方案三.单片机实现
将前端输出连接到单片机的外部中断，结合定时器判断外部中断间隔的时间，从而获取数据，将采集到的数字信号进行编码产生PWM波调制信号。成本相对较低，但传输速率低，难以实现语音信号与温度信号的并行同步处理。
考虑到实际情况，结合手边资源，最终采用FPGA EP3C10E144C8N和EP2C8Q208C8N实现。
2 理论分析与计算
2.1 红外发送距离和接收功率
信号传输距离与发射管发光强度，方向角度以及接收管的灵敏度有关。光照强度与距离之间的关系为E=I/(R*R)，其中I为照度，R为发射端与接收端间的距离，光照强度E决定发射管发射功率
接收管的接收功率力越强，
为
。
其中λ为红外光波长，发射口径有效面积，发射管的半功率角度越小聚光能
越大。在发射功率一定的条件下，要保证2米的通信距离需要将接
收管对准发射管最大辐射方向，从而增大发射和接收的有效面积。
2.2 非均匀量化信噪比高
语音信号数字化若采用均匀量化方式，则量化信噪比会随信号电平的减小而下降。若采用非均匀量化编码，在出现频率高的低幅度话音信号处运用小的量化间隔，在不经常出现的高幅度语音信号处运用大的量化间隔。这样可以扩大输入信号的动态范围，提高小信号的量化信噪比，进而改善量化性能。
A律13折线法从非均匀量化的基点出发，将折线段划分成128个不均匀的量化级，编码时只需要7位，加上一位极性码共8位，若采用均匀量化则需要11位，所以使用PCM A律量化编码既提高了量化信噪比，又减小了带宽。
2.3 脉冲频率和宽度
语音频率在300-3400Hz,根据奈奎斯特定理，Fs≥2Fa即约8kbit/s时可无失真恢复出语音信号。
信道编码采用1/4的脉宽调制方式极大地降低了系统的功耗，编码采用脉宽为1/4比特位的脉冲调制，占空比为1/4，整个通信过程中，若‘1’，‘0’等概率出现，高电平时间占总时间的1/8。若使用普通的全占空串行通信方式，在同等条件下，高电平占用时间为1/2。同等通信速率下，前一种信道编码方式功率消耗为后一种的1/4。
3 硬件电路设计
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3.1 硬件模块
在如图3所示的红外发射装置中，温度，湿度检测电路采用DHT11电阻温湿度传感器，由MSP430PM64单片机处理温度湿度信号，使用PCM编解码器MC14LC5480DW实现语音信息的采样量化模数转换。采用FPGA EP3C10E144C8N处理语音和温度数据，产生脉冲序列，驱动红外发光二极管，红外发射管向外发送特定频率的近红外光。
语音信号PCM编码FPGA模块红外发射电路温度传感器单片机图3 红外发射装置
在如图4所示的红外转发装置中，红外接收管接收到的信号的波形会有所失
真，经非门整形，输出到红外发射管，从而在接收端获得较大信噪比。
红外接收整形红外发射 图4 红外转发装置
在如图5所示的红外接收装置中，TFDU4100红外接收模块将接收到的信号处理后传输给FPGA。MC14LC5480DW编解码器解码得到的其中的语音信号。同时单片机获得其中的温湿度数据并显示。
红外接收FPGA模块PCM解码显示屏单片机图5 红外接收装置耳机
3.2 软件编程
3.2.1 FPGA模块
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软件流程如图6所示
PCM单片机SPI总线语音 温度 湿度帧同步头复接成帧图6 软件流程脉冲产生器红外发射驱动
FPGA时钟源为50M的外部晶振,通过锁相环倍分频后得到40.96M的系统时钟，进一步通过计数器分频得到2.048M与8K的子时钟，2.048M时钟供给语音芯片作比特同步时钟，8K为帧同步时钟。
信号以80Kbits/s的速率传输，整个信道的时序被固定划分，信道传输信息的时间被划分成若干时间片（简称时隙），并被分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。其优点是时隙分配固定，便于调节控制。帧格式如图7所示：
