毕业设计

摘要

随着科技的发展，无线通信系统得到了越来越广泛的应用。与射频无线通信系统相比，红外无线通信系统无需频率申请，并且其反侦听特性能够为通信系统提供良好的安全性。但是，红外通信发射器件的功率限制了其应用范围，过短的通信距离一直是制约红外通信系统发展的瓶颈。课题围绕提高红外通信系统通信距离的研究，提出了将红外激光发生器应用到红外通信平台中的设计思路，着重论述了物理层红外激光通信系统硬件平台的搭建，基于ARM7系统的底层驱动程序的开发和应用层系统支持程序的设计，并整合蓝牙Wifi通信技术，设计并实现了远距离红外激光无线通信系统。首先，本文依据设计思路制定出系统的整体设计方案，并进行了可行性理论计算。针对激光器工作时产生的瞬间强电流，独立设计完成了频率可调，占空比可调的直流脉冲调制电路，采用大电流对管的信号键控电路和能够产生最大1．5A电流的主板支持路。对PCB布局、布线进行优化设计，保证系统的稳定性。其次，在系统软件开发方面，优化设计并编写了ARM底层驱动程序，利用中断实现对系统的控制；针对PDA抗干扰能力差的特点，设计了自定义的UDP通信协议，保证系统通信的正确性。最后，通过对关键模块和系统整体等规范测试，验证该系统可以有效的进行远距离的数据传输，传输距离可以达到loom左右，系统工作稳定，抗干扰性强。远距离红外激光通信系统的设计与实现是一次对于研究和探索远距离红外传输的有益尝试，开发出的原型系统具有一定市场前景。

关键词：红外激光无线通信ARM蓝牙wifi ABSTRACT

Along with the deVelopment of technology，wireless communication system getswidely used．Comparing to the RF system，IR system has following advantages：IRdoes not need to apply for me仔equency；it can provide securi够communicationbecause of its锄tilistening charateristic．But Iimited by the power of lR transmiter，IRwire】ess system couJd only be used in t11e room or other small area． Shortcommunicating distance is the bottleneck of the IR communication svstem，sdeVelopment．Tb improVe the communicating distance of IR system，the author propose ascheme that apply IR Laser Diode in the IR system．The dissertation puts emphasis onthe hard、Vare platfornl buiJding of IR Laser Wireless Communication System on thephysical 1ayer，driVer progr锄ming base on AjRM7，supporting program designing onthe applicating layer，and design Long Distance IR Laser Wireless

CommunicationSystem combinded with B luetooth，Wifi technololgy．First，the dissertation fo啪uIates the general blue—print and computing

themaximum communjcating distance in theoⅨTo ad印t the ins协t strong cun℃nt in LDworking， designing the modulating waVe generation circuit which could adj uSt仔equency and dut)，factor；designing the signal control circuit with dynatron whichcould resist曲rong cullrent；designing ARM master board、vhich could generate 1．5Acurrent；and designing the PCB

to make the system work stabIy．Second，in syStem sofhVare designing，ca州ng out the e历cient AR M driversprogramming t0 control the system with the intem】pts；due to PDA device could noresiSt the st]rong enVironment RF disturbance，designing a custom protocol to provideaccurate communication．Finally， in order to confi咖system perf．onnance，carring out plenty of test，incJuding key module test and System test．The system achieves l 00m in test，andworl(stable．The research in the dissertation is a good a慨mpt for IR transmission theory．Thedesign for the IR system also has it market prospect．

KEY WoRDS： IR Laser WireJess Communication ARM Bluetooth Wifi

第一章绪论

1．1选题背景和意义

红外光又称红外辐射或红外线。自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度就存在分子和原子无规则的运动，其表面就会不断地辐射红外线，温度越高辐射红外线的强度也越大。自从1 800年英国天文学家F．w．Ierschel发现红外辐射至今，红外技术发展经历了两个多世纪。从那时起，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展速度比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代红外技术。作为红外技术主要应用，红外通信技术由来已久，它是以红外线为载体，利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。红外无线通信采用光传输及无线工作机制，一般由红外发射和红外接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源调制后发射，接收系统通过光电转换器件接收，对信号进行放大、检波、解调、整形等后输出。红外通信按链接方式可以分为定向可视链接方式和非定向可视链接方式。其中非定向可视链接通信通过发射机发出大发散角光束，并扩大接收机的接收视野，使得接发两端不需要严格对准便可进行通信，由于信号在传输过程中需要经过墙壁或天花板的反射，所以此种链接方式通常应用于室内通信。定向可视链接在实际中应用较多，例如各种电器的遥控器等。而且，它也是红外数据协会(IrDA)选用的用于非中心对等网络的链接方式，但是由于其常用于短距离低速率通信，限制了其进一步发展。在红外技术的发展中，60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，激光的相干性使其便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。近几年，激光通信一直是光通信领域的研究热点，但是，激光通信系统通常需要大功率激光辐射源(C02激光器，He2Ne激光器等)和大规模的资金支持，所以通常用于军事领域和公共设施。本文设计的红外激光无线通信系统结合了红外通信和激光通信的特点。克服了传统红外通信定向传输距离短的弱点：使用了更为常见的红外波段的半导体激光器作为载波光源发生器，节约了成本，有助于军品向民品的转化；综合应用了蓝牙，wifi等多种无线通信方式，提高了本系统应用的灵活性。并且，在理论方面，本文对于红外激光通信的领域的研究也有一定的借鉴意义。

1．2国内外研究现状

随着红外技术的不断发展，红外通信系统以其体积小，功耗低，功能强，成本低等特点，而成为目前广泛使用的一种通信方式，同时也广泛应用于各种家用电器

产品、金融和商业设施中。此外，在有高压、辐射、有毒气体和粉尘等环境下的工业设备中，红外通信系统也以其可靠和隔离电气干扰等特性而深受设计者 的喜爱‘¨。近几年，随着智能化设备原来越普及，红外通信技术因其抗干扰性能突出，从而被广泛的应用到针对智能机器人，智能电器，智能家居的设计方案中。中南大学机器人研究所从1998年初开始跟踪国外智能机电人工腿的研究，智能人工腿系统分为手持遥控器和CIP—I Leg直流伺服电机控制系统两部分，它们之间除采用有线通信方式之外，也采用无线通信方式实现交互，红外通信就是最常用的近距离无线通信方式之一，采用红外通信的优点是低成本、高速率且低功耗，因此也就成为设计手持遥控器的的首选【2】。除此之外，在基于单片机的智能家居设计中，红外通信作为单片机之间的通信手段与电信市话通信手段结合，实现了对家居异常情况(盗窃，火警，燃气泄漏，漏水等)电话远程报警、远程遥控功能pJ。在互联网越来越普及的今天，人们在感受互联网带来的方便同时，也深深的体会到(RF)无线射频通信所带来的信号干扰问题，由于802．11b儋协议，Bluetooth协议等无线传输协议共用2．4GHz频段，因而当多个无线射频设备同时进行通信时很容易有互相干扰现象的发生。这种现象的出现催生了一个新的研究领域的诞生一基于红外光的室内无线通信系统的研究。相比无线电通信，光通信具有与生俱来的优势，可以灵活定义通信频率，具有高带宽高容量等等。世界上第一套室内无线光通信系统产生于1979年，是由美国IBM公司的F．R．GfelIer和U．H．Bapst主持研发的[41。该系统属于一种漫射式红外通信系统，使用的是950肿波长的红外光，通信距离可以达到50m，当采用PCM和FSK两种不同调制方式时，通信速率分别为125kbps和64kbps。但该系统仅仅局限于实验室内，并未投入商用。1998年，日本胜利公司(JVC)研发出一种商用室内无线红外通信系统一vIPSLAN．10【5】，成为第一个完全适于与以太网互联的无线红外局域网系统。2000年，Spectrix公司生产了一种商用系统【6】，可供1000m2覆盖范围内所有的用户同时互相通信使用。相比之下，国内在室内无线红外通信方面的研究起步比较晚。2005年，浙江工业大学利用室内漫反射的无线红外光作为信息载体，使用大面积PⅢ探测器和高灵敏度接收电路制作无线光接收器，实现10M传输速度的无线上网【71。尽管红外通信系统有许多优势，但其先天的不足也很明显，非定向可视连接需要借助墙壁等物体反射才可建立链接并通信，因而只能被用在室内无线光通信领域。定向可视连接由于其发射接收装置功率限制，不能被用于远距离的通信传输。随着20世纪60年代红外激光的出现，为解决室外红外通信的距离问题带来了希望。从上世纪70年代至今，针对激光通信领域研究从来没有停止过脚步，时至今日，激光通信已经成为无线通信界学术研究的热点问题。从70年代开始，针对特殊应用场合的早期的大气激光通信研究开始出现。然而，这期间的研究更多的只是涉及到航天航空与军事通信领域。如美国空军于1971年提出代号为405B的激光通信计划【引，其目标就是实现星际间的激光通信，从80年代中期到1994年间，美国空军支持麻省理工学院林肯实脸室建起的高速星际激光通信实验装置LITE(LaserIntersatell．te Transmission EXperiment)■是世界上首次采用外差式接收方式的激光通信实验系统，其目的是验证相干激光通信的可行性。该实验采用30mW半导体激光数8英寸口径的望远系统，通信距离为4公里。欧洲空间局从70年代起，对空间徽光通信的有关技术进行了有步骤、周密细致的研究。从1989年起开始实施半导体激光星际链路实验SILEX(Semiconductor

LaserIntersatellite Link Experiment)【lo】【1¨，并于1 994年通过SILEX设备的方案评审，1996年进行了子系统的性能测试。如今，美国、日本、德国等

国家已经推出一些大气激光通信系统产品，如美国Li曲tpointe，Te帆beam等公司的一系列大气激光通信产品，日本佳能的大气激光通信系统等【l 21。中国联通公司所使用的30套大气激光通信设备就是美国Li曲tpointe公司的产品，这些产品已经在国际和国内得到了推广和实际应用。2000年悉尼奥运会期间，美国Tembeam公司在水上中心于演播中心之间建立了一条8波道的无线激光链路，并始终保持畅通，效果良好I”J。相比国际上激光通信技术领先的国家，国内对于激光通信系统研究工作尚属起步阶段，2002年以前还没有无线激光通信技术的商业应用先例。2003年，中国科学院光电技术研究所成功研制开发出JTWS—l商业型无线激光通信机，其体积小， 重量轻(机体重量为3kg)，发射光功率为3mW～30mw，工作波长为850nm，传输距离为0～4km， 信噪比为20dB。该通信机安装简单，适用面广，包括不宜铺设光缆的地区以及不宜采用或限制使用无线电通信的地方、军事设施或其他要害部门，以及需要严格保密的场合11 4|。进入21世纪以后，国内各大科研机构加强了对激光通信领域的研究，但毕竟国内起步较晚，系统的稳定性和通信速率上与国际领先水平有一定的差距。相信随着国内无线光通信市场的形成与不断扩大，及研究的不断深入，国内的技术水平会迎头赶上国际领头羊。目前对于激光通信领域的研究主要集中在两方面，一方面是对于大气激光传输抗干扰性的研究，主要研究大气湍流等气候现象对激光传输的影响，另一方面的主要研究工作集中在利用体积更小，功率更高的激光器实现数据传输。本文所实现的红外激光通信系统，融合了红外通信和激光通信的优点，在分析了红外激光通信系统可行性基础上，成功的利用半导体激光器实现了980nm波段的红外远距离传输，并整合了蓝牙，Wifi无线传输技术，以较低的成本实现了激光通信系统的研制，为激光通信系统进一步普及作出了贡献。

