引言

自20世紀80年代以來，無線通訊技術(shù)取得了飛速發(fā)展，它不受時空限制，能采取靈活多樣的方式，確保語音、數(shù)據(jù)和圖像的綜合傳輸暢通無阻，具有無需架設(shè)復(fù)雜的傳輸線路和通信地點靈活的特點。其中，藍牙技術(shù)是一種新興的近距無線傳輸技術(shù)，但藍牙技術(shù)的最大障礙是過于昂貴，抗干擾能力弱、通信距離短、存在信息安全問題，使其用戶群數(shù)量受到限制。同時大范圍測試與研發(fā)成本過高，不利于藍牙通訊技術(shù)的大規(guī)模研發(fā)與廣泛應(yīng)用。

紅外通信以紅外光作為載體傳送數(shù)據(jù)信息，無需申請頻率的使用權(quán)，因此，紅外通信使用方便，且具有體積小、功耗低、價格便宜、連接方便等特點。根據(jù)光的獨立性傳播原理，紅外通信之間無相互干擾，且不怕散射電磁波干擾。此外，紅外線發(fā)射角度較小，傳輸安全性高，對其他電子設(shè)備無干擾，而且適用于需要電氣隔離和抗干擾的場合。

1、硬件電路設(shè)計

紅外光通信裝置包括語音發(fā)送模塊、中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點模塊和語音接收模塊（見圖1）。其中語音發(fā)送模塊測試單元，主要實現(xiàn)語音信號的壓縮、編碼、調(diào)制和發(fā)送功能;中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點測試單元，主要實現(xiàn)載波紅外信號的轉(zhuǎn)發(fā)功能;語音接收模塊測試單元，完成語音信號的接收，并解調(diào)后由耳機播放的功能。

圖1 ?系統(tǒng)硬件框圖

1．1、紅外通訊模塊設(shè)計

紅外通訊模塊電路如圖2所示。紅外通信發(fā)射模塊采用紅外發(fā)射管，由74HC00芯片及外圍電路進行驅(qū)動，紅外發(fā)射管的載波發(fā)射信號頻率為38kHz，因此，由74HC00對處理器產(chǎn)生的38kHz載波信號和所要發(fā)射的語音信號進行與操作，完成載波發(fā)送。紅外通信接收模塊由接收器件CHQ1838和電壓比較器LM339組成，將接收到的語音信號輸入到STM32處理器中進行數(shù)字濾波和數(shù)模轉(zhuǎn)換處理。

圖2 ?無線模塊原理圖

1．2、中繼節(jié)點模塊設(shè)計

中繼節(jié)點模塊由MSP430處理器、三極管和紅外發(fā)射和接收管組成，其作用是將波長950nm近紅外線作為信息載體，把傳輸信號旋轉(zhuǎn)一定角度后發(fā)送出去（見圖3）。首先中繼節(jié)點的紅外接收管接收38kHz的傳輸信號;然后傳輸給MSP430單片機;最后單片機將此輸出信號輸出給兩級三極管進行放大，驅(qū)動紅外發(fā)射管完成發(fā)射，紅外發(fā)射管與接收管之間的角度就是信號轉(zhuǎn)過的角度。

圖3 ?中繼站發(fā)射接收模塊原理圖

1．3、耳機驅(qū)動模塊設(shè)計

集成塊TDA2822是一款雙聲道音頻功率放大電路（見圖4）。立體聲功放電路中Ｒ1、Ｒ2是輸入偏置電阻，C1、C2是負反饋端的接地電容，C3、C5是輸出耦合電容，Ｒ4、C6和C8是高次諧波抑制電路，用于防止電路振蕩。

圖4 ?耳機驅(qū)動電路原理圖

1．4、STM32處理器設(shè)計

紅外光通信裝置中選用STM32F103VET6作為處理器，圖5為STM32原理圖。芯片集成64kByte片內(nèi)SＲAM（StaticＲAM），512kByte片內(nèi)Flash，具備1個JTAG（JointTestActionGroup）調(diào)試接口、1個電源LED（Light-EmittingDiode）、1個狀態(tài)LED，還包括ＲS-232接口、USB2．0SLAVE接口、MicroSD卡插座以及后備電池座。語音編碼通過處理器并結(jié)合Speex算法完成，由該芯片內(nèi)部集成的A/D和D/A模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生38kHz的載波信號，最終完成語音信號的紅外通信。

圖5 ?STM32原理圖

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計

由系統(tǒng)軟件實現(xiàn)語音信號的編碼、解碼、數(shù)字濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，發(fā)射端系統(tǒng)軟件主要包括語音信號采集和A/D轉(zhuǎn)換，語音信號發(fā)送編碼和發(fā)送控制。其中A/D轉(zhuǎn)換部分由內(nèi)部集成A/D模塊完成，編碼和發(fā)送控制由編程實現(xiàn)，每次接收4000個數(shù)據(jù)，以600Byte/s的速率發(fā)送信號，以解決紅外通信中所載信號量受限問題，實現(xiàn)信號的穩(wěn)定傳輸。

接收端軟件主要包括語音信號接收存儲、數(shù)字濾波和D/A轉(zhuǎn)換。其中存儲部分運用處理器內(nèi)部的Flash完成，數(shù)字濾波和D/A轉(zhuǎn)換通過軟件設(shè)定參數(shù)完成調(diào)試。主要程序流程如圖6所示。

圖6 ?系統(tǒng)軟件流程圖

3、系統(tǒng)測試

系統(tǒng)整體測試方案是用示波器測量系統(tǒng)無輸入時輸出端噪聲電壓，語音信號用信號發(fā)生器模擬測量傳輸頻率范圍，最后測量信號穩(wěn)定傳輸情況下的最大通信距離。

在系統(tǒng)的各個模塊測試完成后進行整體測試。首先將信號發(fā)生器產(chǎn)生的1kHz方波作為模擬語音信號加載到處理器產(chǎn)生的38kHz載波信號上。紅外管連續(xù)發(fā)送一個字節(jié)，觀察接收波形，分析得知，單字節(jié)數(shù)據(jù)接收正常，發(fā)射接收之間仍存在微小延時。然后紅外管連續(xù)發(fā)送一個數(shù)組，觀察接收波形。分析得知，連續(xù)存儲區(qū)數(shù)據(jù)收發(fā)正常。系統(tǒng)測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測試圖

對系統(tǒng)整體測試數(shù)據(jù)進行分析，該系統(tǒng)能實現(xiàn)8m通信距離內(nèi)穩(wěn)定傳輸并可通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點延長通信距離，能實現(xiàn)微弱信號的傳輸，對通信系統(tǒng)的發(fā)展有著積極的意義。系統(tǒng)參數(shù)測試結(jié)果如表1所示。

表1系統(tǒng)各項參數(shù)測試表

4、結(jié)語

筆者給出了基于STM32的嵌入式語音識別模塊的紅外光通信裝置的設(shè)計，對每個組成單元的硬件電路及軟件實現(xiàn)進行了詳細研究。多次實際測試表明：接收裝置輸出噪聲電壓小于0．1V，中繼轉(zhuǎn)發(fā)站可將傳輸方向改變?nèi)我饨嵌龋Z音信號安全、穩(wěn)定傳輸距離為8m。該設(shè)計的紅外光通信裝置具有穩(wěn)定性好、語音識別率高、抗噪聲干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單和使用方便等特點。此外，基于STM32的紅外光通信裝置性能穩(wěn)定，信息傳輸高效、安全、成本低，對無線通信技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展起著積極的推動作用，并對新產(chǎn)品的誕生具有重要意義。