魏广举 赵 冲 郭玉仙 吴晓霞 屈丹丹 王振红

1.北方工业大学；2.高级实验师

红外光调制模拟信号语音通信系统

红外语音通信系统原理框图如图1 所示。红外语音通信系统采用模拟通讯技术。语音信号采用Φ3.5mm 的音频插孔线路输入，经过前置音频放大电路放大后送入红外发射电路进行调制以及发射。中继转发装置接收到语音信号后改变传输方向，再次对信号进行调制和发射。最终由红外接收电路接收语音信号进行解调，然后送至音频放大电路对信号进行放大。最后经过功率放大电路对信号进行再次放大后，送入耳机或喇叭播放。

红外语音发射装置

红外语音发射装置电路图如图2 所示，由音频放大电路和红外发射电路组成。音频放大电路的作用是放大输入的语音信号，增大发射功率，红外发射电路的作用是调制并发射语音信号，使用红外发射管作为信号发射元件。红外语音通信系统采用模拟通信技术，调制方法为幅度调制，用语音信号的幅度控制作为载体的红外光的光强度大小。具体过程为：经放大的语音信号通过控制三极管基极电压的大小达到控制红外发射管电流的大小，从而达到控制发射管发出的红外光的光强度大小。

红外语音接收装置

红外语音接收装置电路图如图3 所示，由红外接收电路，音频放大电路和功率放大电路组成。

红外接收电路采用红外接收管作为信号接收元件。红外接收管是可将红外光信号转换为电信号的半导体器件，在反向电压作用下工作。接收头所接收的入射光线光强度越大，其产生的反向电流越大。由于接收的红外光信号的光强度不断在改变，产生的反向电流也随之改变，最终1k 负载电阻的两端电压也随之不断改变。这样就成功的把语音电信号从红外光信号中解调出来了，然后送入音频放大电路。

由于信号经过传输后会损耗掉大部分能量，所以解调出来的语音电信号十分微弱，需要经音频放大电路放大处理，放大倍数为10 倍可调。

信号经过音频放大器放大后，送入功率放大器进行再次放大。音频功率放大器使用芯片LM386。LM386 内置电压增益为20 倍，但在1 管脚和8 管脚之间增加外接电阻和电容便可实现电压增益可调。7 管脚接一个旁路电容可有效抑制噪声。电路采用LM386 典型应用放大电路，放大倍数20～200 倍可调。语音信号通过功率放大电路放大后，送入扬声器或耳机播放。

红外语音中继装置

红外语音中继装置电路图如图4 所示。红外语音中继装置由红外接收电路、音频放大电路和红外发射电路组成。红外接收电路接收到红外语音发射装置发射的语音信号，解调后送入音频放大电路进行放大，然后由红外发射电路再次发射。发射电路、音频放大电路和接收电路已经在前面做过介绍，这里就不再做陈述。通过改变红外发射电路和红外接收电路的相对位置实现信号传播方向的改变。

图1 红外语音通信系统原理框图

图2 红外语音发射装置电路图

图3 红外语音接收装置电路图

图4 红外语音中继装置电路图

红外光调制数字信号温度通信系统

红外温度通信装置的原理框图如图5 所示。此系统使用数字通信技术，系统核心控制模块是发射端和接收端的FPGA 控制模块。温度传感器在发射端采集实时温度并生成二进制数字温度信号，然后送入发射端FPGA 控制模块进行运算和编码调制。发射端FPGA 控制模块对温度传感器进行时序控制以及写控制字、接收数据等操作。此外，发射端FPGA 控制模块还对温度数据进行运算处理并控制温度显示模块显示实时温度。FPGA 控制模块调制好的温度信号送入红外发射电路进行发射。

中继转发装置可接收由发射装置发射的温度信号，然后改变通讯方向90°后再次发射温度信号，可延长通信距离2m。

接收端的红外接收电路可以接收温度信号，然后经过整形电路对温度信号的波形整形后送入接收端FPGA 控制模块。接收端FPGA 控制模块可以对温度信号进行编码解调，然后对解调出的温度信号进行分析、运算并控制温度显示模块进行显示。

红外温度发射电路

红外温度发射电路图如图6 所示。

红外温度发射电路所用的调制方式属于幅度调制，即利用温度信号的电压幅度控制作为载波的红外光光强。

具体调制过程为：当温度信号是高电平时，三极管A处于导通状态，B 点处为低电平，三极管C 处于截止状态，导致红外发射管D 基本无电流通过，发射的红外光光强极其微弱，基本为零。反过来，当温度信号为低电平时，三极管A 则处于截止状态，B 点电压为高电平，三极管C 处于导通状态，红外发射管D 电流强度增强，发射的红外光光强最强。所以，当温度信号为“1”时，红外发射管不发光；温度信号为“0”时，红外发射管发送红外光。

