毕业设计(论文)-基于STM32紫外LED的语音通信系统研制.docx

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： 导师姓名： 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IABSTRACTII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52.1STM32微控制器52.1.1平台特性解析52.1.2主要应用领域52.2Cortex-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72.2.4Cortex-M4 和Cortex-M3 对比72.2.5内存保护单元82.2.6Cortex-M4微处理器地址映射82.2.7DSP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132.4.3I2C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152.5本章小结163紫外LED语音通信的软件设计173.1软件架构173.1.1信号接收与发送流程173.2信号采集处理173.3模块调试193.3.1发送193.3.2接收203.3本章小结214系统结果与讨论224.1系统实验与结果224.2实验讨论265总结与展望275.1主要完成的工作275.2工作展望275.3结束语27致谢29参考文献30摘要近年来，由于语音通信业务的快速发展，LED光通信的运用范围也随之越加宽广，LED光通信也发展为通信技术中不可或缺的一部分。在语音通信方向，紫外LED光与红外线通信、射频通信相比有着明显的优势。质量和容量是衡量通信技术的两个重要指标，在军事作战通信领域有着不可或缺的地位。所以，紫外LED语音通信也是以这两个指标为基础点，再展开进一步的研究。论文用到的对紫外LED光进行编码、解码的技术以比特率的压缩来达到提高信道利用率完成的，这样节省了大量的信息传输空间，增加信息容量，对通信技术的进一步发展提供了很大的平台。本论文完成的主要工作：完成对紫外LED光源选取和分析。完成语音信号的编码和解码计算，对发射端信息进行编码和接收端信息的解码工作。从语音信号转换到电流信号，经过整形滤波得到稳定放大的波形，最后还原为语音信号。完成STM32主控模块和语音信息接收和发送的系统硬件电路设计，控制核心STM32的扩展电路包括信号发送、信号接收、语音信息编码和解码、对采样信号的信号处理、驱动电路、时钟电路、数模转换电路等。最终设计出基于STM32的控制中心的原理图和PCB。完成紫外LED语音发送、传输、接受模块的软件架构，其中包括数模转换、定时器、编码解码、信息处理、音频输入输出。完成STM32的紫外LED语音通信的基本测试。在不同的自然条件下进行通信性能测试，不同的障碍物和距离测试，以及不同天气的测试。通过不同场景的测试，验证了此系统能够良好地实现语音通信功能，语音通信质量很好，系统工作稳定，并且有低功耗，便于携带，易于模块扩展。同时也证明了紫外LED语音通信在军事特种通信环境下使用的必要性和重要性。关键词 STM32 紫外LED 信号 通信ABSTRACTIn recent years, with the rapid development of voice communication technology, the application of LED optical communication technology has become more and more extensive, LED optical communication has become an integral part of voice communication technology. In communications technology, UV LED light and infrared communication, RF communication compared with obvious advantages, the quality and capacity are two important indexes to evaluate the communication technology, in military communication field has an indispensable position. therefore, the ultraviolet LED voice communication is