1．3设计内容及论文结构

本课题主要设计如何提高红外通信系统的通信距离以及实现全无线模式下的红外通信，为解决上述问题，本文将半导体激光器应用到无线通信平台上，整合多种通信技术，设计并实现了远距离红外激光通信系统。 激光器的工作原理决定了激光驱动电路的强电流特性，因此强电流环境下的通信系统电路设计与实现是课题研究的关键环节，在验证了可行性的基础上，本文设计了频率可调，占空比可调的红外激光通信驱动电路，并针对系统中强电流的干扰进行了一系列的优化设计工作。相比较传统的红外通信驱动电路，该电路驱动能力更强，可以很好的驱动红外激光器工作并且能保持很高的稳定性。为了在系统中整合红外，蓝牙，Wifi无线通信技术，实现全无线通信。本文进行电路设计时，在主板上为各种外围设备设计了相应的接口。在此基础上开发了基于ARM的红外，蓝牙驱动程序，针对室外Wi行信号干扰强的特点，设计了自定义的UDP通信协议，提高了数据传输的正确性。最终设计的原型系统通过规范测试可以实现远距离红外通信，通信距离在100m左右。

本文按照通信系统开发过程进行展开并划分章节，全文分为八章，本人设计主要集中在第三章～第七章，具体的章节安排如下：

第一章绪论。介绍了系统开发的背景，研究现状及意义

第二章红外激光通信系统技术综述。主要介绍了红外激光系统的通信原理，设计PCB和ARM驱动程序的一般原则，以及蓝牙，wifi等无线通讯技术在本系统中的应用。

第三章系统总体设计方案及理论可行性分析。详细叙述了系统总体方案的设计和

基于该方案的理论可行性研究，主要工作集中在确定激光发生器，红外接收模块参数值是否可以达到方案中距离的要求。

第四章系统硬件平台的设计与实现。该章是本文的重点章节，在本章中，分模块介绍了整个红外通信系统硬件平台的设计和开发过程。在硬件平台的设计中，又以红外调制解调模块的设计作为整个系统设计的中心环节。 第五章系统驱动程序的开发。驱动程序的开发工作是基于ARM7平台上进行的，选用的三星公司生产的S3C4480x芯片。在本章中对系统驱动程序的总体设计，分模块实现都进行了详细的叙述。

第六章系统应用层通信程序的开发。应用层通信程序是基于WⅢCE平台开发，运行在PDA上的程序。本章主要着重介绍自定义的UDP协议设计和实现过程。 第七章系统性能测试。本章主要介绍对系统的测试过程，包括关键模块一红外调制解调模块的测试和系统整体测试两部分。

第二章红外激光通信系统设计

2．1红外激光通信

红外激光通信实质就是将需要发送的信息利用激光作为传输介质传输到接收端，实现这种传输的关键技术在于对待发送信号的调制。调制就是把信号叠加到载波上。调制电路是一种电光转换电路，它使输出光束的某个参数(强度、频率、相位、偏振等)随电信号变化，完成光的调制过程。对于常见的激光器，目前主要的调制方式有两种：外调制与内调制。外调制是指激光形成之后．聚焦在调制器上，用调制信号改变调制器的物理性能，使通过调制器的激光束的光波的某个参量发生变化， 见图2—1。其优点是可以利用全部的光源功率输出， 通过调制器物质的电光或声光效应来实现对传输光波的调制。但是，外调制需要有专门的光调制器，而外部调制器将引入很大的耦合损耗，调制深度也有所限制，并且对于调制驱动要求较高Il川。图2．1外调制示意图内调制是信号对光源本身直接调制， 以调制信号改变激光器的振荡参数，通过偏置电流的变化改变激光管腔长，从而改变激光器输出特性以实现调制，加载信号是在激光振荡过程中进行的，见图2．2。目前，内调制主要用在光通信的注入式半导体激光源中。多数光通信系统的光源基本上都选用这类半导体激光器， 采用最简单的直接调制方式。这使得整个调制装置变得简单、可靠。图2．2内调制示意图相比之下，内调制虽然增加了调制电路的设计难度，但由于不需要另外购买专门的外部光调制器，所以本系统采用内调制作为激光的调制方式。一般地，通信系统中常用的为编码脉冲信号，但编码脉冲信号的频率较低，不能够以较大的红外发射功率发射，也不利于接收端的放大及抑制。因此，必须对编码脉冲信号进行调制【1刀。所谓红外脉冲信号的调制，就是利用低频脉冲信号调控高频编码脉信号，使高频脉冲信号的幅度或宽度随低频信号的变化而变化形成调制波。而最终由红外激光器发射出的信号就是经调制后的红外激光信号。对于红外激光通信系统，发送的是ARM系统的UART传送的数字信号，是具有“0”和“l”两种电平的脉冲。对于这类的脉冲信号，可采用一种特殊的调制方式—键控调制，使脉冲信号的幅度随调制信号键值的变化而变化。图2．3是键控调制的示意图。从图中可以看出，载波脉冲信号的频率要远远大于调制脉冲信号的频率，一般要相差几十倍～几百倍。图2．3键控调制的示意图当调制信号脉冲为高电平时“l”时，调制波信号有输出；当调制信号脉冲为低电平“0”时，调制波信号无输出。因此，调制波信号是断续的高频信号，调制解调电路设计的主要问题就转化为载波生成电路的设计和信号键控电路

两部分。键控调制的关键在于准确的载波频率，但是在实际应用中，往往由于电阻电容本身的电气误差，不能准确生成所需频率的载波¨8|，因此本文设计的可调频率的红外调制解调模块，对解决该问题有一定的借鉴意义。

2．2激光传输衰减分析

激光无线通信是利用激光束作为载波在空间直接进行信息传送。激光光源是无线通信的主体部分，光源的光谱波段、发散角、发射能量等性能指标直接影响着通信的质量。因此选择合适的激光光源是无线通信得以实现的保证。 2．2．1背景光对激光传输的干扰分析 与光纤通信不同，背景光噪声是影响无线激光通信系统性能的重要因素。尤其在强光影响下，背景光电流引起的噪声使接收机灵敏度降低，并引起探测器的饱和。在无线光通信系统中，太阳是主要的背景光干扰源，因此在系统实际应用中应考虑太阳光辐射的影响。太阳光在大气层外的辐照度为1340W／m2，由于部分波长的光衰减，到达地面处时其值在晴朗天气下变成1000 W，m2。超过90％的光是直射到地面的，这时背景光功率非常高，而在非直射情况下，其强度将大大降低。太阳辐照度光谱主要集中在400～750nm的可见光范围内，峰值在500 nm左右。对于目前常用的激光器波段，太阳光在800 nm处的辐射强度约为峰值的1／2，在1550nm处的辐射强度约为峰值的1／10，而在处于620～750 nm的红光波段太阳辐射强度约为峰值的3／5【2?。由此可见，处于于红外波段激光器(800nm～1550nm)相比红光波段的激光器(620～750 m)对太阳光有更好的抗干扰性，由于本系统工作场合以室外为主，所以没有选择红光波段的激光器，而是选择了抗干扰性更好的红外波段的激光器。

2．2．2大气对激光传输的衰减分析

地球表面的大气层，存在着多种气体以及各种微粒，如尘埃、烟、雾、小水滴等等。还可能要发生各种复杂的气象现象，如雨、雾、雪、风等。这些因素对光波有衰减作用，会使激光能量大大减小，或者使激光偏离原来的传输方向，破坏了激光原有的特性。这些影响主要来自以下两个方面：大气成分(各种分子和气溶胶)对光波的吸收和散射。大气对激光传输的衰减程度一般用透过率来度量，根据布格尔一朗伯定律，波长为九，光子强度为Io的光在大气中传输距离R后光子强度减弱为I，大气的透过率h可定义为：

T I

．一r t R

l

A=_=P～

』O

公式(2—1)

式中：y r波长为九的光在大气中总衰减系数，Y九=km+ka+o m+o。

k。。广大气分子吸收系数，l(a一气溶胶分子吸收系数，o一大气分子散射系数，

o一气溶胶散射系数，大气衰减的研究可归结为上述四个基本衰减参数的

确定。

一、大气分子对激光的吸收和散射分析

第二章红外激光通信系统技术研究与分析

光波在大气中传输时，大气分子(大气中的H20，C02，02分子等)在光波 电场的作用下发生极化，并以入射光的频率作受迫振动．光波为了克服大气分子 内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。所以吸收特征依赖于光波频率， 大气吸收使激光的功率衰减，但光束质量不发生改变。研究表明水分子对1300～

1400 nm波段的光表现出强吸收，另外其它大气分子对不同波长光束的吸收也具

有一定的选择性：对于有些波长的光波表现出强烈的吸收，光波几乎无法通过； 而对于某些区段(称为“大气窗口”)则呈现弱吸收。由图2—4可以直观的说明，大气

渡长娜

图2．4不同波长光波的大气透射特性曲线

O

分子对于不同波长的光波透射率呈现出阶段性，窗口状。依据前人的研究表明， 对于常用的红外激光波段。810～860 nm、980～1060 nm和1550～1600 nm波段 都是良好的大气窗口[2l】。大气激光通信采用的激光器的中心波长与谱线宽度必须 限制在大气窗口的范围内。吸收在大气衰减中处于次要位置，本系统进行设计时 选择了避开位于大气强吸收处的工作波长，可以忽略激光束传输过程中由于大气 分子吸收导致的功率损耗。

大气分子除了对激光具有吸收效应外，当激光通过大气时，光波的电磁场使 大气分子产生极化，形成振动的偶极子，从而发出次波。由于大气中总存在着密 度起伏，破坏了大气的光学均匀性，使次波的相干性遭到破坏，从而导致光在各 个方向上的散射。

分子散射又称Raylei曲散射，可以用Rayleigh模型描述。大气分子散射引 起的光信号能量衰减是确定信号畸变的主要原因。当光波在大气中传输时，大气 分子使光波的传播方向改变，导致光在各个方向的散射。因为大气分子的线度很

小p10’3岬)，在通信窗口，用于传输的激光波长远大于大气分子线度，根据散射

理论，此时的散射为Rayleigh散射。由Raylei曲散射定律，Rayleigh散射系数的 经验公式为：

9

第二章红外激光通信系统技术研究与分析

O．827×Ⅳ×彳3

‰=—■r一公式(2—2)

式中：“一Raylei曲散射系数；N一单位体积大气中的分子数；A一分子的散 射截面积；九一光波波长。

通过公式2．2，可以总结出分子的Raylei曲散射系数与波长的四次方成反比， 即波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。在短波可见光区域大气分子散 射对激光传输影响很大，在红外波段分子散射则小得多。因此，本系统所选择的 红外波段的激光器可以尽可能的避免由大气分子带来吸收和散射效应，减少传输 中的大气分子衰减。

二、大气气溶胶对激光的吸收和散射分析

大气气溶胶是指极其细小悬浮在空气中缓慢下落的的固体或液体小颗粒，它

们的尺寸介于10。2岬～loo¨m之间，如雾、尘埃及海浪的飞沫都是这种浮质。对

气溶胶粒子的研究表明，气溶胶粒子对光信号的吸收作用不是很明显，但是云、 雾等气溶胶粒子对光信号的散射作用是显著的，这种散射又被称为Mie散射口J。 所以本文在对大气气溶胶进行分析时主要考虑大雾或阴霾天气中大气中的气溶 胶引起的散射效应。

与分析大气分子散射效应不同的是，分析大气分子散射所用的Raylei曲散射

理论适用于分子半径R远小于x。=竿>o．1～o．3波长九时的散射过程。当粒子

半径R增加到一定尺度，一般认为粒子的相对尺度时Rayleigh散射公式失效，应 当使用描述球形粒子散射的Mie公式：

吒=万×Ⅳ×Q％，砌×尺2 公式(2—3)