帧头帧格式：1 bit 1 bit 1 bit ...1 bit 8位语音数据8 bits8 bits8 bits...8 bits温湿度数据1 bit 1 bit 1 bit ...1 bit 图7 帧格式
为提高传输速率，采用数据复用，并行同步传送信息位。帧同步头码为0x00FF。本设计在FPGA中加入43阶自同步扰码，增加比特流的随机性，有效地提高了 干扰能力。同时，自扰码的加入，并未增加比特流,信道利用率高。
接收装置处的FPGA EP2C8Q208C8N做与发射端相反的工作，采用锁相环锁频获取信号频率，采用glitch滤除毛刺，经过解扰码、解复接将温度信息通过SPI
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总线返给单片机，语音数据单线输出给终端语音芯片处理。
3.2.2 单片机温度显示
发射装置中，DHT11数字温湿度传感器内含已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该传感器具有快响应，抗干扰能力强等优点。该传感器与高性能，极低功耗的MSP430单片机相连接。单片机通过单总线数字信号口将温度、湿度数据读入RAM中，再通过自定义的串口将数据传输给FPGA。
如图8，接收端的单片机给FPGA输入使能信号，通过FPGA的SPI总线获取16比特的数据流，高8位是温度，低8位为湿度。此外，单片机外置光照强度传感器OPT101，通过单片机模数转换功能将光照强度引起传感器两端的电压变化直接转换为数据。通过SPI通信方式，在LCD上显示。
开始LCD初始化设置显示字符初始位置位置坐标移动液晶输入显示完否返回写入显示字符写入使能命令图8 接收装置中的单片机工作流程
4 测试方案与测试结果 4.1 测试仪器
TEKTRONIX TDS2012B双踪示波器 三台 F120型函数发生器 一台 GDM-451数字万用表 一台 YB1731A 3A直流稳压电源 一台 2CHACMILLIVOLTMETER低频毫伏表 一台 FLLIK117毫安表 一台 音频连接线 两根
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MP3播放器 一个 喇叭 一个 温度计 一个
4.2 作品测试及性能数据
各项功能的测试数据如表1
表1 各项性能测试数据
测试项目 通过Φ3.5mm的音频插孔线路输入一段mp3语音信号，在接收端用耳机接听，测试语音质量 发射端输入800Hz单音信号时，在8Ω电阻负载上，用数字万用表测试接收装置的输出电压有效值 指标要求 测试结果 结果分析 基本1 接受端无明显失真 语音良好，接收端无失真 系统稳定 (1)接受装置的输出电压不小于0.4V 减小发端信号至0V，接收装置的输出噪声不大于0.1V 当发端输入有效值为0.7V时，收端毫伏表示数为0.78V 输出端噪声电压为2.5mV 性能良好 基本2 性能良好 基本3 接收装置不能接收信号时，要用发光管显示 要求同本项目 但用纸片遮挡时，接收装置上的发光管即刻FPGA反应迅速，功由暗变亮，反应迅速，能正常 功能正常 温度时间响应<1S， 温度误差<1S DHT11与MSP430单片机工作正常，系统能实时传送多路信号 结果与直接传输效果一致，转发端用串连双非门整形效果良好 同上 在满足性能要求前提下，红外管串联了两个二极管，有效减小了电流 - 7 -
发挥4 实时传送发端温度值 时延10S内，温度误差2oC内 发挥5 增加一个中继转发节点，延长通信距离两米 要求同项目2 当发端输入有效值为0.7V时，收端毫伏表示数为0.78V 输出端噪声电压为2.7mV，比直接传输时略有提高 发挥6 中继转发节点采用5V供电，测量电流 满足两米通信距离的前提下，电流实测值为6.2mA 电流尽量小