also based on these two indicators, and then further research. Papers used for UV LED light for encoding and decoding technology with a bit rate compression to achieve and improve the channel utilization rate of complete. Only in this way can save the space of the transmission, communication capacity, increase the further development of communication technology provides a great platform.The main work of this thesis is completed:Firstly, Complete the selection of ultraviolet LED light source. complete the coding and decoding algorithm for the LED speech signal, the information of the transmitter and the receiver of the information decoding. From the voice signal to the current signal, after shaping the filter to get a stable amplification of the waveform, and finally reduced to the voice signal.Secondly, to finish the design of system hardware circuit of STM32 main control module and a voice sending and receiving information, expanding circuit of STM32 control including signal is sent, received signal, speech information coding and decoding, signal sampling conversion, drive circuit, clock circuit, digital to analog conversion circuit, such as. Final, the core principle and PCB system.Thirdly, complete the LED voice transmission, transmission, receiving module of the software architecture, including digital analog conversion, timer, encoding and decoding, audio input and output.Finaly, complete the basic test STM32 LED voice communication. Communication performance testing under different natural conditions, different obstacles and distance tests, as well as different weather tests. Through the test of different scenarios, it is proved that this system can achieve the function of voice communication, the quality of voice communication is very good, the system is stable, and has low power consumption, easy to carry, easy to expand the module. At the same time, it also proves the necessity and importance of the operation in the military special environment.Key Words ： STM32； ultraviolet rays LED ；information ；signal communicationIII31基于STM32的紫外LED语音通信系统的研制引言语音通信作为最基础、最主要的信息互换的方式之一，占据着人们通信史上的一个相当重要位置，自然通信技术也处于飞速前进的道路。