激光笔硬件电路设计文档

E-learning Lab Copyright Shanghai Jiao Tong University E-learning Lab. 激光笔硬件电路设计文档 目录 1. 编写说明 ................................................................................................................................... 1 2. 系统概述 ................................................................................................................................... 1 2.1. 主要功能和技术指标 ................................................................................................... 1 2.2. 整体设计 ....................................................................................................................... 2 3. 激光笔设计 ............................................................................................................................... 2 3.1. 主要功能 ....................................................................................................................... 2 3.2. 设计 ....................................................................................................................... 2 3.2.1. 按键编码模块 ................................................................................................... 3 3.2.2. 可控激光头模块 ............................................................................................... 4 3.2.3. 无线发射模块 ................................................................................................... 4 4. 接收端设计 ............................................................................................................................... 5 4.1. 主要功能 ....................................................................................................................... 5 4.2. 设计方案 ....................................................................................................................... 5 4.2.1. 接收解调模块 ................................................................................................... 5 4.2.2. 解码模块 ........................................................................................................... 6 4.2.3. 转换通信模块 ................................................................................................... 7 5. 附录........................................................................................................................................... 9 5.1. 操作说明 ....................................................................................................................... 9 5.2. 设计文件 ............................................................................................................. 10 文档撰写 章璐敏 联系方式 zhanglumin21@gmail.com 完成日期 2009-04-12 设计文件数 7 文档版本 1.0 激光笔硬件电路设计文档 Version 1.0 /// 2009-04-12 第 1 页，共 10 页 1. 编写说明 本文档为上海交通大学 E-learning 实验室激光笔项目硬件电路设计文档，供技术存档以 及实验室内部交流学习。 2. 系统概述 2.1. 主要功能和技术指标 激光笔硬件电路主要实现激光笔与 PC 主机的通讯，配合 PC 端控制程序，完成对 演示演讲者的辅助，演示辅助系统的整体结构如图 2-1 所示。 