式中：吒一气溶胶分子Mie散射系数；N一单位体积大气中的气溶胶粒 子数；Qs一散射效率函数，即粒子散射的能量与入射到粒子几何截面上的能量 之比，是粒子的相对尺度XR和复数折射率m的函数；X R_粒子的相对尺度，xR =2兀R肌；m复数折射率，m=n．ik(i，k分别为m的实部和虚部)；R一粒子半径 当粒子在半径R1和R2之间存在连续分布时。Mie散射系数由Mie公式的积分式 求得：

承2

．

吒=万j：。Ⅳ×g(瓦，m)×尺2掀公式(2—4)

本文在分析气溶胶散射时，利用了工程上计算大气气溶胶散射系数的常用公

10

第二章红外激光通信系统技术研究与分析

公式(2—5)

式中：V一大气的能见度，(1-能见度密切相关的常数，具体取值为：

r1．6

J

q=弋1．3

I

、．585vl，3

V>501(nl 6km

由此可见，虽然Mie散射主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率 特性，与波长的关系远不如Raylei曲散射强烈，但通过Mie散射工程公式，还 是可以总结出，Mie散射系数与波长成近似的反比关系。所以，本系统所选择的 红外波段的激光的Mie散射系数相比可见光激光器要小很多，更适合在阴霾，多 雾的情况下进行数据传输。

在忽略大气分子和气溶胶的吸收效应的基础上，对于红外波段的激光，可以 得到简化的衰减系数公式：

7五红外=％+吒公式(2．6)

表2．1是两种红外波段激光在不同天气状况下的衰减系数，可以总结出，在 同样是红外波段的情况下，衰减系数也是与波长成反比的。 表2—1红外波段光波在不同天气下的衰减系数 天气状况

衰减系数(1／1锄)

九=850nm 九=1550nm

通过分析激光传输的衰减因素，可以得出结论，采用红外波段的激光器作为 传输媒介是切实可行的。在红外波段中常见的激光器有850nm，980nm，1550nm，

％半 土渤

^Z ：

”

=

式

盯．

第二章红外激光通信系统技术研究与分析

最终本系统选择980nm激光器作为发送器件，主要基于以下几方面考虑： 1、980nm激光器和所选择的TSOPl738光谱匹配度高。 2、980nm激光器较850nm激光器衰减系数更小，透过率高。

3、980nm激光器比1550nm激光器价格低很多，可以达到性能成本的平衡

2．3 PCB设计技术

PCB是英文(Printed Circuit Board)印制电路板的简称。日常生活中我们所能 见到的电子产品，小到电子手表、计算器，大到计算机、各种通讯设备、航空、 航天、军用武器等几乎都离不开PCB。总之，只要有二极管、三极管等电子元器 件，就需要PCB把他们之间按照一定的电气关系连接起来，从而具备某种电气特 性。在电子产品设计中，任何原理电路的设计意图最终都是通过PCB实现的。因 此，PCB设计在任何产品的研制过程中都是不可缺少的一个重要环节。PcB设计 的质量直接影响电子产品的质量。目前，PCB的设计已经占整个硬件设计费用的 50％，专家预测比例还在不断增大，很快PCB方面的开发和研制费用将达到产品 总费用的80％甚至更高124I。

在PROTEL的PCB设计中，如果布局不合理，就有可能出现各种干扰，以致 合理的原理方案不能实现，或使整机性能指标下降，甚至在干扰严重时造成电路 板根本无法工作。为使布局设计尽量合理，提高电路板的抗干扰能力，在PCB设 计中一般考虑以下几个方面： l、考虑PCB尺寸大小

PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加； 尺寸过小，则散热不好，且相邻的传输线之间容易引起干扰。应根据电路需要确 定PCB尺寸。一般情况下，电路板的最佳形状是矩形，长度宽度比为3：2或4：3。 2、优先确定特殊元件的位置

所谓特殊元件是指那些从电、磁、热、机械强度等几方面对整机性能产生影 响或根据操作要求而固定位置的元件。在设计中，应尽量做到：

(1)尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电 磁干扰．易受干扰的元器件不能相互离得太近，输人和输出元件应尽量远离。 (2)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考 虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上便于调节的地方；：若是 机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应，应留出印制板 定位孔及固定支架所占用的位置。

(3)注意发热元器件应该远离热敏元器件。对于温度敏感的元件，如晶体管、集

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第二章红外激光通信系统技术研究与分析

成电路和其他热敏元件j大容量的电解电容器等，不宜放在热源附近或设备 的上部。电路长期工作引起温度升高，会影响这些元件的工作状态及性能。 3、布线方式

布线时，所有走线应远离PCB板的边框，至少2mm左右，以免PcB板制作时

造成断线或有断线的隐患。电源线要尽可能宽，以减少环路电阻。同时使电源线、 地线的走向和数据传递的方向一致，以提高抗干扰能力。各元器件间的连线越短 越好，以减少分布参数和相互间的电磁干扰。对于不相容的信号线应尽量相互远 离，而且尽量避免平行布线，而在正反两面的信号线应相互垂直。布线时在需要 拐角的地方应以135度角为宜或者圆角，避免拐直角或者尖角【25l。 事实上，关于PCB设计方面的注意事项有很多，由于篇幅限制不能一一详 述，这里仅仅列举几点在本系统中涉及到的设计问题加以介绍。

2．4 ARM驱动程序设计技术

嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。设计者在选择处理器时 要考虑的主要因素有：处理性能、技术指标、功耗、软件支持工具、是否内置调 试工具、供应商是否提供评估板等。

ARM微处理器目前包括下面几个系列，ARM7系列、ARM9系列、Inter的

ARM等。目前，应用比较多的是ARM7系列和ARM9系列，删9系列适

Strong

合比较高端的应用，如视频媒体、数字消费品、下一代无线设备等【2刨；ARM9E 系列更是提供了增强的DSP处理能力，非常适合那些需要同时使用DSP和微控制 器的应用场合[27】。相比之下，ARM7在满足系统需求的基础上具有便宜的价格， 能够节约开发成本，也更适合系统的需要。

设计ARM驱动程序的关键在于熟悉舢洲系统的工作模式和内部结构。本文

所选择的S3C44BOX属于ARM7系列处理器。从程序员的角度上看，S3C4480X 内核可以工作在下面两种工作状态的一种下： AI乇M状态： 此时执行32位字对齐的AItM指令。

THUMB状态：此时执行16位半字对齐的THUMB指令。在这种状态下， PC采用第l位来选择一个字中的哪个半字128|。

Samsung公司推出的16／32位砌SC处理器S3C4480x为手持设备和一般

类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。S3C44BOX提供了丰富 的内置部件，包括：8KB cache，内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通

道uART，4通道DMA，系统管理器(片选逻辑，FP／EDO／SDRAM控制器)， 代用PWM功能的5通道定制器，I／O端口，RTC，8通道10位ADC，11C．BUS

第二章红外激光通信系统技术研究与分析

接口，IIs．BUS接口，同步SIO接口和PLL倍频器，71个通用I／O口／8通道外 部中断源。S3C4480X采用了ARM7TDMI内核，0．25pm工艺的CMOS标准

宏单元和存储编译器。它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和 功耗敏感的应用【291。

在红外激光无线通信系统中，MCU需要实现两部分功能：

l、外部按键中断，在按键按下时将数据发送到红外调制模块。数据接收中断， 在数据到达时自动转到中断服务程序。

2、提供串口读写服务，红外模块，蓝牙模块通过串口与ARM系统实现数据通 信，因此MCU应至少具备两个串口供交互。

通过比照S3C44BOx的片上资源，对于本系统而言，S3C44BOX的两组uART 和8通道中断源完全可以满足本系统工作的需要。 2．5蓝牙，W i f i通信技术

为了实现全无线通信的设计要求，在本系统中整合Bluetooth和wifi通讯技 术，这两项技术可以说在当今社会早已普及，其原理性的知识在本文中不在赘述。 针对ARM主板上的蓝牙通信，本文主要采用模拟UART技术，通过读写UART实 现与蓝牙模块的通信，选用重庆金瓯公司的Jinou3264蓝牙模块提供蓝牙传输服 务。对于w讯无线通信，系统选择HP Rx2400型PDA作为ARM终端和服务器之间 的桥梁，提供wifi和蓝牙传输服务。

Jinou3264蓝牙内嵌模块可以应用于各种家电、仪器(如医疗设备)等电子

信息产品。作为一种线缆取代方案，它实现了蓝牙串行协议(Bluetooth Serial Port Pr061e1，采用即插即用的方式透明的实现设备间的无线数据传输。Jinou 3264蓝 牙模块有主从之分，一个主设备与一个从设备配套使用。当硬件电路连接正确， 并且加电启动之后，主从设备会自动建立连接，并且识别与记忆对方设备。除了 一对配套使用之外，Jinou 3264也可以独立使用。如用户的设备连接一个从设备 的蓝牙内嵌模块，这样，其它的Bluetooth设备可以搜索到此内嵌模块，并且发 现其提供的串口读写服务，通过此服务可以与其建立连接并进行通讯。所以，由 于基于S3C44BOX的ARM系统可以与该模块通过串口进行通信，符合设计方 案的要求。

．个人终端选用HP I抛400型PDA，该机型同时支持Bluetooth协议和 802．11B／G，内部使用W附CE操作系统，可以方便的将通过EVC开发的应用程 序同步到PDA应用层运行，经过测试，Rx3400和Jinou3264可以协同工作并且 与Wi：fi通信互不干扰。

14

第三章红外激光通信系统总体设计方案及可行性理论分析

第三章红外激光通信系统总体设计方案及可行性理论分析

3．1红外激光通信系统总体设计方案

红外激光通信系统设计的主要目的是为了实现基于红外激光半导体的远距 离通信，目标通信距离在100m以上。同时，为了满足嵌入式的需要，需要达到 以下几点设计要求：

1、设计电路要尽量减少冗余，缩小线路板的面积。

2、系统的功耗要控制在一定范围之内以求尽可能的延长系统的工作时间。 3、实现高效的软件设计，提高系统的响应时间。

4、实现全无线模式的红外激光通信，即通信模块之间，通信模块与主机之 间以无线方式连接。

基于以上设计要求，本文提出了基于红外半导体激光器的无线通信系统的总 体设计方案：

1、采用西安赛朴林公司的980nm的红外半导体激光发生器作为光源，980nm 的红外激光作为通信介质。

2、采用一体化的红外接收模块TSOPl738，减少设计冗余，提高电路的稳 定性。

3、设计基于S3C44BOX的ARM主板，为ARM系统提供供电和各种外围 接口电路，接口电路的设计同时考虑设计尺寸和可扩充性，便于嵌入各 种设备使用。

4、利用2通道ARM内部中断完成整个数据的传输过程，减少系统负载。 5、系统中整合Bluetooth技术，wifi技术实现全无线的红外通信模式。红外 模块，蓝牙模块通过UART读写服务与ARM系统交互数据信息。

6、应用层的通信程序考虑到无线干扰，在uDP协议的基础上实现自定义通 信协议。

系统总体设计方案为下一步的具体设计指明了方向，但本方案是否可以从理 论上达到100m的传输距离，还需要进行详细的可行性分析，本章通过理论分析 详细论述了系统方案可行性。

第三章红外激光通信系统总体设计方案及可行性理论分析

3．2红外激光通信系统通信距离可行性分析

为了从理论上论证本系统可以达到100m以上的传输距离，本文结合舰载红 外警戒系统的距离估计理论，利用激光传输模型对本系统的传输距离进行了理论 计算。

3．2．1舰载红外警戒系统的距离估计方程

舰用红外警戒系统的主要使命是对来袭掠海反舰导弹的探测警戒。在系统设 计时，作用距离的保证是重点考虑的问题。因为作用距离越远，对系统的警戒时 间充裕度越大，反之，如果作用距离小到不足以使武器系统作出有效反应，则这 个系统就可能是无用的。对作用距离的考核，是使用方最为关注的【30】。红外警 戒系统的作用距离方程为：

R = 一‘n姒

公式(3—1)