紫外LED的应用在近年来也逐渐普遍，并且受到了一定的开发和钻研，包括紫外杀菌、鉴定与透视、健康与医疗、灾情侦测等民用军用领域。由于现代化通信技术的发展，尤其军事领域对通信的安全性和抗干扰性能要求比较高的现状下，根据紫外光自身的物理特性和传播特点，紫外光通信成为近年来研究和试用的新型通信技术。以传输媒介作为区别通信的根据，大体被分为有线通信和无线通信两大类别。有线通信是较早的通信传输方法，常用到的光缆和电缆，性能相对无线比较稳定，传输信息质量好，也能做到一定的保密性，从容量角度来讲，有线的容量比无线大。相对于传输距离远的问题，有线成本较高、建设耗时多、不便于后期保养工作、机动应变弱、一处损坏全线受影响等缺点。为了弥补有线通信带来的相关不足，无线通信顺应时代需求，得到了较好的发展并占据了主要通信市场。受自然灾害和特殊地理环境作用较小，成本廉价，组成方便灵活，能普遍运作于现代海陆空各个重要领域。尽管无线通信具备较先进的技术优点，从安全角度考虑，信号易被第三方阻拦破解、干扰、保密性差。光纤通信衰减小、串扰小保密性好、通信容量大，但分路、耦合复杂，机动性差。激光机动性好，成本廉价，后期维修费用低。但激光信号对接困难，适应性降低。归纳以上几种通信方式，为适用于现代化军事发展的要求，得到一种安全、廉价、稳定得高性能通信方式，紫外光通信迅速发展。由于自身优势，紫外通信事业为当代迫不及待的研究领域，这也将成为军事通信的新突破。1绪论1.1紫外光通信国内外研究现状20世纪中期，由于紫外通信的特性，就有研究机构对紫外通信领域进行讨论和分析，研究状况也层次不齐，我国对紫外通信的深入研究并未和其他发达国家处于同一个时期，自然研究成果和实际存在的应用范围存在一定的差异。1.1.1国外研究现状 在欧美国家，由于军事特种通信环境的需要，早在1938年就提出了紫外通信方面的猜想，并未进行相关的研究。到二十世纪中期，美军对军事通信又有了新的要求，就紫外通信这一问题展开研究并进行细节化的实验工作。到1985年在紫外通信方面有了较大的发展，紫外通信速率可达1200bits/s，到1987年通信速率翻倍，传输过程中的编码解码错误率也大大降低。通信距离是1到3千米。后来美军研制的聚光式紫外语音通信系统，速率直达4800 bits/s，采用聚光紫外光后，通信的距离增加为5到10千米。由发展历程可以看出，欧美国家对紫外通信方面的研究是相对较早的，在紫外通信领域做了一定的创新并不断改进和发展，同时，他们的研发也为日后的紫外通信研究奠定了一部分基础。1.1.2国内研究现状在国内，目前对于紫外语音通信方向还处于研究的起步阶段。国防科技大学进行了舰艇系统的紫外语音通信方面的分析，还进行了紫外光信道相关的研究并提出相关算法，为紫外光发展引导了新的方向。中科院也进行了紫外通信方面的研发，并获得紫外通信相关的新知识。国内大学和研究中心对紫外光通信也在进一步的研究和分析，在我国军事领域也将是一个长足的发展阶段并会得到广泛应用。所以，在军事紫外通信的应用领域，我国还处于一个较早的阶段，只有通过不断的研究和创新试验，通信领域才能在现代化战争中起到较大作用。 1.2紫外光紫外线有其独特的大气传输特性，根据它自身物理性质的优势，作为语音通信系统的光源。相比于红外线在大气中的传输特性，紫外线地散射性强。由于红外技术发展已经属于成熟阶段，运用领域也比紫外线广泛，所以也不能盲目的地使用红外线的前沿技术来调制紫外线。紫外光通信使用非直视通信的方式，根据散射效应完成基本通信。由于光在大气中传播，会产生带不同电荷的粒子并在大气中进行规律的运动。使带电粒子与语音调制波形同步变化，保证原语音数据的准确性。由于光的散射和吸收作用，通信范围以外的信息迅速衰减，所以在计划通信范围外的距离不能进行拦截和窃听，保证了通信的安全性。同时，使用紫外光通信还具备抗干扰、低位辨等优势。受到臭氧层对波长小于280nm吸收作用的影响，地表面还没有280nm的自然辐射。又由于紫外光自身大气传输的物理特性，使得紫外LED特别适合作为紫外通信的光源。紫外线具有很强的吸收作用，使得传输距离不会太长，保证了通信信息的安全性，在军事通信领域显得尤为重要。1.3紫外光通信研究意义紫外光通信的传输距离会因自然环境影响、发光源的发射功率、接收检测装置的灵敏度以及人为的干扰而产生相应的变化。自然环境是不可控因素，要增强紫外通信性能就需要提高系统自身的各项性能。所以，提高发光源发射功率，增强接收检测装置的灵敏度。