射管I由紅外線發(fā)射二極管D11、紅外線發(fā)射二極管D12和紅外線發(fā)射二極管D13組成；所述紅外線發(fā)射二極管D13的正極與功率電阻Wl的輸出端連接，所述紅外線發(fā)射二極管D13的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管D12的正極連接，所述紅外線發(fā)射二極管D12的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管Dll的正極連接，所述紅外線發(fā)射二極管Dll的負(fù)極與三極管Ql的集電極連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)，其特征在于:所述中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外接收管I由紅外線接收二極管D21和紅外線接收二極管D22組成，所述紅外線接收二極管D21的正極接地，所述紅外線接收二極管D21的負(fù)極與紅外線接收二極管D22的正極連接，所述紅外線接收二極管D22的負(fù)極與電容C2的正極連接，紅外線接收二極管D22的負(fù)極還通過電阻R2與5V電源連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)，其特征在于:所述中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的紅外發(fā)射管II由紅外線發(fā)射二極管D31、紅外線發(fā)射二極管D32和紅外線發(fā)射二極管D33組成，所述功率電阻W2的輸出端與紅外線發(fā)射二極管D33的正極連接，所述紅外線發(fā)射二極管D33的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管D32的正極連接，所述紅外線發(fā)射二極管D32的負(fù)極與紅外線發(fā)射二極管D31的正極連接，所述紅外線發(fā)射二極管D31的負(fù)極與三極管Q2的集電極連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗紅外光通信系統(tǒng)，其特征在于:所述紅外接收裝置中的紅外接收管II由紅外線接收二極管D41和紅外線接收二極管D42組成，所述紅外線接收二極管D41的負(fù)極與電容C4的正極連接，所述紅外線接收二極管D41的負(fù)極還通過電阻R8與3.3V~5V電源連接，所述紅外線接收二極管D41的正極與紅外線接收二極管D42的負(fù)極連接，所述紅外線接收二極管D42的正極接地。
【文檔編號】H04B10/29GK103595470SQ201310628584
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】楊奕, 李山, 楊川, 曾路榮, 彭遠(yuǎn)行, 劉雷, 丁寧, 周川云 申請人:重慶理工大學(xué)