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真人CS激光接收电路设计分析

真人CS激光接收电路设计分析

摘要:设计了一种适用于户外环境的自适应激光接收电路。为提高激光收发系统的稳定性,在激光接收端采用自适应去除直流分量,并对波形进行数字化整形,使单片机主控器收到符合规范的数字信号,实现了较好地抑制外界环境光干扰的需求,维持了系统的性能稳定。

关键词:单片机;激光接收;低通滤波;信号整形

0引言

真人CS对战是时下很流行的游戏,很多企业把这个项目作为拓展训练的一种。游戏规则之一是在自然环境里,如果“友军”枪支发出的激光照射到“敌军”身上的光斑被接收装置接收并正确解码,则“敌军”中弹阵亡。但由于现场受不同时间、天气、地形等自然因素影响,背景光明暗迥异,如何保障设备工作的稳定性成为一项关键技术。本文探讨并设计一种自适应激光接收电路,其在背景光明暗迥异的情况下依然能够减少误判,稳定识别解码激光信号。

1系统设计原理

本设计发射端采用单片机控制,游戏开始后,用户扣动扳机,单片机从串口输出自己的ID号控制激光二极管发射激光;接收端用增加了滤波片的光电二极管作为接收器,接收由激光管所发射的ID信号,经过波形整形电路,传送给单片机串口,由单片机判断所接收的信号是否被敌方激光枪击中。系统发射部分电路简单,只要保障一定发射功率驱动激光发射二极管即可。整个系统的性能和稳定性主要取决于接收部分电路实现。

2激光接收电路的关键问题

系统解决的关键问题在于外界环境光受昼夜、阴晴、地形等诸多因素影响[1],亮度动态范围太大,发射的激光混同外界环境光进入接收端后,接收端必须排除外部环境干扰以防止误判,实现稳定接收。接收端的设计采用以下两种有效方法排除干扰误判,增强稳定性:(1)接收管前加滤镜(滤波片),滤波片需与激光发射二极管波长保持一致,作用是允许与激光波长相近的光通过,其余波长的光被有效阻挡。这样就在很大程度上排除了不同波长的外界光影响。(2)经过滤镜的光被光电二极管接收,通常出现波幅较小、叠加一定直流分量的现象,这种信号难以识别,还需通过整形电路去除直流分量、放大波幅因此,保障接收端信号质量的设计关键在于波形整形电路设计。

3电路设计

波形整形电路完成的功能有两个:(1)去除信号中背景光引起的直流分量,提取传输信息的交流分量。(2)波幅整形为01数字波形,提供给主控制器数字解码使用。以下对两部分电路依次进行讨论。

3.1去除信号中直流分量

信号混入的外界背景光强度未知,因此对应信号所叠加的直流分量也有波动,不能在电路中直接设定某一直流比较电平作参考。但可以通过对信号进行低通滤波求出所携带直流分量。一般信号传输波特率在1kb/s左右,因此设定一阶RC低通滤波电路,截止频率小于1kHz即可求得均值(携带直流分量),信号与均值分别接入开环放大器的正负输入端,即可直接去除直流分量[3]。电路采用TI官方TINA软件仿真(以下同),激励信号设定为0.5VVpp、500Hz方波叠加0.5V直流分量,滤波后VF2大约为0.5V,经过放大器后可得6VVpp、500Hz方波。结果表明电路设计合理.

3.2数字化整形电路

设计思路是信号经过比较器电路进行波形数字整形,去除负电压信号,使低电平归为0V,抬升高电平信号至TTL数字系统。电路设计中还应考虑单电源供电时,需要采用保护二极管D2对芯片输入端进行负压保护,防止过低输入电压烧毁芯片;另外负向输入端比较电压设为0.6V,以保证电路工作稳定;再者,比较器是开漏(OD)输出,输出引脚需要上拉电阻才能保证正常的数字输出。设定激励信号为4VVpp、500Hz的方波,与0.6V电压比较,得到5VVpp、500Hz稳定的数字方波。结果表明电路设计合理[4-5]。综合3.1和3.2节可以有效解决接收模拟信号整形问题,较好地抑制外界环境光干扰,提供符合规范的数字信号给主控器,实际电路测试也证明了这一点。

4结论

本文设计了一种自适应激光接收电路,在背景光明暗迥异的情况下依然能够稳定识别激光信号的电路,设计简单、稳定、实用,可以为相关设计提供有益的参考。

参考文献

[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]康华光.电子技术基础•模拟部分(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]安毓英,刘继芳,曹长庆.激光原理与技术[M].北京:科学出版社,2015.

[4]邱关源,罗先觉.电路(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2015.

[5]杨建国.ADI中文技术论坛.你好,放大器[EB/OL].(2014-XX)[2017-02-14]

作者:黄明 王灿 丁照雨 李争平 叶青 单位:北方工业大学电子信息工程学院