紫外光在大气中的传输收到臭氧层的吸收，不同海拔的臭氧层密度不同，紫外光的传输距离也会因此发生变化，导致紫外通信系统的性能不稳定。所以选用紫外LED作为发光源，设置发光源位置就如信号发射塔一样，接收到信号，经过中继倍增后再发送到其他发光源，通过如此中继倍增的方法，扩大了紫外光的传输距离，从而增强了紫外通信的性能，实现了远距离传输，也保证了数据的保密性。1.3.1紫外光通信的发展通信业务近年来一直处于发展迅猛阶段，用户也在不断增加，那么要求可容纳用户量也要不断提高。从容纳信息的角度讲，通信容量变大就能供给通信业务覆盖范围内的多个用户进行数据传输。对于紫外光在传输过程中由于波长的不同占据重要优势，可以同时传输不同波长的数据业务，这样就可以给不同的波长设定特定的传输对象，从而增加通信容量。1.3.2通信中存在的问题紫外通信传输速率低，实际的通信过程需要在较短的时间内发送和接收很多数据，包括较大工程文件，但是就目前的紫外通信水平，还不能实现这样要求的传输速率。紫外通信的低速率也将影响目前流行的视频通话业务。如果提高传输速率，自然会影响到视频通话的质量，还可能造成视频通话失败。只有设计混合编码方案进行系统编码，从而完成高速率的波形编码。考虑到混合编码对计算要求较高，一般的单片机无法完成相应的计算工作，所以选用的带有DSP的Cortex-M4处理器，能高效的完成波形编码的计算。1.4论文结构和安排本设计使用STM32F411芯片作为整个紫外LED语音通信系统的控制核心，从硬件设计、软件架构、紫外光光源选取以及其他关键技术等方面阐述了紫外LED语音通信系统的实现过程。第一章说明了设计在国内外的发展现状和研究本课题的重要意义，主要分析了在军事通信领域的作用与优势。第二章说明了紫外LED语音通信系统的控制核心芯片STM32F411。主要包括基于STM32F411的开发与设计，通过对Cortex-M4处理器的性能对比分析，体现了选择它的主要优势和依据。对各功能模块具体的电路设计与元器件的选择进行了仔细的介绍。对关电源、串口、控制中心、I2C等模块的方案对照和分析，选择性能强和能耗低的方案。第三章说明了系统的软件结构。程序流程设计以及实现过程。第四章完成了课题研究，阐述了实验结果并进行讨论。 第五章对所研究课题作了工作总结，分析紫外LED语音通信系统的优势与不足，并对以后的工作进行展望。2紫外LED语音通信的硬件设计2.1STM32微控制器STM32系列应用比较广泛，可应用于控制、用户PC端、智能设备、GPS设备、工业应用等领域。优越的DSP计算能力，以及强大的信息处理性能，对性能、成本、实用性都能满足。自身带有高能的嵌入式闪存以及高性能的设定PWM的定时器。基于STM32F411作为开发平台，进行外围电路设计。2.1.1平台特性解析STM32系列芯片具有以下几个优势：1）可以在线编辑源代码并调试，也可以单机器编辑调试。2）愈加灵巧地供电地形式，适用于实验室和现场开发运作。云端开发理念，在网页编辑器上进行一系列的程序开发，包括软件、硬件、在线调试功能模块。3）一致性的MCU核心板快，达到单板复用的效果。4） 自身占用的资源少，容易进行外部扩展。支持外部扩展，通过USB外部链接，可操作性加强。5）可以在线和单机等多种IDE共同研发的环节，不同的资源供操作人员选择。2.1.2主要应用领域STM32微处理器可以完美的与一些低功耗的微控制器实现嵌套使用。使用较多的几个领域有：1）工业领域应用：自动化控制（PLC）、扫描仪、3D打印、工控环节。2）新能源：电动汽车控制开发、电池供电系统检测装置、太阳能发电电机控制。3）智能家居：作为智能家具控制的辅助设计或者控制核心。4）建筑安防：电梯轿厢控制、电梯可视电话、报警系统。2.2Cortex-M4处理器Cortex-M4处理器是由ARM研制最新的在Cortex-M3的基础上强化了运算性能、浮点、DSP、并行计算，完美配合信号处理和模数转换工作。高性能的信号处理能力、功耗小、成本廉价等优势为一体，在科技高速发展的今天，主要融入了工业、新能源、智能家居、建筑安防等领域出了很大的突破。2.2.1处理器特性1）低功耗的睡眠供电模式；列属于集成芯片，集成电路，需要供电电压相对较小。2）响应速度快；能保证程序有较多的运行时间。3）串行运作；减少了代码的响应、调试、跟踪占用的时间。4）算法更加精确；优越的指令捕捉能力。上述四个特性增加了Cortex-M4处理器的运算性能，比常规的ARM处理器速度快近25%。5）Cortex-M4处理器功能简介。表2-1功能简介2.2.2系统级接口Cortex-M4处理器外设了许多接口（MPU），易于高低速延时处理。多个内存保护单元，用于程序的保护，解析、以及编译。