红外温度接收电路

图5 红外温度通信装置的原理框图

图6 红外温度发射电路图

图7 红外温度接收电路图

图8 红外温度中继转发电路图

红外温度接收电路图如图7 所示。从电路端口re 处得到接收到的温度信号给FPGA。具体解调过程如下：由于红外接收管必须在反向电压下工作，所以当红外接收管接收到红外光信号时，接收管处于导通状态，产生反向电流，A 点电压被拉低，经过两个反相器整形后，在B 点处得到一个低电平；而在发射端，恰好是温度信号为“0”时红外发射管才会发射红外光，所以发射信号的是“0”，接收的信号也是“0”，实现了解调的准确性。反过来当红外接收管没有接收到红外信号时，接收管处于截止状态，A 点电压为高电平，经过两个反相器整形后，在B 点得到一个高电平；而在发射端，恰好是温度信号为“1”时，红外发射管不发射红外光，所以发射信号的是“1”，接收的信号也是“1”，实现了解调的准确性。

红外温度中继转发电路

红外温度中继转发电路图如图8 所示。红外温度中继转发电路由一个红外温度接收电路、一个整形电路以及一个红外温度发射电路组成。由红外温度接收电路接收红外温度发射电路发射的温度信号，然后经过两个反相器进行整形，然后由红外温度发射电路进行再次发射。根据发射电路和接收电路的相对位置可改变通信方向90°。

温度显示模块

图9 温度显示模块

图10 传感器LM75A 电路图

温度显示模块采用四位八段数码管显示。由FPGA 控制模块控制哪一位数码管显示，以及显示的数字大小。温度显示模块如图9 所示。

温度传感器模块

在主控器FPGA 的控制下，由主控器FPGA 提供SCL 时钟信号，通过SDA 读出器件数据或将数据写入到器件中。

传感器LM75A 电路图如图10 所示。本设计中将A2，A1，A0 同时设置为接地，所以LM75A 的地址低三位为“000”。地址的高4位由LM75A内部预先设为“1001”，所以LM75A 的地址为“1001000”。上电后从温度寄存器temp 中读取温度数值，经过I2C 总线传入FPGA 中。

读取温度寄存器时首先是选中器件，LM75A 地址信号为“1001000”。等待器件应答一个SCL 周期后，接着从温度寄存器Temp 读取数据。由于温度数据是11 位数据，而从温度寄存器Temp 内读取的数据是16 位数据，所以，需要将十六位的数据的有效数据前十一位提取出即可得到有效的温度数据。需要注意的是，在实际编程应用中，一个SCL 周期为“010”。

FPGA 控制模块

发射端FPGA 控制模块内部结构如图11 所示。输入端CLK_IN 接24MHz 晶振电路；输出端SCL 接温度传感器电路SCL 管脚；双向输入输出端SDA 接温度传感器电路SDA 管脚；输出端b 接红外温度发射电路温度信号输入端；输出端PO[7..0]分别接

温度显示模块数码管管脚；输出端NE[3..0]分别接数码管共阴极。

图11 发射端FPGA 控制模块内部结构

图12 接收端FPGA 控制模块内部结构

TIME 模块主要功能是对温度传感器进行时序控制以及接受温度传感器检测的温度信号；MUL 模块是乘法器模块，只要功能是对温度数据进行运算；FEN500 模块为分频模块，主要功能是对外接时钟信号进行分频，得到合适的时钟信号；EMITTER 模块是发射模块，主要功能是对温度信号进行编码调制，然后送入红外温度发射电路；disp_9999 模块是温度显示模块，主要功能是对温度信号进行进一步运算处理，得到其十进制码，并控制数码管使其以十进制的方式显示。

接收端FPGA 控制模块内部结构如图12 所示。

输入端CLK24M 接外部时钟信号24MHz；输入端re 接红外温度接收电路re 端接收到的温度信号；输出端alarm 接报警指示灯；输出端PO[7..0]接温度显示模块数码管管脚；输出端NE[3..0]分别接数码管共阴极。RCV模块为接收模块，其主要功能为将接收到的温度信号进行编码解调。

总结

本设计完成了预期的设计任务，实现了下列功能：

1）使用红外发光管和红外光接收管作为收发器件，设计了一套基于FPGA 的红外通信系统；其中包括一套红外语音通信装置，一套红外温度通信装置。

2）红外语音通信装置实现了语音的无线定向传输，语音信号传输距离为2m，语音信号无明显失真。

3）设立了语音中继转发节点，可以改变通信方向90°，并延长通信距离1m～2m。

4）红外温度通信装置实现了以FPGA 为控制核心的专用温度采集和无线发射和接收的VHDL 设计；数字温度采集芯片的精度为0.125℃。

5）设立了红外温度中继转发节点，可以改变通信方向90°，并延长红外温度通信距离2m。