一、任务
设计并制作一个红外光通信装置。
二、要求
1．基本要求
（1）红外光通信装置利用红外发光管和红外光接收模块作为收发器件，用来定向传输语音信号，传输距离为 2m，如图 1 所示。
（2）传输的语音信号可采用话筒或Φ3.5mm 的音频插孔线路输入，也可由低频信号源输入；频率范围为 300~3400Hz。
（3）接收的声音应无明显失真。当发射端输入语音信号改为 800Hz 单音信号时，在 8Ω电阻负载上，接收装置的输出电压有效值不小于 0.4V。不改变电路状态，减小发射端输入信号的幅度至 0V，采用低频毫伏表（低频毫伏表为有效值显示，频率响应范围低端不大于 10Hz、高端不小于 1MHz）测量此时接收装置输出端噪声电压，读数不大于 0.1V。如果接收装置设有静噪功能，必须关闭该功能进行上述测试。
（4）当接收装置不能接收发射端发射的信号时，要用发光管指示。
2．发挥部分
（1）增加一路数字信道，实时传输发射端环境温度，并能在接收端显示。数字信号传输时延不超过 10s。温度测量误差不超过 2℃。语音信号和数字信号能同时传输。
（2）设计并制作一个红外光通信中继转发节点，以改变通信方向 90°，延长通信距离 2 m，如图 2 所示。语音通信质量要求同基本要求（3）。
中继转发节点采用 5V 直流单电源供电，电路见图 3。串接的毫安表用来测量其供电直流电流。
（3）在满足发挥部分（2）要求的条件下，尽量减小中继转发节点供电电流。
（4）其他。
三、说明
1．本装置的通信信道必须采用红外光信道，不得使用其他通信装置。发射端及转发节点必须采用分立的红外发光管作为发射器件，安装时需外露发光管，以便检查。不得采用内部含有现成通信协议的红外光发射芯片或模块。
2．中继转发节点除外接的单 5V 供电电源外，不得使用其他供电装置（如电池、超级电容等）。
3．测试时，自备 MP3 或录音机及音频连接线。
GPT-4o给出的设计方案：
一、设计方案
本题要求设计一个红外光通信装置，能够传输语音信息，并通过中继转发保证信号传输质量。以下是详细设计方案：
二、方案论证
-
红外发射与接收装置：
- 使用红外LED作为发射装置，发射调制后的红外信号。
- 红外接收装置采用红外光电二极管或光敏电阻，接收并解调信号。
-
调制与解调电路：
- 音频信号调制采用类似于幅度调制（AM）的方法，将音频信号叠加到红外载波上，确保频率在300Hz至3400Hz范围内。
- 接收端进行相应的解调，通过滤波电路提取原始音频信号。
-
温度传感器与中继站：
- 温度传感器实时监测环境温度，通过模拟信号或数字信号传输至接收端。
- 中继转发模块接收到弱信号后，重新放大并发送，确保长距离通信的信号传输质量。
三、重要指标的理论分析
-
信号调制与传输：
- 红外信号的调制频率应在1MHz以上，以避免音频信号与载波混淆。
- 距离2米内的传输要求信号的强度足够，以减小噪声干扰。
-
信号接收与解调：
- 接收端需要高灵敏度的红外接收器，能够捕捉和解调微弱的红外信号。
- 确保接收到的信号电压值高于0.1V，并且经过低通滤波器后，还原原始的音频信号。
-
温度监控与响应时间：
- 温度传感器的测量精度不超过2°C，信号传递和显示的总响应时间不应超过10秒。
四、电路原理图设计要点
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红外LED驱动电路：
- 选用恒流源驱动红外LED，确保发光强度的稳定，以保证传输距离。
- 增设散热装置避免LED过热。
-
调制信号生成：
- 使用NE555定时器生成稳定的1MHz载波信号，调制输入的音频信号。
- 确保调制信号的频率高于音频信号，以便后续解调。
-
红外接收器选择：
- 选用带有内置滤波功能的红外接收管，如TSOP1738，有效滤除环境光干扰。
- 接收灵敏度高，响应时间快。
-
解调与滤波电路：
- 包络检波器采用高速二极管和滤波电容，确保解调的准确性。
- 低通滤波器选用适当的截止频率，去除调制载波和高频噪声，恢复出清晰的音频信号。
五、核心器件设计要点
-
红外LED：
- 高功率红外LED，发射波长为850nm左右，确保高效的红外传输。
- 需配置匹配的驱动电路和散热器，以延长工作寿命。
-
红外接收器：
- 高灵敏度的红外光电二极管或光敏电阻，具有快速响应和高信号灵敏度。
- 结合前置放大器和滤波电路，提取出有效的信号并进行解调。
-
MCU 控制器：
- MCU（如STM32系列）用于监测温度传感器，处理通信协议，并控制中继转发模块的工作。
- 具备多种外设接口，如ADC、GPIO和UART，以实现多功能的系统控制。
六、重要功能的C代码
下面是用于处理温度传感信息和控制中继转发功能的C代码示例：
#include "stm32f4xx.h"
// 初始化函数
void system_init() {
HAL_Init(); // 初始化HAL库
// 初始化ADC、UART和GPIO等
init_adc();
init_uart();
init_gpio();
}
void read_temperature() {
uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 读取ADC值
float temperature = (adc_value * 3.3 / 4096.0 - 0.5) * 100; // 将ADC值转换为温度
display_temperature(temperature); // 显示温度
}
void transmit_signal() {
uint8_t data = receive_uart(); // 从UART读取数据
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, data); // 控制红外LED
}
void main(void) {
system_init(); // 系统初始化
while(1) {
read_temperature(); // 读取并显示温度
transmit_signal(); // 发送红外信号
HAL_Delay(1000); // 延时1秒
}
}FPGA用于信号调制与解调，以下是FPGA实现信号调制与解调的示例代码：
module signal_modulation(
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire [7:0] audio_in,
output reg ir_led
);
reg [23:0] carrier;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
carrier <= 24'd0;
end else begin
carrier <= carrier + 24'd1_000_000; // 1MHz载波
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
ir_led <= 1'b0;
end else begin
ir_led <= audio_in[7] & carrier[23]; // 简单的AM调制
end
end
endmodule
module signal_demodulation(
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire ir_receiver,
output reg [7:0] audio_out
);
reg [23:0] carrier;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
carrier <= 24'd0;
end else begin
carrier <= carrier + 24'd1_000_000; // 1MHz载波
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
audio_out <= 8'd0;
end else if (carrier[23]) begin
audio_out <= {audio_out[6:0], ir_receiver}; // 简单的AM解调
end
end
endmodule通过上述设计和代码，可以实现红外光通信装置的设计和功能，满足题目中传输语音信息、实时温度传感、中继转发的要求。设计中包含了红外发射与接收电路、信号调制与解调、温度传感器的实时监测等关键功能。
本题考察的主要知识点
本项目主要考察以下几个知识点：
- 红外通信技术：通过红外LED和接收器实现语音信号的无线传输，包括调制与解调技术。
- 音频信号处理：涉及音频信号的采集、调制、传输、解调和还原。
- 温度传感与监控：使用温度传感器实时监测温度，并通过红外通信传输温度数据。
- 中继转发机制：设计中继站以增强和扩大红外信号的传输范围。
- 电路设计：包括红外发射电路、接收电路、中继转发电路及其供电电路的设计。
- 嵌入式系统编程：使用MCU实现控制逻辑和数据处理，在FPGA上实现信号调制与解调功能。
这些知识点涵盖了无线通信、电路设计、信号处理和嵌入式系统开发等领域。