式中：I九一目标光谱辐射强度；h一传输介质的光谱透过率；Ikax一最 大作用距离。

对于一个已知的系统而言，其信噪比S／N和等效噪声通量密度NEFD是确定 的。影响作用距离的因素主要来自两个方面：一是目标的光谱辐射强度I九；二是 传输介质的光谱透过率n。目标光谱辐射强度Ik是波长的函数，主要取决于目标 的辐射特性，包括辐射功率、运动速度、空间位置等等。目标在某一谱段的红外 辐射从质上决定了红外系统能否探测或探测多远。极端的情况，如果目标在某一 谱区红外辐射为零，则不论多近，系统都无法探测。辐射强度的高低将成为影响 作用距离的主要因素。

传输介质的光谱透过率Tx，对作用距离的影响也很大。当极端的情况下， 设备与目标之间如果插入一块隔绝红外线的介质，则不论目标多近、辐射多强， 系统将探测不到目标。从上文论证可知，大气在红外波段存在大气红外窗口。但 是，由于受到时间、气候、地理、高度等多因素的复杂影响，不可能找到完全一 样的介质，因此，其光谱透过率也是一个变数。但是在某一时刻，红外光谱辐射 透过率是确定的。为了得到最大理论传输距离，本文按照系统工作在晴天的状态 下进行计算。根据上节的表2—1，大气衰减系数取室外测试时980姗红外激光衰

减系数估计值o．47，则根据公式2—1，透过率R=eV，取R=o．1，Y户o．47得

到晴天情况下在100m处980nm激光器的透过率T980=0．954。

第三章红外激光通信系统总体设计方案及可行性理论分析

3．2．2红外激光通信系统传输距离理论计算

以舰载红外测距原理为理论依据，本节主要对红外激光通信系统是否能够达 到100m以上的通信距离作出理论上的论证。

根据上节公式3—1，激光器的传输距离主要由发射器的光谱辐射强度I九，光 谱透过率n，接收器噪声敏感度决定。在本文论证中引入了计算激光辐射常用 的三角形计算模型如图3—1所示：

激光发射 IR接收器

图3．1激光辐射计算模型 一、激光发射器辐强度Ix计算

根据图3—1模型，激光器光谱辐射强度Ix有以下计算公式【31】：

，

d①

』，=——

^

dQ 公式(3—2)

式中：d西一目标的单位辐通量，dQ一指向IR接收器的立体角。

在本系统方案中，选用的激光器为西安赛朴林公司的SD980．200G3型激光 器，该激光器为点状激光器，波长入=980nm，出瞳功率Pw=100mw，发散角0 =lmard，由于激光光源为点状且具有恒定辐射强度，所以公式3—2有如下变形 形式：

P

，．=二旦

^

dQ

公式(3—3)

由图3．1传输模型所示，立体角dQ可以近似的由平面发散角替代计算，导 出过程如下：

第三章红外激光通信系统总体设计方案及可行性理论分析

根据照度平方反比定律【311，立体角可由如下公式计算：

抛=鲁公式(3_4)

尺z

“一?7

式中： SQ一立体角dQ对应的透射区域面积，R一发射器到接收器的直线距离 根据激光散射特性，激光在接收器上光斑呈弧形，因此SQ面积可由球冠公 式计算得出

＆=2积办=2积(尺一R×cos(秒))=2积2(1一cos(乡)) 公式(3—5)

根据半角公式，得

^5『Q=4积2 sin2(秒／2)

饱=鲁=

丝挚=4万sm2(靴)

代八豆1本角公式，得出半回友{敦角代瞀业谇角公瓦：

R2 尺2

、’将公式3—7代入辐强度公式3—3，得到辐强度与发散角关系公式

，，=昱= 冬dQ 4万siIl 2(乡／2)

以

当发散角很小e<_lmard时，sine≈e，则简化计算公式：

I。=告

南公式3—1．最大侍输距离Rmax可由下式计算：

尺=

‘‘maX

公式(3—6) 公式(3—7) 公式(3—8) 公式(3—9) ／157 公式(3．10)

其中出瞳功率Pw，发散角0，均为激光发射器SD980．200G3的标称值，噪声 通量密度NEFD由接收系统决定。因此，选择一款灵敏度高，抗干扰能力强的接 收器对于实现远距离通信同样具有很重要的作用。

第三章红外激光通信系统总体设计方案及可行性理论分析

二、TSOPl738噪声敏感度计算

考虑到开发时间和开发成本的需要，在进行市场调研的基础上，本系统采用

TSOPl

738作为接收模块。该模块使用单电源+5V电源，调制频率为38l此

其内部

框图如图3．2所示，主要包括AGC(自动增益控制)，BandPass(滤波)，Demodulator (解调)等环节，最终通过三极管放大，经out管脚输出经过解调后的二进制信 号。

图3．2 TSOPl738内部框图

。纷

GND

另外，TSOPl738具有很高的灵敏度，其光敏度与波长的关系曲线如图3．3 所示，对于950nm波段的红外光，TSOPl738的光敏度达到最高值，因此可以认 为，接收部分TSOPl738与激光发射器SD980．200G3可以达到几乎无损的波谱 匹配，其噪声通量密度NEFD下限NEFDmi。=0．5mw／m2【32】。

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图3．3 TSOPl738波长与光敏度曲线

通过上述分析，根据公式3．10，按Pw=100mw，e=1mard， NEFD=

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第三章红外激光通信系统总体设计方案及可行性理论分析

0．5mW／m2，Tx=0．954计算得，红外激光通信系统最大传输距离RmaX=7793m。 但本文中是利用平面发散角公式取代计算立方角的公式，因此距离上可能会有所 缩水。另外，上述计算是建立在晴朗天气情况下，加上激光器发射窗、接收器件 的接收窗的蒙尘，距离有可能会比理论值小，尽管如此，该方案可以实现最大理 论上8km的通信过程，考虑到这个距离远远大于设计目标所规定的100m传输距 离，因此本文经过分析认为本文中所设计的红外激光通信系统实现loom远距离

通信是不成问题的。 3．3本章小结

作为系统设计前的准备分析工作，可行性分析可以有效地减少开发上的时间 浪费，并且可以为系统开发奠定理论基础。在本章中，主要介绍了系统的总体设 计方案，并通过理论计算确定了红外激光通信系统最大理论传输距离。在后面的 章节将详细的叙述系统从硬件平台搭建，驱动程序的编写到应用层通信软件实现 的具体过程。

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

红外激光通信系统的硬件平台设计主要包括以下四个方面： 1、红外激光调制解调电路的设计 2、ARM主板支持电路设计 3、外围接口电路设计 4、PCB印刷线路板的设计

本章主要介绍以上几部分的详细设计过程。

4．1红外激光调制解调电路总体设计

调制解调电路是本系统硬件设计的重点，设计目标是实现1 oom外可以完整 检出激光载波信号并解调。调制部分主要工作包括载波生成电路设计和信号键控 电路设计两部分。解调部分主要分析TSOPl 738的解调方式以及设计要点。图 4．1是调制解调模块整体的原理图设计，在下面的小节中将详细介绍各个子模块 的具体设计过程及原理。

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4．2基于NE555的载波生成电路设计

21

j7 Rw2 =cAl “i ±cA2▲一“

红外激光系统载波生成电路如图4—2所示，其设计要求包括两方面：

1、产生的38KHz载波要求准确。由于贴片电阻和电容本身的电气特性造成其在

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

高强度电流环境下会有一定的误差，因此造成生成的载波频率不能准确的达 到38KHz。在设计中，本文利用电位器RW2实现了稳定可调节的载波频率 输出。

2、激光器在工作过程中会产生大量的热能，因此如果长时间令激光器处于工作 状态，激光器的工作寿命缩短，增加系统的功耗，影响系统内其他元件的正 常工作。所以，在设计过程中，本文设置电位器RWl和二极管DAl，DA2 实现了占空比可调的载波电路设计，并将占空比调节到可满足激光器工作的 最小值，从而令激光器工作在高效状态并且减小了系统因热能引起的内耗。

GKD

图4．2红外激光调制模块载波生成电路 4．2．1频率可调的载波电路设计要点

驱动红外激光器工作电路的特殊性在于在驱动红外激光器工作时会产生很 强瞬间电流，电阻电容工作在这种强电流下其电气特性会发生改变，从而造成频 率改变，造成频率的不稳定性增加。为了保证传输信号的完整准确，本文利用了 电位器和二极管结合设计了一种频率可调的载波发生电路，该电路可以稳定的工 作在强电流环境下，并产生准确的38KHZ载波脉冲。

在设计键控调制的红外驱动电路时，生成频率准确的载波是重要环节，载波

是否稳定工作在特定的频率之上，关系到解调模块是否能够准确的检出并滤波。 产生特定频率的载波方法有很多，常用的有RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡 器等等。本系统中采用的是基于NE555的时基电路振荡方案，下文将对该电路 的设计要点进行详细论述。

通过触发端和阈值端的电压控制放电管Vr的导通与截止和Q端的输出是

NE555的主要工作原理，一般情况下不需要外加控制电压，这样会改变电压比较

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

器A1，A2的参考电平，一般的做法是在控制端(CVolt)和地(GND)之间接入一 个O．01庐的去耦电容，以消除干扰，保证控制端(CVolt)稳定在2Vcc／3。 红外激光系统的载波生成是由NE555多谐振荡器生成的，图4．3是NE555 多谐振荡器的基本模型，由上文论述可知，NE555可以通过控制触发端(TRJG) 和阈值端(THR)控制放电管Vr(NE555第7管脚DIS)的工作，从而在输出 端(Q)输出高低电平，因此只需在NE555外接RC电路便可以利用电容的充放 电过程形成振荡，从而形成一定频率的方波。

1、接通电源Vcc瞬间电容来不及充电，VcAl=0，故比较器A2的输出CA2=1。 比较器A1输出CAl=0，RS触发器置l，放电管Vr截止，输出端输出Q=1。 电路处于第一暂稳态。

2、由于在第一暂稳态期间Vr截止，故电容CAl充电，充电回路为Vcc一>RAl 一>RA2一>CAl一>GND，充电电压VcAl按指数规律上升，当VcAl上升到 Vcc／3时，比较器A2的输出CA2由1变为0，但RS触发器状态不变。CAl 继续充电，当VcAl上升到略高于2Vcc／3时，比较器A1的输出CAl=l，RS 触发器翻转为O态，放电管Vr导通，输出端输出Q=0。电路处于第二暂稳态 3、由于放电管Vr导通，因此电容CAl放电，放电回路为：CAl一>RA2一>Vr一 >GND，当VcAl下降到小于2Vcc／3时，比较器A1输出由1变为0，但触发 器状态不变，CAl仍处于放电状态，当VcAl下降到略低于Vcc／3时，比较器 A2的输出由0变为l，此时RS触发器由O态翻转到1态，放电管Vr截止， 输出端输出Q=1，电路重新回到第一暂稳态，CAl继续充电到2Vcc／3，电路 进入第二暂稳态，周而复始重复这个充放电的过程，从而产生振荡，NE555 的输出端Q根据RS触发器的状态，输出高低电平形成矩形载波

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GND CA2

图4．3 NE555多谐振荡器基本模型

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

对于NE555振荡电路的周期计算遵循Rc振荡电路的周期计算定律，其工 作波形如图4．4所示。 根据RC振荡电路周期计算公式：

T巩+TPL非an等

算公式可简化成：

公式(4．1)

其中对于NE555多谐振荡电路VT+=2Vcc／3，VT-=Vcc／3，所以其振荡周期计

T=TPH+TPL=I配h12≈O．7RC 公式(4—2)

t

图4．4 NE555多谐振荡器工作波形图

RC振荡电路的振荡周期和频率与振荡电路的充电回路有关，在图4．4基本电 路模型中：

充电所需时间：TPH=0．7(RAl+RA2)×CAl 放电所需时间：TPL=0．7×RA2×CAl 振荡周期： T=0．7(RAl+2凡墟)×CAl 振荡频率： f=1／T