激 光 笔 接收端 控制计算 核心 投影屏幕 摄像头 激光指示 图像 处理 按键 判断 屏幕显示 PC端控制程序 无线通讯 USB USB 激光笔硬件电路 图 2-1 激光笔演示辅助系统结构示意图 激光笔硬件电路的主要功能包括： 1） 产生激光光点。 2） 设置功能按键，并通过无线将按键信息传送至接收端。 3） 与 PC 通讯，将按键信息传送给 PC 控制程序。 主要技术指标为： 1） 无线通信频率：315MHz。 2） 有效通信距离：≥10m。 3） PC 通讯接口：USB 激光笔硬件电路设计文档 Version 1.0 /// 2009-04-12 第 2 页，共 10 页 2.2. 整体设计 激 光 头 按键开关 功能键×5 按键 信息 编码 无线发射 无线接收 并串转换 PC 通讯接口 激光笔 接收端 解码 图 2-2 激光笔硬件电路整体结构图 图 2-2 为硬件电路的整体，分为激光笔和接收端两个部分。激光笔的功能部分包括 6 个按键和激光头，其中有一个按键指定用于控制激光头；按键信息经过编码后发射。接收端 接收按键信息后解码，再转换成串行数据与 PC 进行通讯。图 2-2 中，给出了两个部分的整 体结构图，具体细节将在第 3 节和第 4 节中详细说明。 3. 激光笔设计 3.1. 主要功能 激光笔的功能包括： 1） 产生稳定可靠的激光光点。 2） 六个功能按键，其中一个按键控制激光头的开关。 3） 编码按键信息，无线发送。 3.2. 设计方案 根据设计要求，将激光头分块为三个模块，分别是按键编码模块，可控激光头模块和无 线发射模块。设计框图如图 3-1 所示。 激 光 头 按键开关 功能键×5 按键 信息 编码 无线发射模块 可控激光头模块 按键编码模块 图 3-1 激光笔设计模块框图 激光笔硬件电路设计文档 Version 1.0 /// 2009-04-12 第 3 页，共 10 页 3.2.1. 按键编码模块 图 3-2 PT2262 编码芯片结构框图 本模块中，我们采用 PT2262/PT2272 编解码芯片。PT2262 为编码芯片，图 3-2 为其结 构框图。主控逻辑读取 6 位地址与 6 位数据的电平状态，并产生串行编码。OSC1 和 OSC2 用于外接电阻，根据电阻的阻值，产生不同频率的内部时钟。TE/SELECT 为使能端，低电 平时芯片工作。DATA OUT 端输出编码后的信号。 对于每一位地址或数据，均有三种编码状态，分别是“0”、“1”和浮空，三种状态的编 码码型如图 3-3 所示。 图 3-3 PT2262 编码码型 基于 PT2262 的工作方式，我们设计了六按键的编码电路方案，如图 3-4 所示。 K0 至 K5 为六个按键，分别对应数据位 D0 至 D5。当所有按键都断开时，三极管 Q1 激光笔硬件电路设计文档 Version 1.0 /// 2009-04-12 第 4 页，共 10 页 截止，电路中没有电流，芯片不工作。当六个按键中任意一个被按下时，R1 和按键的下拉 电阻分压使得 Q1 的基极电压下降，Q1 导通，PT2262 芯片开始工作，指示灯 D1 工作。此 时，除了闭合的按键所对应的数据位为逻辑高电平之外，其他位为低电平。 P T 2 2 6 2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 K1 K2 K3 K5K4K0 VCC VCCQ1 R1 D1 图 3-4 基于 PT2262 的六按键编码方案 3.2.2. 可控激光头模块 激光点采用通用圆点半导体激光头。此模块用按键控制激光头的开关，同时将开关的信 息由关联到编码芯片。本模块采用图 3-5 所示的原理图，K4 和 D4 为图 3-4 中的 0 位按键 和数据位，按键通过一个 MOS 管控制激光头的开断。R2 为限流电阻。需要注意的是，对 于不同批次的激光头，需要仔细调整 R2 的阻值，使其亮度足够并且耗电不太大，否则电池 的电量将很快耗尽。 D4 K4 LD R2 图 3-5 可控激光头模块电路原理图 3.2.3. 无线发射模块 无线发射模块的功能是将按键信息编码调制到高频载波上并发送。载波频率为 315MHz， 调制方式为幅度调制。 电路原理如图 3-6 所示。Q3 为普通三极管，基极通过电阻 R2 接 PT2262 的 DataOut 端， 采用开关的方式完成信号调制。Q2 为高频 NPN 管，与 L1、L2 和 C2 构成三端振荡电路。 Q1 为 315MHz 声面滤波器，串联在反馈通路中，使频率稳定在 315MHz。R1 为 Q2 的基 极偏置电阻，C1 用于天线的阻抗匹配。 调试该模块时，需要根据 Q2 的特性适当调整 L1、L2 和 C2 的值，由于 Q1 的滤波作用， 激光笔硬件电路设计文档 Version 1.0 /// 2009-04-12 第 5 页，共 10 页 如果振荡频率偏离 315MHz，振荡幅度就会衰减，导致无信号输出。 图 3-6 无线发射模块原理图 这个方案需要根据不同批次高频 NPN 的特性调整电感和电容值，因此在大批量生产时 会增加工作量。通过对市场上的同类产品调研发现，有些产品的电感采用 PCB 板上电感的 方式实现。但是此电感对 PCB 布线的尺寸非常敏感，我们缺少这方面的数据，实现有难度。 4. 接收端设计 4.1. 主要功能 接收端的主要功能包括： 1） 将无线信号接收，放大，解调。 2） 解码。 3） 将并行码转换为串行码，与 PC 通信。 4.2. 设计方案 根据接收端的功能需求，将接收端设计划分为接受解调、解码和转换通讯三个模块（如 图 4-1 所示）。 接收解调 并串转换 PC 通讯接口 转换通讯模块 解码模块 图 4-1 接收端设计模块框图 4.2.1. 接收解调模块 为了达到较高的灵敏度，我们选择超再生接收作为接收端的接收解调方案。其电路原理 如图 4-2 所示。信号通过天线接收，首先经过 L2 和 C23 滤出 315MHz 附近的频段信号。 Q1 为第一极放大，放大特性通过 R18 和 R17 施加的偏置电压控制。Q2 为超再生混频管， 其本身通过 C15，C16 和 L1 构成的选频网络产生 315MHz 附近的本征振荡，然后与前级放 大后的信号进行混频。如果本征频率与 315MHz 足够接近，混频后将产生低频分量，此分 量即为调制到载波上的编码信号。R22、C25、R26 和 C26 构成二阶低通滤波器，将低频分 量滤出，送至运放放大。 激光笔硬件电路设计文档 Version 1.0 /// 2009-04-12 第 6 页，共 10 页 图 4-2 超再生放大解调电路原理图 放大部分，我们选择 LM358 通用双运放芯片。