基于白光通信系统的设计与实现电子信息工程

基于白光通信系统的设计与实现电子信息工程内容摘要：

必须有足够的耐冲击性，这就要求电源设计时留有充分的余量。 电 平设计指的是直流电压幅度和电源在最不利（满载）情况下的纹波电压峰峰值设计。 这两项指标都关系到单片机系统能否实现正常运行。 因此，必须按系统中对电平要求最高的器件条件进行设计。 各种形式的干扰一般都是以脉冲的形式进入单片机的，干扰窜入单片机系统的渠道主要有 3 条途径：空间干扰（场干扰），通过电磁波辐射窜入系统；过程通道干扰，通过与主机相连的前向通道、后向通道及其它与主机相互连接的通道进入；供电系统干扰，通过供电线路窜入。 对于上述 3 种干扰必须采用行之有效的措施和具体电路加以消除，确保单片机系统正常运行和工作。 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 7 第三 章 硬件电路设计 系统 主控电路 模块 STM32F103 基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM CortexM3 内核。 本次设计发射接收部分均专门设计了以 STM32F103RCT6 为主控的系统板，发射接收的系统板相同，其系统板把 STM32F103RCT6 芯片的 I/O 口用间距 引出 来 ，方便其灵活应用 ，具体 电路如图 所示。 BOOT060NRST7OSC_IN/PD05OSC_OUT/PD16PA0WKUP14PA115PA216PA317PA420PA521PA622PA723PA841PA942PA1043PA1144PA1245PA13/JTMS/SWDIO46PA14/JTCK/SWCLK49PA15/JTDI50PB026PB127PB2/BOOT128PB3/JTDO55PB4/JNTRST56PB557PB658PB759PB861PB962PB1029PB1130PB1233PB1334PB1435PB1536PC08PC19PC210PC311PC424PC525PC637PC738PC839PC940PC1051PC1152PC1253PC13TAMPERRTC2PC14OSC32_IN3PC15OSC32_OUT4PD254VBAT1VDD_132VDD_248VDD_364VDD_419VDDA13VSS_131VSS_247VSS_363VSS_418VSSA12U2STM32F103RBT6X18Mkey1KeyPB0PB1BOOT1PB5PB6PB7PB8PB9PB10PB11PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC8PC9PC10PC11PC12PC13PA0PA1PA4PA5PA6PA7PA8PA9PA10PA11PA12BOOT0NRSTVBATPD2OST_INOST_OUTGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGND10mHI210mHI3GNDJTCKJTDIJTMSJNTRSTJTDOR310kC1010ufC720pFC820pFC91ufC11104C1210uFC5104C6104C18104++++++USART2_TXUSART2_RXSPI2_SCKSPI2_MOSIFSO+D/CCS1CS2GNDX2C16 104C17 104C13105C14105C15105JTCKJNTRSTJTDIJTMS1 23 45 67 89 10JTAGJTDOGNDNRST+PA4PA5PA6PA7PB5PB6PB7PB8PB9PC10PC11PC1212345678910P2PC0PC1PC2PC3PA0PA1PD2123456789101112P3PA8PA9PA10PA11PA12PC8PC9PB10PB11PB0PB1+5V12345678P1PC4PC5+PC13VBATGND12345678910P4+GND 图 系统电路原理图 系统 电源模块 根据系统供电电源 的要求，发射 部分和接收部分只 需要设计 +5V 和 + 供电电源，且要求电源 输出 的纹波应尽量的小，以减少对输出信号的干扰 和系统工作的稳定性。 本电源 输入端接 220V 交流供电，经变压器降压后 采用桥式 对其全波整流、 电容滤波、三端 线性 稳压器件稳压的方法产生 +5V 和 + 直流电压，固定输出的三端稳压芯片 为LM7805 和。 稳压管的输出 后 通过电容 滤波， 数字部分与模拟部分 的电源 用电感隔离，这样就可以得到纹波系数很小的直流电压，具体 电路如图。 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 8 IN1G2OUT3U1K78051000uF/35VC1GNDC3100uFC4VCC+5V~1~2+45U2DB107220V_AC2D2LEDGND121Header2122Header2220V_B1 2D1M7C5104/630R130k123 456K110mHI1GND GND GND GNDGND123U3LM1117C610ufC710ufC8104C9104+T1TRANS1保险丝VCC+5V 图 系统 稳压 电源 电路 信号采集模块 语音信号调理模块 语音 信号前级处理主要是对语音信号进行放大，是其适合在 STM32F103RCT6 的 AD输入电压范围 0～ 之间，电路原理图如图 所示。 