基于STM32紫外LED的语音通信系统研制

西 安 邮 电 大 学毕 业 设 计（论 文）题 目： 基于 STM32 的紫外 LED 语音通信系统的研制 院 （系）： 自动化学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气 1204 班 学生姓名： 党树林 导师姓名： 袁立行 职称： 副教授 起止时间： 2015 年 12 月 5 日至 2016 年 6 月 15日毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文基于 STM32的紫外 LED语音通信系统的研制是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。论文作者： （签字） 时间： 年 月 日指导教师已阅： （签字） 时间： 年 月 日西 安 邮 电 大 学 本 科 毕 业 设 计 (论 文 ) 选 题 审 批 表申报人 袁立行 职称 副教授 学院 自动化题目名称 基于 STM32的紫外 LED语音通信系统的研制 题目来源 科研教学 其它题目类型硬件设计 软件设计 论文艺术作品题目性质实际应用 理论研究题目简述（为什么申报该课题）本论文设计一种紫外 LED语音通信系统。该系统利用紫外 LED作为通信光源,通过串口将发射端电脑的信源信息传送到 STM32,进行信源调制。调制后的电信号驱动 LED发出高速变换的光信号。光信号经过自由空间传输后,通过菲涅尔透镜聚光和滤光片过滤投射到光电探测器上。光信号被光电探测器接收转换得到电信号,经过均衡、判决和解码等过程还原出信息,传到接收端的电脑上,从而完成语音数据的传输。对学生知识与能力要求具有较好的信号处理基础知识；具有较熟练的单片机编程能力；具有较强的学习能力和分析问题的能力和刻苦的钻研精神；较强的团队合作精神。预期目标（本题目应完成的工作，题目预期目标和成果形式）本课题应完成的工作：学习语音编解码处理的知识，掌握语音信号采集及编码，紫外光信号的驱动及探测等传输方法，基于 STM32完成语音数据的发送及接收，并完成语音数据的解码的回放。 预期目标：实现紫外光的语音通信测试系统。 成果形式：点对点的单工语音通信测试系统。时间进度2015.12.52015.12.31 查阅资料，完成课题调研。 2016.1.52016.2.20 消化资料，完成编程准备，学习相关理论原理。 2016.2.212016.3.20 完成系统硬件设计方案。 2016.4.212016.5.20 实验系统功能测试，并验证。2016.5.212016.6.15 撰写毕业设计论文，准备答辩。系（教研室）主任签字主管院长签字西安邮电大学本科毕业设计（论文）开题报告学号 06124143 姓名 党树林 导师 袁立行题目 基于 STM32的紫外 LED语音通信系统的研制选题目的（为什么选该课题） 通信传输系统中，LED 紫外光通信是一种相比于红外通信、射频通信，具有保密性好、抗干扰能力强的新兴自由空间通信方式。紫外光技术的应用范围比较广泛，也得到了一定的开发和研究应用。其中紫外消毒、紫外水净化、紫外光火灾侦测、液晶显示等军事领域和民用领域都得到了显著的成效。因此，LED 紫外光通信有效的应用于军事特种保密通信领域。前期基础（已学课程、掌握的工具，资料积累、软硬件条件等）1.已学课程: 单片机编程、微型计算机原理与接口技术、C 语言程序设计；2.掌握的工具:有一定单片机编程的基础知识，熟悉单片机功能设计开发；3.资料积累：根据老师所提供的的资料和自己在网上资料的查找与学习，了解到了交织器目前在各个领域的应用及其发展前景。了解了 STM32的部分工作原理和工作特点，STM32具有先进的内核结构，优秀的功耗控制，它的性能出众而且具有功能创新的片上设计，高度的集成集合，易于开发等优点。同时紫外辐射在通过地球大气层时，大气平流层中的臭氧层对 250nm 的波长附近的紫外线有强烈的吸收作用，使得这一波段的紫外辐射在海平面附近几乎衰减为零，属于“日盲区”，该波段为中紫外光波段(UVC)，波长范围为200280nm。紫外光通信就是利用这一波段进行的。根据紫外光发光的特性，选择了搭建紫外光通信系统的关键器件。整个通信系统以 STM32微控制器为控制核心。低压 LED灯因其转换率高、功率小、经济实用、光谱线集中在日盲区段等优势，以及他的伏安特性，成为系统的发射光源。通信数据传输速率低，为了更好地进行语音传输，选择芯片为语音编码压缩方案，其中编码解码采用编码器和译码器。4.能熟练运用所学知识对 STM32的紫外 LED语音通信系统面临的问题得以解决，积极开发 STM32功能，查阅需要运用的知识。积极配合指导老师的要求，确保研究课题顺利完成。要解决的问题（做什么）1.了解 STM32微处理器原理：增强型系列时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为 36MHz，以 16位产品的价格得到比 16位产品大幅提升的性能，是 32位产品用户的最佳选择。单周期乘法和硬件除法。存储器：片上集成 32-512KB的 Flash存储器。6 带校准用于 RTC的 32kHz的晶振。低功耗：3 种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。