如图 4-3 所示，第一级运放为负反馈放 大，放大倍数为 R2/R1。第二级为正反馈比较器，当第二级运放的正向输入端电压高于负向 输入端电压时，运放输出高电平，反之则输出低电平。R3、R4 用于确定判决电平，R5、R6 构成正反馈。 A ＋ － Sig A ＋ － To Decoder R1 R2 R3 R4 C1 LM358(1) LM358(2) R5 R6 图 4-3 放大部分电路原理图 由于超再生放大解调电路参数较复杂，目前我们还没有获得理想的解调效果，试验样机 上采用了目前市场上出售的四按键接收机中的解调电路。下一步计划继续调试，或者购买超 再生放大解调模块。 4.2.2. 解码模块 解码芯片采用 PT2272，与 PT2262 配套使用。PT2272 有多种型号，后缀可以为 L4、 M4、L6、M6 等，后缀中的 L 表示锁存数据输出，M 表示瞬态输出；数字表示数据位。图 4-4 为 PT2272-M4/L4 的芯片结构图，PT2272-L6 的结构图除了数据和地址位数不同之外，其他 都相同。 为了配合 PT2262 的六位编码，我们采用 PT2272-L6 芯片进行解码。DataIn 为编码信号 输入端口，OSC1、OSC2 为内部时钟频率，需与 PT2262 的时钟配套使用。VT 为解码指示， D0-D5 为六位数据输出。当解码成功时，VT 跳转至高电平，同时对应的数据位锁存至高电 平。芯片支持多位数据同时为高电平。 激光笔硬件电路设计文档 Version 1.0 /// 2009-04-12 第 7 页，共 10 页 图 4-4 PT2272-L4/M4 芯片结构框图 4.2.3. 转换通信模块 转换通信模块的功能为将并行的六位数据转换为串行数据，与 PC 通讯。在此，我们采 用了 EPM3064 作为并串转换芯片，CP2102 为 PC 接口芯片。 EPM3064 为 Altera 的 CPLD 芯片，内部含 1250 个逻辑门，30 个 IO 口，适用于简单的 自定义时序逻辑。CP2102 为 USB 转 UART 接口芯片。配合外围电路以及驱动，能够用 USB 外设模拟串口。 CPLD 将并行数据转换为串口通信格式，通过 CP2102 与 PC 通讯。 图 4-5 CP2102 芯片结构框图 图 4-5 为 CP2102 结构框图，图中，左侧为 USB 接口端，右侧为 RS232 接口端。RS232 总共包括 8 个接口，时序如图 4-6 所示。芯片内部内置了 640Bit 的发送缓存和 575Bit 的接 收缓存，另有 1024Bit EEPROM 用于保存芯片配置。 激光笔硬件电路设计文档 Version 1.0 /// 2009-04-12 第 8 页，共 10 页 图 4-6 RS232 时序图 EPM3064 共有 30 个 IO 口，4 个用于 CPLD 代码下载，8 个用于与 2102 通信，3 个口 用于对 2102 的配置信号，7 个用于接收并行数据，剩余 8 个 IO 口可做备用扩展，如图 4-7 所示。 图 4-7 EPM3064 接口安排 CPLD 的功能为将并行码转换成 RS232 标准的串行编码。转换部分的代码为： always @(posedge baud_clk or posedge sys_rst) begin if(sys_rst)data_cnt =0; else begin if(data_cnt ==0) begin if(rcv_vt ==1) begin 激光笔硬件电路设计文档 Version 1.0 /// 2009-04-12 第 9 页，共 10 页 data_reg[9:0] <= {1'b1,2'b00,rcv_d5, rcv_d4,rcv_d3,rcv_d2,rcv_d1,rcv_d0,1'b0}; data_cnt <=1; end else data_cnt <= 0; end else if(data_cnt >=1 && data_cnt <=20) begin data_cnt <= data_cnt+1; data_reg[9:0] <= {1'b1,data_reg[9:1]}; end else if(data_cnt >=21) begin data_cnt <= 0; end end end 一旦程序检测到 VT 端跳变为高电平，就读取 D5-D0 的值，并将其缓存在 data_reg 寄 存器中，同时开始计数，将 data_cnt 变量置为 1。随后，每一个时钟周期，将 data_reg 寄存 器中的数据逐位送出。当全部送出后，恢复 data_cnt 为 0。 这样，PC 端读取串口通信数据，可以获得接收到的按键信息。 5. 附录 5.1. 操作说明 天线 激光头 激光头控制按键 (K4) 纽扣电池 （激光头供电） 12V 23A电池 （无线发射供电） 功能按键 指示灯 图 5-1 激光笔电路外观 如图 5-1 所示，激光笔需要装入 12V 电池和纽扣电池两种供电电池，分别用于无线发 射和激光头的供电。激光头位于电路板右侧，其控制按键为 K4；其他 5 个功能按键位于电 路板中间。LED 指示灯用于指示电路是否工作，当任意按键按下时，指示灯发光。 接收端使用 USB 供电，需要用 Mini-USB 转 USB 连接线连到 PC。当启动 PC 端软件后， 接收端就能正常工作，将按键信息接收并发送至 PC。接收端的电路外观如图 5-2 所示。 激光笔硬件电路设计文档 Version 1.0 /// 2009-04-12 第 10 页，共 10 页 接收放大模块（安装在背面） Mini-USB接口 CPLD 下载接口 扩展IO接口 工作指示灯备用外部电源（未安装） 图 5-2 接收端电路外观 5.2. 设计文件清单 本设计包括以下设计文件，如表 5-1 所示。 表 5-1 设计文件清单 文件名 类型 描述 Transmitter.Sch Protel99SE SCH 激光笔电路原理图 Transmitter.Pcb Protel99SE PCB 激光笔 PCB 版图 Transmitter_cover.PCB Protel99SE PCB 激光笔盖板尺寸图 Paralell_Receiver.SchDoc Altium Design 8.0 SCH 接收端解调解码部分电路原理图 P_to_S.SchDoc Altium Design 8.0 SCH 接收端转换通信电路原理图 Receiver.PcbDoc Altium Design 8.0 PCB 接收端 PCB 版图 Receiver.v Verilog HDL 接收端 CPLD 代码