由此带来的问题是，一旦RAl，RA2和CAl的值固定，那么振荡电路的频率 也就因此固定。在红外激光调制电路中，驱动激光工作的电流很大，可以达到几 十甚至上百毫安级，在强电流下的电阻，特别是电容很容易呈现极限工作状态从 而造成频率的不准确，并且，处于充放电回路中的RA2在每次充放电时都要被电 流通过，很容易损坏。基于此问题，本文设计了图4．2所示的带有二极管和电位 器的频率可调，充放电路径单一的振荡电路。

在图4．2所示电路中，电路的第一暂稳态通过Vcc一>RAl一>RWl+对CAl充

24

第四苹红外激光通信系统硬件平台的设计

电，在电路的第二暂稳态通过RA2一>Rw2一>Rwl一>DIs对cAl放电，其充电

放电回路与普通的555多谐振荡器不同．电流流过的路径通过二极管DA】，DA2

控制，保证每个元器件在一个周期中只被电流通过一次，提高了元器件的稳定性： 而且通过可调电位器Rw2可以方便的在激光器工作时调节其输出频率，保证了频 率的准确性，其频率计算推导过程如下： 改进电路充电所需时间：T?=0 7×(RAl+Rwl+)×cAl

改进电路放电所需时间：T PL=O 7×(RA2+Rw2．。Rwl，)×cA】 改进电路振荡周期： I=O 7×(RAl+RA2+Rwl十Rw2)×cAl 改进电路振荡频率： f=l厂r

在实际应用中．取凡～l_Ikn，RA2=3kn，CAl=1 500pF，Rwl=20kQ， Rw2调至2kn左右可以准确地得到38kHz的载波，输出波形如图4-5所示。图 中的载波频率为37 8694kHz，这是由于元件电气误差所致，但已经可以近似的 认为是38kHz载波。 图4．5 38KHz载波波形图

4 2 2占空比可调的激光驱动电路设计要点

上节详细叙述了如何设计NF555电路准确的生成38KHz载波，但实际工作 中，激光器会因为持续处于工作状态而发热，这样既不能保证激光器使用寿命，

也因此加大的系统的内耗，使系统电力很快丧失。激光的工作状态与系统的占空

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

比有密切的关系，系统处于低占空比工作状态，激光器会在短时间内完成一个周 期的光波发射工作，有助于提高激光器的工作效率。考虑到上述原因，本文设计 的载波生成电路除了可调整载波的频率之外，兼顾了占空比调节，本节将对该特 点做详细的论述。

本文设计的红外激光通信系统采用键控调制，其驱动方式主要采用脉冲直流 驱动方式，采用脉冲直流驱动优点在于：提高了红外激光通信系统的抗干扰能力。 由于发射管发出的是脉动红外激光，且具有特定变化频率，而日光、灯光等光线 不是脉动红外光，因此可以通过接收器中的带通滤波电路使它们与红外光脉冲分 离开，将日光、灯光等杂散光干扰滤掉。保证红外遥控系统在日光、灯光等光线 下可靠地工作。其驱动模型如图4．6所示

模型中激光管在驱动电压U的作用下向外发射激光，Ⅺ为限流电阻，主要 作用是调节电路的电流，既要保证激光管可以正常工作又要避免激光管因过热造 成损坏。

作为红外激光通信系统发光源的红外激光器，其发光强度与它的光功率(即 发射功率)Po成正比，红外激光器的光功率Po可由下式计算：： 只=，×Un 公式(4_3)

式中：I一注入器件的总电流，U旷_加载到激光器P-N结上的电压。 显然，在Uo为定值的情况下，发光功率与所加电流成正比。为了保证红外激 光通信系统的远距离通信，在方案中选用的SD980．200G3点光源激光器，阈值电 流为150mA，加载到激光管上的管压降在2．OV左右，需要保证注入电流必须在

1 50mA或更高才能使激光器正常工作。

专LD

图4．6红外激光器脉冲直流驱动模型图 但在激光器工作时， 的计算公式可表示为

e=，，2×R

在PN结上要消耗掉一定的功率而产生热量，其热功率Pr

26

公式(4．4)

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

式中：R．一激光器内部电阻和接触区的总电阻，Ir-振荡电路的平均电流 在热功率P，过大时，激光器将会因过热而被烧坏。在RJ一定的情况下，为了 不使热功率过大，必须要限制流经激光器的电流。这就与保证激光器阈值电流的 要求相矛盾。这一矛盾可以通过对激光器采用适当的驱动方式来解决。即采用直 流脉冲驱动的方法，驱动激光器工作。

由图4．6所示，将驱动电压U设置为脉冲电压，所以激光器的驱动电流也为 脉冲电流。当脉冲电流驱动时，为了使热功率不致于过大，可采用限制驱动电流 的平均值IF的方法。因此，可在保持脉冲电流周期T不变的情况下，减小脉冲 电流的上平项宽度，即通过减小载波脉冲的占空比减小平均工作电流IF，而由于 激光器的工作电流比较大，远远大于其阈值电流，可以采用减小限流电阻刚的 方法，提高峰值工作电流，加大激光管瞬间工作功率。这样，就可在保持平均工

作电流最小的情况下获得最大瞬间的峰值电流I。以驱动激光器正常工作。平均工 作电流IF和峰值电流I。满足以下关系：

I}=I p× 公式(4．5)

式中：TPH／T_一为脉冲电流的占空比。

可见，占空比越小，电路中的平均工作电流IF就会越小，但占空比并不是越 小越好的，由于受红外激光器响应时间Tw的限制，脉冲上平顶宽度TPH不能太 窄，否则，激光器来不及响应，脉冲电流就消失了。

图4．2设计的载波电路中，占空比的调节是通过电位器Rwl实现的，由占 空比的计算公式得：

D：盈： 坠!±墨里!±

丁RAl+RWl+RA2+RW2 公式(4．6)

RWl+在整个载波电路电阻负载中所占得比重越小，则占空比越小。根据西 安赛朴林公司SD980．200G3型激光器要求，载波脉冲得占空比不小于1／10，因 此将Rwl+调整至1．6kQ左右，可以得到占空比为l／lO的38KHz载波，如图4．7 所示，图4．8为调整Rwl到4kQ时得到占空比为1／5的38kHz载波。当调节RWl 对频率理论上应无影响，但实际应用中存在误差。

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

图4—7占空比l门O的38k儿z载波波形 图4墙占空比1巧的38kHz载波波形

4 3大电流对管信号键控电路设计

在生成了准确的38KIlz载波后，如何将Tx线上的输出信号加载到载波上

是调制模块设计时另一个需要解决的问题，一般常用的方法是利用数字信号的高 低电平特性与三级管结台，通过基极的高低电平控制兰极管的导通和截止．从而 控制键控电路的导通。

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

然而本系统的特性决定了，键控电路中的电流必须足够大，至少达到150mA， 如前所述，本文设计的载波生成电路由于占空比比较小，产生的瞬间峰值电流可 能会更高。一般的三极管无法在如此高的电流环境中正常工作，很容易被击穿。 因此，本文在设计中采用了可以承受大电流的对管设计。对管实质上是一对三极 管，其电气特性，物理特性都相同，不同的只是三极管的极性分别为PNP和NPN 型。本文中使用的是Siemens公司的BDl35，BDl36型对管，键控电路见图4．9。 图4．9红外调制信号键控电路

图4．9与图4．2组成了红外调制模块的完整电路，管脚3为载波生成电路的 输出端，输出载波经T1调制，通过激光二级管LD发射出去。T1，T2为对管 BDl35，BDl36，RA4为Tl基极限流电阻，Z2为稳压二极管，保证LD管压降 在2．0V左右。激光管的最大工作电流为S550 mA，设计RA5为激光管的限流电 阻，起到保护激光管工作的作用。

调制模块在工作过程中，通过Txl控制LD的工作与否，且低电平有效。 当Txl线上为高电平时(数字1)，三极管T2截止，键控电路处于不导通状态， LD不发光。TXl为低电平时(数字0)，T2，Tl导通，载波信号Q从NE555管 脚3发送，经T1调制后，LD向外发射38KHz的红外激光，完成一次数据传输 的过程。

在键控电路设计中，限流电阻RA5阻值确定是一个关键问题，如果阻值太

小，则起不到限流的作用，容易烧毁激光器；如果阻值过大，则会产生很大的热 功率，将一部分电力消耗在限流电阻处。确定RA5的值需要确定几个关键数值： 加载到LD上的管压降VLD，BDl35，136导通时集电极一发射极电压降VcE， 以及LD最大工作电流Imax。根据SD980．200G3标称值，VLD<2：OV，ImaxS550mA， BDl35，BDl36标称值见图4．10(a)，(b)

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

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(a)BDl35关键标称值(b)BDl36关键标称值 图4．10

由图可知对管BDl35，BDl36的饱和导通电压VcE<0．5V，由此可以计算出 RA5的值，根据欧姆定律：

I— I一

4．4红外激光通信系统解调电路设计

由于红外激光器发射出的是经调制后的红外脉冲信号，因此，在红外激光通 信系统的接收端，红外光电管接收到的也将是调制信号，为了正确地实现通信， 必须将包含通信信息的编码信号(即调制脉冲)从调制信号中分离出来，因此，有 必要采取与信号调制相反的过程，将被调制的编码信号从高频的载波信号上 “搬”下来，这一“搬”下来的过程就叫做“信号的解调”。

本文设计的解调电路采用了一体化的接收部件TSOPl 738，设计电路如图

4．1 1所示：

图中左边的部分是1738解调电路Fu31 l为限流电阻保护TSOPl738，I也2 l

为上拉电阻，可以使解调后信号通过IⅨ2 1稳定的输出，CBl 1的主要作用是

去除直流电脉冲中的交流分量。右边的部分主要是解调模块与AIW主板间的接

口电路，J2 1的1，2，3，4管脚分别和ARM主板的Vcc，GND，TXl，IⅨ1相连。

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

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GND

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GNDr 1 2PIN

图4．11红外激光系统解调模块原理图

TSOPl738实现解调的关键环节是其内置的带通滤波器，其作用是有选择地 放大频率为38KHz左右的信号，对其它频率的信号则不予放大甚至予以抑制， 可提高解调电路的抗干扰性。TSOPl738的带通滤波曲线如图4．12所示【32]： 该曲线说明TSOPl738带通滤波效果十分明显，其3dB带宽△f只有3．8KHz，

也就是说，只有在38lⅢz±1．9I(Hz范围内的调制波才能被TSOPl738响应，其它

波段的光波均被带通滤波器过滤掉。这样保证了系统的抗干扰性，但也因此而带 来一个限制，即未经调制的原始传输信号的输出频率不能够高于3．8l(Hz，否则信 号将不能被完整的识别出来。

堪。量 O．2

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图4．12 TSOPl738载波频率一光敏反应曲线

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hl^!I*。己∞廿鬣、奄蕊；篮廿 第四章红外激光通信系统硬件平台的设计 4 5 A刚主板支持电路设计

4 5 1 s3c44Box在ARM核心板Fs4480 cORE上的应用

s3c4480x是三星公司生产的ARM7芯片，由于其功耗低，片上资源丰富 被广泛的应用到生产，教学等领域。存本文中，s3c44BOx作为红外激光通信系 统主板部分采用的Mcu主要负责数据流控制和中断解析。

目前，基于s3c4480x的开发板有很多，但大多数开发板体积偏大，不满足 本系统的嵌入式特性，在众多产品中，本文选择了由广东优龙科技公司出品的 Fs4480型开发板作为本系统的ARM开发平台。如图4．】3所示： 图4．】3 Fs4480开发板接口说明

