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
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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
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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。
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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
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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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图4．3 NE555多谐振荡器基本模型
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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)
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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
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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
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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。
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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
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公式(4．4)
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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