基于單片機(jī)的紅外無線耳機(jī)裝置研究與設(shè)計(jì)

張英平，張明丹，韓 影

(吉林師范大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 四平 136000)

0 引言

在無線技術(shù)中，紅外通信是目前應(yīng)用最廣泛的通信形式，紅外傳輸技術(shù)已非常成熟．本文基于這種通信形式，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的紅外無線耳機(jī)，這款耳機(jī)可以不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，隨時(shí)隨地的使用，還可以方便的去掉耳機(jī)線．同時(shí)，這款耳機(jī)可以實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的較遠(yuǎn)距離傳遞，其控制靈活，調(diào)試起來比較容易．

1 紅外無線耳機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用調(diào)頻發(fā)射方法實(shí)現(xiàn)紅外無線耳機(jī)[1-3]，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示．在音頻信號(hào)的調(diào)制與發(fā)射部分，通過單片機(jī)與AD9851構(gòu)成的DDS電路，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制，隨后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管發(fā)射．在音頻信號(hào)的接收與解調(diào)部分，通過紅外管接收頭進(jìn)行接收，將其輸出信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)和D/A轉(zhuǎn)換進(jìn)行解碼，使解調(diào)波還原成模擬信號(hào)，經(jīng)過放大后輸出給耳機(jī)[3-4]．

圖1 采用調(diào)頻發(fā)射方法的紅外無線耳機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)主要由音頻檢測(cè)模塊、單片機(jī)與AD9851構(gòu)成的編碼調(diào)制模塊、紅外發(fā)射模塊、單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換構(gòu)成的解調(diào)解碼模塊、音頻信號(hào)放大模塊及耳機(jī)組成．

(1)音頻檢測(cè)模塊和編碼調(diào)制模塊

音頻信號(hào)的輸入檢測(cè)實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，是在信號(hào)輸入端口串聯(lián)一只10 μF電容，之后傳送至單片機(jī)與AD9851構(gòu)成的編碼調(diào)制模塊，電路如圖2所示．該編碼調(diào)制模塊的功能是產(chǎn)生45 kHz，Vpp不大于500 mV的正弦信號(hào)，用作載波信號(hào)，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，其輸出給發(fā)射電路．

圖2 音頻信號(hào)檢測(cè)及編碼調(diào)制電路

(2)紅外光發(fā)射模塊

由紅外線發(fā)光二極管特性，配合以8050三極管的放大特性，將已調(diào)制好的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外光信號(hào)，經(jīng)放大處理后發(fā)射出去．電路如圖3所示．該電路采用共發(fā)射極基本放大器，具有電流放大作用，輸出帶負(fù)載能力強(qiáng)，起到了阻抗變換、隔離緩沖的作用，使信號(hào)在傳輸時(shí)不易失真．為了增大紅外發(fā)射管的輻射區(qū)域，在三極管的集電極串聯(lián)兩個(gè)紅外線發(fā)光二極管D1和D2．

圖3 由紅外發(fā)光二極管和8050三極管構(gòu)成的紅外光發(fā)射電路

(3)紅外光接收模塊

利用光敏二極管的特性接收紅外光信號(hào)，配以LM386的放大特性，來接收發(fā)射端發(fā)射過來的信號(hào)，而后輸出給解調(diào)解碼模塊，電路如圖4所示．設(shè)計(jì)中的LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中．

圖4 由光敏二極管和LM386組成的紅外接收電路

(4)信號(hào)的解調(diào)解碼模塊

該模塊采用單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后用軟件程序?qū)崿F(xiàn)濾波，得到帶寬約為200 kHz的解調(diào)解碼信號(hào)，電路如圖5所示．

(5)音頻放大及耳機(jī)模塊

為了進(jìn)一步提高對(duì)耳機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，采用TD2030集成功放電路構(gòu)成音頻放大器，其特點(diǎn)是：集成度高，外圍元件少，音質(zhì)好，電路如圖6所示．

圖5 采用單片機(jī)與DAC0832組成的解調(diào)解碼電路

圖6 采用TDA2030的音頻放大及耳機(jī)電路

利用TDA2030進(jìn)行功率放大，它具有體積小，輸出功率大，失真小等特點(diǎn)．功率放大器內(nèi)含多種保護(hù)電路，工作安全，可靠性高，主要有短路保護(hù)，熱保護(hù)，地線偶然開路，電源極性反接以及負(fù)載泄放電壓反沖等保護(hù)作用．與普通電路相比較有更好的散熱效果，即使溫度超過時(shí)，也不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生影響[4-7]．

2 紅外無線耳機(jī)的軟件程序設(shè)計(jì)

經(jīng)過分析，軟件編程共分為兩個(gè)部分，第一個(gè)是音頻信號(hào)的編碼調(diào)制，第二個(gè)部分是對(duì)音頻信號(hào)的解調(diào)解碼．這兩個(gè)部分分別用單片機(jī)進(jìn)行控制，要根據(jù)電路圖來編寫程序?qū)纹瑱C(jī)的接口進(jìn)行控制[8-10]．其流程圖如圖7中(a)和(b)所示．

3 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果

經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，在紅外光發(fā)射電路中，由于紅外光發(fā)射管的輻射角一般在60°左右，所以安裝時(shí)要使用兩個(gè)紅外發(fā)射管，增大輻射范圍，并且使它們輻射范圍有所重疊，從而信號(hào)加強(qiáng)．測(cè)量發(fā)射信號(hào)的波形時(shí)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)有失真，經(jīng)過檢查，是電路中元器件引腳的虛焊引起的．在紅外接收和解調(diào)解碼過程中，經(jīng)過幾次濾波程序的修改，接收頭接收的信號(hào)達(dá)到基本無失真，輸出音頻已與輸入的音頻基本無差別[11-13]．

(a)信號(hào)的編碼調(diào)制 (b)信號(hào)的解調(diào)解碼

圖7信號(hào)的編碼調(diào)制和解調(diào)解碼模塊的主流程圖

從表1的測(cè)試結(jié)果中可以看出，在盡量保證音頻輸出最優(yōu)的條件下，隨著載波的頻率增加，Vpp(波形峰—峰值)、Vmax、Vmin幅值都在減小，由于干擾的存在，測(cè)試結(jié)果可能與理論間存在差異，但基本上符合變化規(guī)律，并且在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)第四組數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果最好，因?yàn)榈?組從數(shù)據(jù)上來看，最接近完整的正弦波，基本無失真，所以實(shí)際中以第4組數(shù)據(jù)為準(zhǔn)．

表1 紅外無線耳機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)于伴音功放采用直流音量控制的音頻裝置，可以在音頻信號(hào)輸入時(shí)先串聯(lián)一只5.1 K的電阻，使其傳播距離能達(dá)到5 m左右．

4 總結(jié)

基于單片機(jī)的紅外無線耳機(jī)裝置是一種利用紅外無線作為通信介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)較遠(yuǎn)距離的紅外數(shù)據(jù)傳輸方式．紅外傳輸方式具有不受無線電干擾，可靠性高，通信帶寬．經(jīng)過測(cè)驗(yàn)和調(diào)試，獲得了較好的通信效果．

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