由图4．1 3可以发现，Fs44BO开发板将s3c4480x片上资源丰富的特点发挥 的淋漓尽致，各种接口齐全。并且作为Fs“Bo开发板的核心部分，Fs4480cORE 体积小巧，措载2M Byks NOR FLAsH，8M Byks sDRAM和16M B舛es Nand

兀ash可阻满足天型程序开发的存储需要。另外，Fs44BOcORE拥有8条中断通 道，2组uAR丁，可以满足车系统数据传输的要求。下一节将详细叙述基于 Fs44BOcORE的ARM主板设计。

4 5 2基于Fs“BOCORE的ARM主板电路设计

Fs4480c0RE采用功P一64形式封装，利用+5v电源驱动。考虑到体积和 功耗的需要，本文在ARM主板的设计中使用了集成稳压芯片MAxl 703，其设 计原理图如图4一14所示：

一㈣三

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

图4．14 AI洲主板供电电路原理图

图4．14所示的供电电路以MAXl703为核心，MAXl703是一款高功率、低噪 声的升压DC．DC变换器，输入电压范围为O．7～5．5V，输出电压范围有2种可选

方案，分别是固定5V和2．5～5．5V。本文选用的是固定5V的输出方案。选择 MAXl703作为供电芯片的主要原因是它的最大输出电流为1．5A，具有高达95％ 的转换率和300肛W的低功耗。很符合本系统中驱动激光器工作大电流的需要， 并且兼顾了功耗能够有效地提高系统的持久性。

使用1703作为电源供电电路核心的另一个优点在于，该芯片只需外接很少 的元器件便可工作，整个电路设计模型目前已经比较成熟，原理设计方面的难度 不大，主要工作原理为电源VC IN从1703的LXP，LXN端输入，POUT，OUT 端输出生成的5V电压，其中控制1703工作模式的关键在于FB管脚，当FB接

地时，1703将会输出稳定的5V电压。在最初的设计中，采用4．7州的色环电感

作为输入端保护电感，但由于其耐压较低，不能承受1703输出的大电流，经常 损坏。因此，在最终的设计中，使用了耐压更高的线圈电感，电路可以正常工作， 没有再发生电感被击穿的现象。

除了为FS44BOCOI辽提供+5电源，红外调制解调的+5V电源也是由ARM 主板提供。除此之外，ARM主板上的其它外围部件，如蓝牙模块，蜂鸣器等需

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

要+3．3V电源为其供电，因此，本文利用LMll 17．3．3变压集成电路实现了由 +5V到+3．3V的电压转换，图4．1 5是该设计的原理图。 4．6外围接口电路设计 图4．15 LMlll7变压电路

作为通信系统的一部分，ARM主板的另一个作用是为系统中的各个模块提 供相应的接口，使各个外部模块与MCU协同工作，本系统中主要外部模块包括， 蓝牙模块，外部按键与蜂鸣器模块几部分。 4．6．1蓝牙模块接口电路设计

ARM主板需要为Jinou3264蓝牙模块提供+3．3V稳定电压输出，并将 FS4480CORE的RxD0，TxD0与蓝牙模块的IⅨ，TX线链接组成数据通路。表

4．1列举了蓝牙模块的管脚定义以及电气特性，图4．16是本文根据蓝牙模块管脚 说明设计的蓝牙模块接口电路原理图。

广L—_——1 L 心；

—1 7

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—一9

——一10

图4．16蓝牙接口电路原理图

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

其中，P3接口的1-10pin对应蓝牙模块l-10管脚，P4的1-10pin对应模块 的15—24管脚。由于本系统对于蓝牙模块无流量控制的要求，因此将CTS和 RTS用lk的电阻R9连接起来形成自握手，其余连接均参考表4．1中蓝牙模块 管脚说明进行设计。

4．6．2系统扩展接口电路设计

系统扩展接口主要包括按键接口，蜂鸣器接口两部分。其中，按键接口外接 +3．3V电源，在有按键按下再抬起时形成下降沿用于触发ARM中断；蜂鸣器接 口的主要作用是在ARM接收端接收到有效数据蜂鸣器发声，提示用户收到数据， 该接口利用S3C4480x的GPE6线，通过MM74HC04M反向器将GPE6输出的

低电平翻转并经过9014三极管放大，驱动蜂鸣器发声，在设计中，外接了二极 管避免了蜂鸣器产生的振荡电流对接口的影响，图4．17为上述接口的原理图。

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

图4．17按键蜂鸣器接口原理图

4．7 PCB印刷线路板的设计

4．7．1红外调制解调模块PCB设计要点

针对红外调制模块的PCB设计的主要问题在于如何避免产生红外激光的瞬 间强电流对于电路中易损件的冲击。因此在PCB布线时，采取以下措施：图4．18 为红外调制模块的PCB设计图。

l、尽量采用45。角布线的原则，减少信号传输中的“死角”。 2、信号线和电源线采用30～50mil的粗线(1mil=0．0254mm)。 3、将集成电路NE555(U1)与大功率元器件红外激光管(LD)远离放置，周

围放置保护电容CUl，防止激光管工作时的电流冲击。

4、电位器RWl，RW2放置在易调节的位置，方便操作。

第四章红外激光通信系统硬件平台的设计

图4．1 8激光调制模块PcB图

解调模块的PcB设计相对比较简单，主要技术工作集中在将5块TsOPl738 集成在一块PcB中，这样做的目的在于增人接收面积，使发送方不必精确对准 发送模块，只需要方向上保持一致即可。红外激光解调模块PcB见图4·】9。 图4．19激光解调模块PcB目

第四章红外激光通信系统硬件平台的殴计

4 7 2ARM主板PcB设计

本文在设计ARM主扳时主要考虑了以下问题：

】、ARM核心板Fs4480本身具有振荡电路，分频电路，在工作时可能会对主板 上的反向器，集成电路等元件造成干扰。为了避免该问题，对ARM主板表 面进行了覆铜处理，增强了主板的抗干扰性。

2、主板上接口较多，有些模块的安装具有方向性，极性错误很可能导致模块损 坏，因此在主板上明示了模块的安装方向，并合理的安排了接口问的布局， 为模块的安装预留了充分的空间

3、MAxl 703输出最大电流达到1 5A，在布线叫也采用了50m1I的电源线和地

线。基于以上几点．本文设计ARM主板如图4-20所示：

4 8本章小结 图4—20ARM主板PcB圈

本章是本文的重点章节，主要介绍了红外激光通信系统硬件平台搭建的整个 过程。在硬件设计部分中，红外调制解调模块的设计足本章的亮点，针对红外激 光工作特性，本文设计了一种低占空比可调式直流脉冲生成电路用咀驱动激光管 的工作，并在关键部分墩置限流电阻和保护电容，保证系统的稳定工作。在PcB 设计巾，本文充分运剧各种设计手段，提高丁系统抗强电流干扰能力。在实践中， 本文设计的硬件平台运行稳定可靠，没有出现团强电流冲击导致元器件损坏的情

}兕。

第五章基于S3C4480X的ARM驱动层程序实现

第五章基于S3C44BOX的ARM驱动层程序实现

5．1红外激光通信系统驱动程序整体设计思路

红外激光通信系统的主要任务是实现数据的远距离传输工作，因此在设计本 系统驱动程序之前，第一步要做的工作是分析整个系统中的数据流，确定利用。 S3C4480X芯片上的哪些资源。ARM系统中的数据流如图5．1所示

， 、r 1 ， 、

欲发送信息

虎-一一小

信息通过蓝牙发送到——-^ ARM暂存蓝牙发送的信

暂存于PDA k——√ ARM，并可以回送到———∥ 息，并逼过UART发送到

由PDA确认数据是否碓确红外调制模块并输出

L J L J L J

被发送信息 显示在PDA 上

ARM将接收到的数据进 行合法型判断，判断是完 整的数据包，经蓝牙发送 TSOPl738解调模块接收

红外数据，通过UA盯接

收到ARM系统处理

臣困

图5．1红外通信系统整体数据流向图

首先确定的是，删主板上主要包括红外调制解调模块和蓝牙模块两部分。

由于红外激光传输的单向性，因此可以认为在发送方和接收方通信模式中，红外 传输数据流是单向的，为了保证数据传输的单向性，在系统驱动程序设计中，本 文将发送方和接收方的驱动程序分别设计，即发送方的ARM系统只负责向通过 红外激光外发送数据，而接受方负责接收该数据并确认该数据是否合法有效。但 对于蓝牙模块来讲，则没有这种数据传输方向性的限制，一旦建立蓝牙连接，双 方可以进行全双工的通信。因此在设计时需要将红外模块和蓝牙模块分别处理， 本文中利用S3C4480x自带的两组uART实现了上述两组模块的数据传输问题。 另外，如何控制数据的发送和接收是需要驱动程序解决的另一个问题，通过

分析数据流，本文认为，AI洲上的主要的中断发生在有数据到来的时刻，

第五章基于S3C4480X的ARM驱动层程序实现

S3C44BOX对于UART上的数据读取有专门的中断pISR。URXD0，pISR。UIⅨDl 当uART上有数据到来需要读取是，触发该中断，通过设置中断入口向量，系

统自动转到相应的中断服务程序。对于发送端，还需要添加按键中断，当有按键 按下时，中断触发，ARM将暂存的信息通过红外调制模块发送。 通过上述分析，本文设计ARM驱动方案如下：

l、发送端，接收端的UART0作为蓝牙与ARM的通信管道，UARTl作为红外

模块与Al洲的通信管道。

2、发送端设置中断Eint4567lsr()和Receivejntemlpt(UARTO)。 3、接收端设置中断ReceiVe—Intemlpt(UARTl)。 5．2发送端驱动程序设计与实现

发送端驱动程序设计的主要工作集中在MCU工作端口初始化，中断向量与 中断服务程序映射关系的建立以及中断服务程序的编写工作。图5-2为发送端驱 动程序流程图。在具体实现过程中，分为MCU内核的初始化和中断服务程序编 写两部分。

图5．2发送端AItM驱动程序流程图

第五章基于S3C4480X的ARM驱动层程序实现

5．2．1发送端MCU内核初始化

在S3C44BOX加电工作时，其需要设置一些寄存器的值，使其能够满足本系 统工作的需要，在本系统中S3C4480X的初始化主要完成以下步骤： 1、CACHE初始化：

设置rSYSCFG=CACHECFG： ／／允许写BuFFER，使用8KBCACHE 2、端口初始化：

通过Port lnit()函数实现，本文中主要用到S3C44BOx的G端口，因此在

Polt Init()函数中添加如下代码：

rINTCON=0x 1：

／／设置中断模式为矢量中断模式，允许MCU响应IRQ，禁止响应FIQ。

rPCONG=0xf骶／／开启所有中断EINTl～7

rEXT附T=Ox22222222： ∥设置中断触发方式为下降沿触发

rINTMsK=～(BIT—GLOBAL IBIT—EINT4567IBIT—-URxD0)；

／／设置中断屏蔽寄存器，屏蔽除GLOBAL(全局中断)，EINT4567(按键 中断)，URXDO(UART0口读数据中断)以外的所有中断。 3、ISR(中断服务程序初始化)： 通过函数ISR Init()实现，主要包括： pISR_E烈T4567=(int)Eint4567Isr； pISR_URXD0=(unsigned)ReceiVe_lmerrupt；

／木关联中断向量地址和中断服务程序的入口地址，在S3C44BOx中 pISR_EⅣT4567被声明为(IsR_STARTADDRESS+0x74)，plsR-URXDO被声 明为(ISR STARW山DRESS+Ox3c)由于中断被设置成下降沿触发，当上述两 向量地址上出现一个高低电平转换时，转到对应的服务程序进行处理。枣／ 至此，发送端驱动程序初始化工作完成，初始化完成后，系统进入循环等待 状态，直到MCU响应某中断，转入相应的中断服务程序。 5．2．2发送端中断服务程序的实现