如下图Cortex-M4结构图2-1 Cortex-M4 结构2.2.3可选的集成配置调试Cortex-M4能完成完整的调试方案。根据JTAG接口或者外设串行接口的连接，可以集成一套性能优越的嵌入式应用。Flash补丁可完成8个比较器，便于调试。嵌入式模块小于常规模块，能保证优越的指令扑捉，促进较多的微处理器完成指令跟踪功能。2.2.4Cortex-M4 和Cortex-M3 对比Cortex-M系列集高效、低成本、低功耗、简单易上手等优点于一体，在现代化汽车、医疗器械、智能家居、自动控制等领域有着特殊的贡献。与Cortex-M3比较，Cortex-M4完善了Cortex-M内核，对算法进一步实现的优化。象征的讲，就是给Cortex-M3添加了DSP指令的Cortex-M系列的Nucleo 。如下图关系：图2-2 Cortex-M3和Cortex-M4的关系2.2.5内存保护单元Cortex-M4和Cortex-M3都可选，支持ARMv7内存保护模型。1）自身带有独立的保护区域。2）还可以进行重叠保护，优先级由7至0.3）直接输出内存相关特性到微处理器的控制核心。4）支持优先权分组。2.2.6Cortex-M4微处理器地址映射Cortex-M4 和Cortex-M3地址映射相同，特权外设总线、特权内设总线、外部部件、外部RAM、外设、SRAM、代码地址映射如下图：图2-3 Cortex-M4 和Cortex-M3系统地址映射2.2.7DSP能力把Cortex-M4 和Cortex-M3的DSP进行对比，Cortex-M4 和Cortex-M3在同速率的情况下，考察对信号的处理性能。A轴线标示计数周期，显然，周期越大性能越差。在不同操作位数情况下，进行如下图的对比，在16位和32位时，Cortex-M4性能都比Cortex-M3强。Cortex-M4的DSP信号能单周期完成。图2-4（a）16位操作的情况下图2-4（b）32位操作的情况下2.2.8能耗对比Cortex-M3和Cortex-M4都具备ON/OFF/SLEEP/Stand By四种电源运作模式。如下表2-2 对比，Cortex-M4的电源性能也优于Cortex-M3.表2-2 Cortex-M3与Cortex-M4耗能比较2.3紫外光发射与接收电路在紫外LED语音通信系统设计中，发射和接收是完成所有基本通信功能的两个中重要组成部分。其中还包括了紫外光源、驱动电路模块。发射模块负责信息转换，将语音信息转换为光信号。接收模块包括光电探测和信号处理，进行光电转换，最终完成语音到光信号再到语音信号的通信过程。紫外LED发射与接收框架如下图。图2-5 紫外LED发射与接收框架图2.3.1光电倍增管使用高灵敏度、低噪声的CC238光电倍增管完成信号放大，作为信号输入探测主要装置。电子经过多次弹射撞击被收集后完成了放大电流的任务。具体高压输出以及结构示意图如下图。图2-6 CC238结构示意图2.4通信硬件框架设计前面探讨了紫外光的各种特点，以及它作为交换信息的媒介的重要意义。深入了解了紫外光的传输特性，同时也验证了紫外LED语音通信系统是可以进行实际应用和研究的。本章主要实现人机界面，通过紫外LED进行特殊的信息调制，完成机器信息和人为信息的转换。把语音编解码和紫外LED关联使用，以及从硬件软件的整个过程研究，并达到预期的目的。具体紫外LED语音通信系统框架实现如图2-7所示。图2-7 紫外LED语音通信硬件系统框架紫外LED语音通信系统分为紫外LED发光模块、外部扩展模块和中央控制中心三大模块。紫外LED模块将需要发送的信息进行编码处理，传送到中央处理控制中心，再进行光电信号处理后发送给控制中心。通过STM32微处理器处理，将处理后的数据发送给信息模块完成解码成数据，把数据信号还原成语音信息，完成语音通信。接下来从硬件和软件的角度分析紫外LED语音通信系统的实现，设计了各个模块的电路原理图，解决了系统需求，高效的利用了STM32微处理器9600bps的传输速率。2.4.1硬件设计主要模块主要包括语电源电路模块、I2C接口电路、串口电路、时钟电路、其他扩展电路以及STM32中央处理模块电路。2.4.2电源电路设计STM32系列工作电压（VDD）3.3V，在整个通信系统添加稳压电路，把3.3V电平转换为5V电平。由芯片里面的供电电压调节后，转变所需要的1.8V电压。给整个系统添加滤波电路，限制提供3.3V稳定电压。给整个通信系统加上5V电压后，电源指示LED工作，表明电源正常运作。电路如图2-8所示。图2-8 紫外LED语音通信电源电路2.4.3I2C接口电路设计I2C总线的总线速度和上拉电阻成正比，速度到400KHz时，一般用1千欧电阻，能准确保证总线的波动变化，减小能耗，常用的还有5.6千欧和10千欧的电阻，本