8412+3NE5532AGND12P1音频输入10KR9GND10KR130KR14GND10uFC101uFC310uHI1GND10KR2R10100GND音频 1CS1 图 语音信号调理电路 根据 NE5532 的理论参数，可求出运放电路的各项交流参数。 理论计算如下： 1）输入电阻 iR ∞ （ 31） 2）输出电阻 100OR （ 32） 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 9 3）电压增益 3RR 914 VA （ 33） （ 4） 输出电压 re fire fiv VVVA V*3V o  （ V） （ 34） * 21 2  RR RV ref V （ 35） 由以上分析可知， 给输出电压加上了直流电压 ，正好是 STM32F103 的 ADC转换 器所能接收范围的中心 ，运放的电压增益为 3，这样使其 正好适合 ADC 采集的范围，使其更精确的采集到 语音信号。 温度传感器模块 STM32F103 通过 I2C可直接读取 TMP275 温度传感器的数值，其 电路如图 所示，R20 和 R21 为 I2C 总线的上拉电阻 ， 其硬件地址 210 AAA 3 位均 设置 为 0。 R2110KSDA1SCL2ALERT3GND4A25A16A07V+8U3TMP275R2010KSDASCLC22104DGND1 图 TMP275温度传感器电路 发射 接收 电路模块 发射驱动模块 发射驱动电路 是 直接从 STM32F103 的 IO 口输出信号， 然后用 NPN 型 三极管 来 驱动LED 灯，其发射驱动电路如图 所示，其中 R5电位器可调节其 LED 灯的亮度，相当于调节发射功率。 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 10 Q18050R19VCCC5104C110uF150ΩR5D1LEDTXDGNDDGND 图 LED 发射驱动电路 光电接收模块 为了能接收到更多光信号，采用两个 BPW34 光电接收管并 联。 具体点路如图 所示，电位器 R20 可调节光电接受管导通是的压降。 感应到的光信号首先经 NE5532 运放电路反向放大 680 倍， 再 通过 LM393 比较电路，可整形出更好的波形给 STM32F103 读取，图中 R29 可调节与放大后光信号比较的电压， R23 可调节输给单片机波形的最大幅值的大小。 CS132184U5ALM393GND GNDC24104C2510uFGNDR262KVCCR221KR29203C27104VCCR1910KRXI310uHGNDD3BPW34C26103R211KR18680K503R20C2310uHI2C22VCCVCCGNDGNDGNDGNDC28104VCCD4BPW34R2839KR2739KVCC+32184U4ANE5532R23203GND 图 光信号接收电路 人机接口 显示 模块 本系统以单色 OLED 显示屏（ 128 64）点阵构成人机接口的硬件基础。 LCD 都需要背光，而 OLED 不需要，因为它是自发光的，另外， OLED 的功耗比 LCD 低得多，相同显示面积的功耗仅相当于 LCD 的 1/3。 其具有低功耗、无需背光、高对比度、内置驱动芯片等优点，系统的人机交互界面友好，液晶接口电路如图。 通信中使用了如下几条信号线： 1） CS： OLED 片选信号； 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 11 2） FSO（ RES）：硬件复位 OLED（电平翻转触发）； 3） DC：命令 /数据标志位（ 0命 令， 1数据）； 4） SCLK：串行时钟线； 5） MOSI：串行数据线。 +GNDD/CCS1FSOCS2SPI2_SCKSPI2_MOSI12345678OLED 图 液晶接口电路 语音信号输出模块 语音信号经 STM32F103 的 DA 输出，为了滤除噪声减小干扰，由于语音信号的频率是在 300Hz 和 3400 Hz之间，所以需要采用带通滤波器。 无源滤波器要求有电感元件，体积庞大。 有源的运算放大滤波器用阻容元件，体积小，有大量的现成表格可供设计时查阅。 由于该带通滤波器的上、下限频率之比 3400/300=2(一个倍频程 )，为宽带滤波器，故宜采用一低通滤波器和一高通滤波器级联而 成。 选择带通滤波器滤出 300Hz～3400Hz 语音信号频率范围的信号，可有效地抑制噪声。 本系统采用巴特沃斯滤波器，带通滤波器由两阶低通滤波器级联两阶高通滤波器构成，采用专用滤波器设计软件 Filter Solutions ，按其参数对其设计，带通滤波电路如图 所示。 带通滤波器根据品质因数 Q 的大小，分为窄带带通滤波器（ Q10）和宽带滤波器（ Q10）两种，本系统中的上限频率 KHzf  ，下限频率 Hzf 300L  ，同频带中心频率 Of 与品质因数 Q 分别为 HzHzfff LH 1 0 1 03 0 03 4 0 0O  （ 36） )3003400( 1010  HzHzff fBWfQ LH OO （ 37） 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 12。