函数Eint4567Is“void)为发送端按键中断处理函数，其功能是通过按键把 keyBufa中的数据通过UAI玎l的TXl发送出去，如图5-3所示：

外部中断源：

按键

蝴她H=蠹赫掣呲邮

图5．3按键中断程序功能说明

4l

第五章基于S304480x的ARM驱动层程序实现

关键代码实现如下：

rEXTnⅥTPND=Oxf．

n—lSPC=B11i-EINT4567； Uarc-Select(1)； Uart-SendString(head)； UaILSendString(keyBuf．a)；

Uart--SendString(keyBufa)；

Uart-SendString(keyBufIa)； Uarc-SendString(tail)；

／／由于EINT4567共享一个中断源在每次进入、 E烈T4567中断时都要清除EXTmTPND寄存器。 ∥清除I ISPC寄存器与被响应中断对应的 pending位，代表MCU已经响应该中断。 ／／选择UARTl，数据发送到红外调制模块 ／／发送头部信息。

∥发送有效信息三次，在接收端校验。 ∥发送尾部信息。

函数Receive-Interrupt(void)为发送端数据接收中断处理函数。数据从 uARTO口接收，它的功能是将发送端PDA经蓝牙发送过来的信息暂存并发回 PDA进行校验，见图5．4。

外部中断源： 待发送信息通过蓝牙输出到发 uARTO接收中中断处理送端ARM系统，等待经红外发 断送。

图5-4 ReceiVe_IntemIpt()功能说明 关键代码包括以下部分：

rI ISPC=BIT uRxDO： ／／清除中断标志位

data=RdURxHO()； ／／通过UART0的IⅨO来接收PDA传过来的数据。

i弼<100)

{keyBufD++]=data；

if(data—t＼r’) ∥读到数据尾部 {m．j；

for(k=0；k

keyBufa[k】_keyBuf【k】；∥开辟缓冲专门存放有效数据

Uan Select(O)； ／／选择蓝牙串口UART0

uan-Sendstring(keyBuf)；／／目的把接收的数据回传给PDA，验证通 过蓝牙传输的数据是否正确。 j=O；})

42

第五章基于S3C4480X的ARM驱动层程序实现

else

{j=O；

Uan-Select(O)；

UatPrintf(1tBu仃er Overnow!＼n’’)；／／超出缓冲区大小，报错退出。

5．3接收端驱动程序设计与实现

红外激光通信系统接收端和发送端相比由于不需要按键发送信息，所以只需 要设计一条针对UARTl口数据接收中断。程序架构与发送端类似，只是有功能 上的不同，具体流程图见图5．5。 图5．5接收端驱动程序流程图

由于工作模式类似，接收端的内核初始化过程和发送端基本相同，不同仅在 于rINTMSK(中断屏蔽寄存器)设置和ISR初始化过程。因此，在本节只是简要 介绍其不同之处，其余过程不在赘述：

第五章基于S3C44BOX的ARM驱动层程序实现

11fNTMSK=一(BIT-GLOBALIBIT．』RXD 1)；

∥屏蔽除GLOBAL(全局中断)，URXDl(uARTl口读数据中断)以外的所有中断。

pISlt』RXDl=(unsigned)ReceiVeLIntelTupt；

／／关联中断向量地址pISR I爪xDl和中断服务程序ReceiVe-IntemIpt()。 5．3．1接收端中断服务程序实现

接收端中断服务程序主要作用是实现数据的缓存，为发送给PDA做准备， 在这设计期间采用过两种方案：一是实现数据的转发，由于接收端是按字节接收 数据，因此在每接收到一个字节之后就通过蓝牙向PDA转发一个字节，但由此 带来一个问题就是数据完整性的不到判断，无法实现接收到一个完整数据包时让 蜂鸣器工作。因此采用了第二套方案，将接收到的数据缓存，等读取到结束标志 时，再判断缓冲区中的数据包是否完整，具体流程详见图5．5。 中断服务函数Receivejntemlpt(void)关键实现代码如下：

rI ISPC=BIT

u1ⅨD1； ／／清除中断标志位

data=RdURXHl()； ／／接收数据。 if(data!=’#’) {

if((data>=’a’)&&(data<_’z’))∥判断接收数据的合法性，合法数据暂存 { reTemp[countre】-data；

COUntre++；

retUm：

)

??同上，主要判断是否为数字和大写字母等

else

{coun仃e=O；∥读到其它字符，如乱码重新读

retIJln：

)

}∥读到报尾结束标志，判断报尾前4．bit数据是否符合协议定义

else if((reTemp[counter．4]==tb’)&&(reTemp[counter-3】_2’1’)&&

(reTemp【counter-2】==’a‘)&&(reTemp[counte卜l】=亍’O’)) {

∥判断报头4．bit是否符合协议，如果符合则认为是完整的数据包

if((reTemp[3】’=．b’)&&(reTemp[2】-=’1’)&&(reTemp[1】-=’a’)&& (reTemp【O】==’0’))

第五章基于s3c4480x的ARM驱动层程序实现

( Uan-Select(O)；／／选择UARTO，以下数据通过蓝牙发送 for(jin=counter．jin>O；jin～)

Uan．SendByte(reTemp【counter-jin】)；／／发送缓存的数据到接收端PDA

Uart_Select(1)；

／／蜂鸣器控制

rTCoN &=～0xf0000；∥停止计时器3，关闭其所有属性。 rTCFG0 &=～0xf阳O； ∥设定计时器3预分频

rTCFGl &=～OxfDOO： ∥计时器3工作在MCU主频的1／16频率 rTCFGl l=Ox3000；

rTCNTB3 =GetCpuClock()／(2100木16)；／／设定蜂鸣器呜叫频率

rTCMPB3 =rTCNTB3>>1；／／设计蜂鸣器工作占空比

rTCON I_0Xd0000； ∥开启计时器3声音开始

Delay(5000)； ∥设定蜂鸣器呜叫延迟

rTCON &=~0x10000： ／／关闭计时器3

countre=0；∥重新读数据

retlJIn：

)

)

else ／／读到报尾标志但报尾不符合协议，重新读 countre=0：

5．4本章小结

本章对于红外激光通信系统的驱动程序设计进行了详细介绍，由于本系统数 据流比较单一，因此开发时没有将操作系统移植到ARM核上，主要工作集中在 熟悉S3C44BOX的各个端口寄存器，并将其正确的初始化以及编写相应的中断服 务程序。整个驱动程序设计力求简洁，有助于提高系统的实时性并减小ARM核 的功耗。

45

第六章红外激光通信系统应用层程序设计与实现

第六章红外激光通信系统应用层程序设计与实现

虽然面向连接的TCP协议具有提供自动处理分组丢失和交付失序问题的能 力，这样程序能够更加关注于应用层的设计。然而，由于测试系统中硬件环境的 限制，包括室内AP和PDA无线模块功率较低，以及周围无线信号干扰源较多 等因素，造成网络信号不稳定，甚至会出现暂时中断现象。因此，最终放弃了 TCP而选择UDP作为系统的传输层协议。UDP是一种面向非连接的，不可靠的 通讯协议，相对于TCP来说，虽然可靠性不及，但传输效率较高，并且没有建 立连接过程的开销。

6．1基于UDP的自定义通信协议总体设计

为了使用UDP实现可靠的数据传输，本文在应用层自定义了一套针对于本 系统应用的协议，协议内容见表6．1。 表6．1基于uDP的自定义协议格式

为了使该协议能够尽可能的保证数据的完整性，本文在自定义的协议中加入 如下机制，用以增强协议的可靠性：

第六章红外激光通信系统应用层程序设计与实现

1．数据检验机制

在自定义的数据包中加上了包头和包尾，每接收到一个数据包都会对包头和 包尾内容进行校验，并且对于包内的数据也加入校验机制，即发送端一次发送的 数据包包含三个有效数据字段，当检测到两个或以上的字段相同，则认为该数据 报是正确有效的，提取出其中一段，转入上层处理。这样可以在一定程度上保证 数据的正确性。 2．超时重传机制

发送方每发出一个数据包，都会设定一个定时器并进入等待状态，等待接收 方对该数据包的应答包(即ACK)。如果发送方在定时器超时之前接收到了ACK， 那么说明该数据包发送成功，此时发送方会取消刚才设置的定时器。相反，如果 定时器在接收到AcK之前超时，此时，发送方认为该数据包丢失，并重新发送 丢失的数据包，并且将继续这样做直到收到目的方的回应。

6．2 PDA端，Server端应用程序具体实现

整个应用层的软件开发基于Select I／O模型[33】。为了方便使用，本文将

winSock API函数封装到了CuDP—CE类中，用于控制所有的uDP操作。

CUDP CE类图如图6．1所示。

CUDP CE

∞m c++Reve常Enginee悖d)

I黪m—-onudpErTor：oNuDPERRoR

缀≥rrLOnudpRecv：ONuDPREcV 1l衫rrLonudpsend：oNuDPsEND

戮m—onsendReco州：oNsENDREcoRD

翳参m—uDPsocket：socKET

l囊≯1rLRemoteAddr：struct sockaddr-jn ；移m ExitlhreadE、ent：HANDLE

§矜m．_po、^，ne^～nd：cwnd+ g彩sendBuf：char。 荔参ackBuf：char。 藏r徊ckedType：char I绂筘tate：jnc 廖箩cuDP_-cE()

l塑k>_CuDP—JcE()

》open()

嚣努close()

夔蟹sendData()

沪ResendBufi()

矜Reset()

澄<>RecvTh悖ad() 净ParsePackage() 毋HandlePackage()

凌pos()

图6．1 CuDP CE类图

47

第六章红外激光通信系统应用层程序设计与实现

由于使用UDP协议的通信双方是对等的，因此，PDA和Server使用的都是

CUDP CE类。所不同的是，在SerVer端维护了一个链表结构，链表中存放着所

有与PDA通信的CUDP CE类的对象。

CUDP CE类提供了Open方法用于打开UDP服务，同时Open方法参数里

指定了UDP本地端口、UDP远程IP地址和UDP远程端口。执行Open方法， 系统创建一个单独的线程RecvThread，在RecvThread线程中通过select事件模 型来检测UDP事件，这里主要包括数据到达事件和UDP发生错误事件。 Close方法用于关闭已打开的UDP服务。 SendData方法用于向远程发送数据。

ReSendBuf方法用于在超时后向远程重发缓冲区中的数据。 ParsePackage方法用于将接收到的数据包进行包头和包尾校验。

HandlePackage方法用于处理在ParsePackage方法中校验合格的数据。即根 据数据包的类型，按照协议内容进行相应处理。

CUDP CE类中还定义了四个回调函数接口：UDP发送数据事件、UDP接

收数据事件、UDP发生错误事件和uDP返回测试结果事件。 定义UDP传输数据包结构为：

为了更形象的说明该协议的工作过程，本文利用图表的形式说明了在该协议 在实际应用中的工作过程，具体内容见图6．2

首先，参与测试的PDA会向serVer发送申请加入测试系统的消息，并等待 serVer对此消息的ACK包，若在此之前定时器超时则重发申请信息。 当SerVer收到所有PDA的申请加入信息后，发送开始信息。

PDA接收到消息后开始红外激光通信系统的通信，每个PDA负责记录各自 的通信信息，在整个通信过程中PDA与Server之间不进行数据交互。 任何一个PDA都可以通过向SerVer发送结束信息来终止本次通信。SerVer 接收到结束信息后会将该信息转发给系统中的所有PDA，并在收到所有其他 PDA的ACK后，再ACK发起结束信息的PDA。

