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