调试模式：串行调试（SWD）和 JTAG接口。2.解决信道编码问题：信道编码的实质是在信息码中增加一定数量的多余码元 (称为监督码元)，使它们满足一定的约束关系，这样，由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。信道带宽：W=f2-f1。注 f1是信道能通过的最低频率，f2 是信道能通过的最高频率。两者都是由信道的物理特性决定的。3.掌握紫外光通信原理：紫外光通信可用于 12km 的非视距通信，如果采用聚光方式，定向视距通信距离可达 5l0km。紫外光通信系统的话音通信频率通常为 l92kHz，在距离为 21Okm，数据传送速率为 4800bit/s时，系统的误码率可达 l10的-6 次。与其他传统的通信方式相比更加隐蔽，需要的发射功率大大降低，非常适用于短距离、窄带宽、能量受限的应用环境。工作思路和方案（怎么做）1查阅资料掌握本课题所需要的软件，了解传输模块和通信接收模块的知识，以及信号编码的关键技术，切实保证课题顺利进行。2.查阅紫外 LED相关知识。使用于荧光灯及彩色电视接收机的荧光材料更容易吸收300nm附近的光。但是，在 LED外部量子效率高的 400nm 附近，将光转换成绿色及蓝色的荧光体材料的光吸收强度大约是峰值 2/3，而转换成红色光的荧光体材料的吸收强度只有约 1/10。另外，激励强度方面，波长 380nm时的数值为 100。3.完成语音处理电路设计与实现。解码是相对于编码来说的，要了解语音合成系统的解码方式，首先要了解音频处理的编码原理。所以，在讨论解码原理之前，我们有必要先了解脉冲编码调制的编码原理。采样、量化、码化等过程完成脉冲编码。解码过程是编码过程的反演，即先将非均匀量化的二进制码转换为均匀量化的二进制码，然后用电阻解码网络输出到扬声器。 4.研究 STM32控制核心。除了直接使用 D/A转换器将数字信号还原成模拟音频信号外，还设计了一种结构更简单的输出电路，利用脉冲宽度调制方式以数字音频信号对高频数值信号进行调制，得到占空比不同的脉冲宽度信号，在同过低通滤波，直接恢复出原始音频信号。STM32 芯片有两种输出方式：电流输出和 PWM输出。电流输出方式是同孤傲电阻网络将数字音频码转换成模拟的电流信号，这种输出方式具有精度高，声音质量好的优点，但是需要的外界元件较多，将其应用于电子产品中时，会导致电子产品成本大大提高。PWM输出完全靠数字电路来实现可以直接驱动喇叭，减少了外接元件的数量，从而降低了电子产品的成本。在对声音质量要求不高时，采用 PWM输出是一种有效而且经济的方法。5.根据研究课题的功能需求，选择最优代码算术，熟悉单片机编程以及工作原理。通过实例分析论证硬件与代码之间的兼容问题，确保研究成果最终达到预期目的。指导教师意见该同学通过查阅相关资料，了解了基于紫外 LED语音通信系统的研制课题的任务要求以及研究现状，基本掌握了所研究课题中的关键技术问题,提出了解决思路，方案可行,计划合理，继续研究。签字 2016 年 1 月 9 日西 安 邮 电 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )成 绩 评 定 表学生姓名 党树林 性别 男 学号 06124143 专 业班 级 电 气 工 程 及 其 自 动 化电 气 1204班课题名称 基于 STM32的紫外 LED语音通信系统的研制指导教师意见 评分（百分制）： 指导教师 (签字 )： 年 月 日评阅教师意见 评分（百分制）： 评阅教师 (签字 )： 年 月 日验收小组意见 评分（百分制）： 验收教师 (组长 )(签字 )： 年 月 日答辩小组意见 评分（百分制）： 答辩小组组长 (签字 )： 年 月 日评分比例 指导教师评分 ( ) 评阅教师评分 ( ) 验收小组评分 ( ) 答辩小组评分 ( )学生总评成绩 百分制成绩 等级制成绩答辩委员会意见毕业论文 (设计 )最终成绩 (等级 )： 学院答辩委员会主任 (签字 )： 年 月 日目录摘 要 .IABSTRACT .II引言 .11 绪论 .21.1 紫外光通信国内外研究现状 .21.1.1 国外研究现状 .21.1.2 国内研究现状 .21.2 紫外光 .21.3 紫外光通信研究意义 .31.3.1 紫外光通信的发展 .31.3.2 通信中存在的问题 .31.4 论文结构和安排 .42 紫外 LED 语音通信的硬件设计 .52.1 STM32 微控制器 .52.1.1 平台特性解析 .52.1.2 主要应用领域 .52.2 CORTEX-M4 处理器 .52.2.1 处理器特性 .62.2.2 系统级接口 .62.2.3 可选的集成配置调试 .72.2.4 Cortex-M4 和 Cortex-M3 对比 .72.2.5 内存保护单元 .82.2.6 Cortex-M4 微处理器地址映射 .82.2.7 DSP 能力 .92.2.8 能耗对比 .102.3 紫外光发射与接收电路 .112.3.1 光电倍增管 .112.4 通信硬件框架设计 .122.4.1 硬件设计主要模块 .132.4.2 电源电路设计 .132.4.3 I2C 接口电路设计 .132.4.4 串口电路 .142.4.5 时钟电路 .152.4.6 分数比特率计算 .152