所有的PDA都在测试结束后将自身记录的结果返回给SerVer，由SerVer做最

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第六章红外激光通信系统应用层程序设计与实现

终统计。通信过程结束

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6．3本章小结

图6．2自定义UDP协议工作过程流图

本章主要介绍红外激光通信系统应用层程序的设计与实现过程，本文提出的 基于UDP的自定义协议是一种折衷的方案，在室外环境无线射频干扰很强烈， 系统中的移动设备如AP，PDA的功率相对较小的情况下。uDP协议可以节省通 过三次握手建立的连接的时间开销，提高系统的实时性。另外由于开发时间的需 要，选择了实现起来相对容易的UDP协议，这一点也被列在下一步的工作之中。

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第七章红外激光通信系统性能测试

第七章红外激光通信系统性能测试

7 1红外通信测试

在本节测试中，主要测试两部分，一是红外调制电路生成的波形是否符合设 计要求，二是测试红外激光接收模块是胥可以正确的接收数据。 首先，利用示波器测试红外调制模块输山波形，将示波嚣接GND，探针l 测试T2集电极，探针2测试Tx线。当有按键按下时，得到图7·J的输出波形：

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图7．】红外调制模块调制波输出波形

波形图中，上半部分是探针l的输出波形，即经红外调制模块调制的38kHz 调制波，下半部分为探针2的输出波形，即由ARM系统输出到红外调制模块， 未经调制的2 4kH2信号。通过观察发现，未调制信号的高电平部分．调制波为 低电平，即没有信号输出，反之，在未调制信号的低电平部分，调制波输出高频 脉冲信号，经L文4 2 1小节测试，脉冲频率为38kHz。凼此，可以得出结论， 红外调制模块工作正常，其实际工作状态符合设计要求，即信号低电平有效，调

第七章红外激光遥信系统性能测试

制频率38k}Iz。

在确定了红外调制模块输出的正确性后，下一步工作是确认红外解调模块是 否可以正确地接收数据，由于通过波形图不容易确认，本文通过计算机中的超级 终端，将接收模块通过自制的串口转换设备连接到笔记本，用以确认数据的正确 性。

在测试中，发送端输H{0a】b69h69俩9曲laO．接收端通过超级终端接收到的

数据如图7—2所示·

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图7．2红外解调模块接收数据图

经过多次测试，得出结论红外解调模块可以正确的接收由发送端传送过来的 数据。整个红外通信模块符合设计要求，可以正常使用。

7 2系统整体测试

作为红外激光通信系统的应用之一，本文选择了真人实景游戏测试过程作为 对本系统整体功能验证的依据。

真人实景游戏是将本文中开发的ARM主板，红外调制模块，红外激光管等 整合到玩具枪中如图7．3所示，将红外解调模块等设各整合到迷彩服中，从而形 成T发送端和接收端。

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第七章红讣激光通信系统性能测试

图7-3真人实景游戏玩具枪内部结构阁

发送端发送本人的ID信息到接收端，以此代表接收端被ID所代表的发送端 所击中。由此可见，真人寅景游戏只是将本系统封装在玩具中，基本思想和本系 统完全一致，因此，真人实景游戏的测试过程完全可以代表本系统的测试过程， 现将真人实景游戏的测试过程详述如下；

游戏开始前，首先玩家3，9通过PDA申请游戏任务，服务器接收到该申请， 发送应苔信息并在发送开始游戏标志，玩家l 2游戏开始。在游戏过程中，当 方玩家接收到另一玩家发送过来的JD信息，代表被击中，蜂鸣器报警，在PDA 上显示发送方玩家的ID信息，当一方累计被击中l 0敬，蝣戏结束，在服务器上 显示统训信息，整个游戏实景测试过程如图7-4～罔7—6所示。

第七章红外檄光通信系统件能测试

图7．4玩家申请任务 图7．5玩家被击中，失败

第七章红外激光通信系统性能测试

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图7．6服务器统计信息

真人实景游戏测试结果证明，本文设计并实现的红外激光通信系统完全能够 胜任实景游戏系统的数据传输工作。系统工作稳定可靠，实现了远距离红外通信 的目标。

7 3本章小结

本章对于红外激光通信系统进行了充分的测试，从关键模块的微观测试到系 统整体的宏观测试。测试结果表明，红外激光通信系统的实际表现符台设计方案 中的要求，可以胜任真实环境下的数据传输工作，在比较恶劣的环境，如强光， 雾天等天气状况下也能有比较好的工作表现。

第八章结论及展望

8-1论文总结

第八章结论及展望

本文从理论和实践角度分别论证了红外激光无线通信系统的设计过程，测试 结果表明该系统稳定可靠，达到预期设计要求。该系统具有理论可行性，文中提 出的红外激光数据传输的设计方案具有实际的应用意义。

在理论方面，本文在对该系统方案进行了可行性分析基础上，借鉴舰载红外 警戒系统相关技术，结合照度平方反比定律计算出系统的理论传输距离，为今后 进一步开发打下了坚实的理论基础。

硬件平台的工作重点是设计占空比可调、频率可调的激光调制解调模块以及 在强电流工作环境下电路的优化设计，主要包括：大电流对管的应用，高耐压线 圈电感的使用以及大电流，高效率升压稳压芯片MAxl703的应用，PCB抗干扰 性设计等等。

在软件开发方面，本文开发的ARM主板驱动程序具有一定的通用性，可以 支持自定义添加更多的中断向量及相应的中断服务程序。设计的基于UDP的自 定义通信协议简单可靠，通过实际测试结果证明，该协议能够满足一般数据量传 输的要求

最后，文章详细的论述了对系统进行的测试过程，从微观的模块测试到宏观 的系统整合测试，测试结果表明，系统工作稳定，能够达到设计方案的要求，最 终设计出的原型系统在现实生活中得到了应用，有实际的应用价值。 红外激光通信系统从设计到实现是一次对光通信研究领域的探索过程，相信 在此基础上，今后的对于红外激光通信领域的研究必将会取得更大的成果。 8．2今后的工作展望

．由于开发时间的需要，本文作者着重于系统硬件平台的设计和优化，对于系 统软件开发环节无法投入更多的时间和精力。因此，下一步的工作重点将放在 ARM驱动开发和高效通信协议定义方面，具体的工作主要有：

l、将肛ClinuX或其它操作系统移植到ARM核上，利用操作系统实现对中断等服 务的控制

第八章结论及展望

2、自定义的UDP协议过于简单，只能满足小规模的应用，无法应对大量并发数 据的通信。下一步工作着重思考如何在应用层制定更完备的通信协议，如将 TcP／IP协议移植到wINCE平台上。

3、考虑对系统硬件设备的升级改造。尽管本文设计的硬件平台可以满足实际应 用的需要。但由于接收模块滤波带宽的限制，通信速率只能达到2．4kbps。下 一步准备重新设计接收模块电路，提供更高的通信带宽。

本文设计的红外激光通信系统作为原型系统，下一步需要做到工作还有很 多，如果能够继续深入的进行研究开发，相信该系统一定能够实现更大价值，得 到更广泛的应用。

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发表论文和参加科研情况说明

发表论文和参加科研情况说明 参与的科研项目：

真人数字实景游戏平台 地铁闸机检票系统

致谢

致谢

两年的研究生生活即将结束，回想过去的两年，自己在理论知识和实践能力 上都得到了很大的提高，这些成就的取得与我的两位导师任长明教授，李晓红教 授的悉心培养是分不开的。

在实验室从事科研阶段，任教授传授给我很多硬件开发的理论知识以及实践 经验，是任老师将我领入了硬件开发领域的大门，让我学习到硬件开发的精髓。 不过，能力所限，自己在硬件开发方面的经验还很欠缺，但有了研究生阶段的积 累，我相信自己可以在这个领域取得一定的成就，以实际行动报答任老师的培养。 我的另一位导师，李晓红教授是安全软件工程方面的专家，通过参加李老师的学 术报告会，我学习到了很多关于软件安全性方面的知识，也促使我在编写基于硬 件平台的驱动程序、应用程序的时候，格外注意自己的设计是否会带来软件安全 性方面的问题。两年来，两位导师给予我学术上，生活上很大的帮助，我无法用 语言一一概括，只能借此机会对两位导师表达我深深的谢意。

除此之外，两位导师对于我的论文都提出了宝贵的意见，使我能够在规定时 间内高质量的完成了我的毕业论文，我很幸运能够同时被两位老师指导，由衷的 感谢两位教授对于我的关心和爱护。

在实验室工作及撰写论文期间，王建荣老师带领我们进行了真人实景游戏的 测试工作，对课题的研究也提出了宝贵的意见。我的同学蒋丽对我的论文中关于 软件开发的部分提出很多实用的建议，张玉贵同学对于本文中的红外调制解调模 块PCB设计方面也提出了意见和建议，在此也对他们对我工作的支持表示衷心 的感谢。

最后，我要感谢我的家人和朋友，没有他们的支持，我无法专心致志的完成 我的学业。

远距离红外激光无线通信系统设计与实现

作者： 马鑫

学位授予单位： 天津大学 相似文献(3条) 1.学位论文刘智 自由空间光通信系统研究 2006

自由空间光通信或称为无线光通信（Free-Space Optics，简称FSO），是光纤通信和无线通信相结合的产物，是采用红外激光承载高速信号的无线 传输技术，它以激光为载体，在大气中传送激光信号来实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图象信息的双向通信的技术。FSO技术具有与 光纤相同的传输能力，能以千兆的速度进行全双工通信，它的工作原理与光纤通信系统类似，包括光发送、光传输和光接收三个部分，因此它又称为 “虚拟光纤通信”。目前，我国许多大城市已基本实现光纤到路边（FTTC）和光纤到小区（FTTZ），但是从路边、小区到用户的“最后一公里”却仍然 是窄带，这已成为用户享受宽带业务的瓶颈，FSO作为解决“最后一公里”的宽带接入技术正得到越来越广泛地运用。

本文简单介绍了自由空间激光通信的发展历程、技术优势及应用和国内外发展状况，讨论了影响FSO性能的主要因素，提出了一种实用的FSO系统设 计方案，分析了FSO系统的发送及接收端的各部分功能，特别是对VCSEL管发射电路、雪崩二极管（APD）接收及偏置电路及PECL电平和接口进行了详细分 析，对FSO系统的一些重要参数进行了估算，介绍了FSO样机的实验、重要指标的测试、系统功能演示的方法，并对如何进一步提高FSO系统性能指标提出 了一些建议。

2.期刊论文王全 无线激光越境监控系统设计与实现 -佳木斯大学学报(自然科学版)2002,20(1)

介绍采用无线通信、码分多址通信、激光、传感器等技术设计实现的越境监控系统,详细介绍了系统的组成、工作原理、技术特点、主要电路设计、 达到的技术指标,以及为提高可靠性采取的一些措施.

3.学位论文邓磊 自由空间光通信系统结构的研究 2005

自由空间光(FreeSpaceOptics,简称FSO)通信是传输调制红外光的光通信技术,它基于光传输方式、采用红外激光承载高速信号、以大气空间为介质 ,用点对点或点对多点方式实现连接,是一种既有无线通信特征又有光通信高速传输优势的视距技术。论文包括四章。第一章首先简述了FSO的历史由来、 技术优势和应用领域,以及国内外发展历程与最新研究动态。接下来,介绍了系统基本构成,并与其他无线接入方式就性能、应用等方面进行了比较。第二 章研究了地面空间光通信大气信道。首先介绍了空间光通信的光学本质、大气衰减效应与大气湍流效应,建立了大气衰减信道模型与大气湍流信道模型 ,从最恶劣的天气状况出发,讨论了受衰减影响的光功率变化,并就接收机误码率、通信距离及能见度之间关系进行了分析。指出了单纯提高发射功率并不 能有效提高通信距离。论文还分沂了波长选择、减小误码率和提高通信可靠性等的对策,分析结果对系统设计有借鉴意义。第三章详细介绍了空间光通信 系统组成及工作原理。包括光发射子系统、光接收子系统和PAT系统。

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1519141.aspx 下载时间：2010年5月14日__

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p80g.html