红外线

2003.11 电子设计应用 www.eaw.com.cn 嵌入式系统嵌入式系统 60 引言 红外通讯以红外线作为通讯载 体，通过红外光在空中的传播来传 输数据，它由红外发射器和红外接 收器来完成。在发射端，发送的数 字信号经过适当的调制编码后，送 入电光变换电路，经红外发射管转 变为红外光脉冲发射到空中；在接 收端，红外接收器对接收到的红外 光脉冲进行光电变换，解调译码后 恢复出原信号。 红外通讯作为一种数据传输手 段，可以在很多场合应用，如家电 产品、娱乐设施的红外遥控，水、 电、煤气耗能计量的自动抄表等。 实现红外通讯的方法很多，本文介 绍一种基于单片机MC68HC908 GP32的低成本、高可靠性的红外通 讯系统，并对该系统中红外发送、 红外接收及红外通讯协议进行了详 细讨论。 红外发送电路原理 红外发射端发送数据时，是将 待发送的二进制数据调制成一系列 的脉冲串信号后发射出去。红外载 波为频率38KHz的方波，采用脉宽 调制PWM方式发送，通过待发送二 进制数据的“0”或“1”控制两个 脉冲串之间的时间间隔，即PWM的 占空比。红外载波可以使用单片机 内部的定时器的PWM功能实现，也 可以通过外围硬件电路实现。 利用单片机内部定时器的 PWM功能产生红外载波 利用单片机内部定时器的 PWM功能产生红外载波信号，实现 红外发送的电路图如图1所示。 其原理是：红外发送使用 MC68HC908GP32的两I/O脚控制。 其中，PTD4为定时器的输出比较接 口，通过内部定时器输出不带缓冲 基于单片机的红外通讯设计 ■ 清华大学Motorola单片机与DSP应用开发研究中心 蒋俊峰 摘 要：本文介绍一种基于单片机实现的红外通讯系统。该系统具有复杂的红外通讯协议，能够实 现面向字节的红外数据通讯，并具有良好的抗干扰能力和传输通道扩展能力。 关键词：红外通讯；红外发送；红外接收；单片机 图1 利用PWM方式实现红外发送的电路原理图 图2利用外围硬件实现红外发送的电路原理图 www.eaw.com.cn 电子设计应用 2003.11 嵌入式系统嵌入式系统 61 的PWM功能产生频率为38K的载 波信号。而PTD0为普通I/O，产生 一定脉宽的方波信号，用来代表二 进制数字“1”或“0”。PTD4和PTD0 通过或门输出调制后的载波信号。 在PTD0为低时，或门允许38K载 波信号通过，而PTD0为高时，或门 不允许38K载波信号通过，从而产 生了时断时续的红外载波信号。此 信号通过ULN2003芯片放大后，经 电阻限流至红外发射管，发送红外 光信号。 红外发送电路中采用的红外发 射器件是塑封的TSAL6200红外发 射二极管，它将周期的电信号转变 成一定频率的红外光信号。它是一 种时断时续的高频红外脉冲信号， 但脉冲串时间长度是恒定的，根据 脉冲串之间的间隔大小，表示传输 的是数据“0”还是“1”。 38K的红外载波信号是通过定 时器1的PWM功能产生的。设置定 时器状态和控制寄存器T1SC的分 频因子PS2~PS0为0，即分频因子 为1；设置输出比较寄存器T1SC0， 允许不带缓冲的PWM功能，输出比 较时为低电平，并置溢出翻转控制 标志位；同时置输出比较寄存器 T1CHOH:T1CH0L为$20(十六进制 )，设置预置计数寄存器T1MODH: T1MODL为$40。这样输出比较接 口PTD4，在MCU的计数达到$20 时，会因输出比较而清0，在计数达 到$40时，又会计数溢出翻转而置 1，并清零计数。 当总线频率为2.4576MHz时， 计数达到 $ 4 0需要的时间是 T=26mS。如此循环输出比较清0、计 数溢出置1，从而得到的载波频率 为：f＝1/T=38.4KHz。 利用外围硬件产生红外载波 利用外围硬件产生红外载波实 现红外发送的电路图如图2所示。 其原理是：红外脉冲串的宽度 和间隔直接由单片机的定时器通过 普通I/O输出的高低电平的时间间 隔来控制，当PTC0为高电平时调制 电路不发射红外脉冲信号，为低电 平时向外发射红外脉冲信号。 调制电路是由74LS123的两个 单稳态触发器U1A和U1B级联构成 的可控振荡器。 当PTC0为高电平时，U1A、 U1B处于稳态，1Q、2Q为低电平， 不驱动红外发射管发射红外载波信 号。当PTC0跳变为低电平时，触发 U1A并使之进入暂稳态，1Q变为高 电平；U1A暂稳态结束时，1Q跳变 为低电平，触发U1B进入暂稳态， 2Q变为高电平；U1B暂稳态结束 时，2Q跳变为低电平， 变为高电平 并触发U1A的上升沿触发端1B，使 U1A再次进入暂稳态，从而形成自 激振荡，在2Q端输出一系列的脉冲 信号，经ULN2003芯片放大后送红 外发射管，发送红外光信号。 外接电阻Rx和外接电容Cx控 制74LS123的单稳态触发器的输 出脉宽：Tw=0.45RxCx，两个单稳 态触发器级联，输出脉冲串周期为 T=2Tw=0.9 RxCx。当Cx=620pF 时，欲产生38KHz的红外载波信 号，Rx的阻值应为47KW左右。调 整变阻器Rx，可保证输出红外载 波的精度。 红外接收电路原理 红外接收采用HS0038B红外接 收器，电路如图3所示。 红外接收电路的原理是：当接 收到38K的载波信号，HS0038B接 收器会输出低电平，否则输出高电 平，从而可以将“时断时续”的红 外光信号解调成一定周期的连续方 波信号，经单片机处理，便可以恢 复出原数据信号。 HS0038B是能够接收红外信号 的小型化接收器件，它的环氧包装 可以作为红外过滤器，因此不需要 再加红外过滤装置。HS0038B最主 要的优点是，即使在干扰很强的环 境中，它的输出还是很稳定的。 单片机通过键盘中断引脚或者 外中断IRQ引脚对HS0038B的输出 信号进行处理，因此红外接收部分 应将HS0038B的输出引脚和单片机 的键盘中断引脚，或者IRQ引脚连 接在一起。本文采用单片机的外中 断IRQ处理。 红外通讯协议 红外通讯的关键在于红外数据 的同步，能够正确识别接收到的红 外信息代表何意义。红外通讯系统 可以采用同步帧协议，也可以采用 类串行通信协议。 同步帧协议 采用同步帧协议时，红外接收 器输出的方波信号用单片机的键盘 图3 红外接收电路 2003.11 电子设计应用 www.eaw.com.cn 嵌入式系统嵌入式系统 62 中断引脚或者外中断引脚IRQ来处 理的。单片机处理时，设定键盘中 断或者IRQ中断的触发方式为下降 沿触发，这样两次中断之间的时间 间隔正好为一个方波的周期，通过 比较单片机在这段时间间隔内定时 器的计数，可判断此信号代表“1”、 “0”，还是同步帧。如果是初始同步 帧，准备接收数据，接收完的8个数 据也即一个字节的数据后，接收该 数据的反码。接收完后进行比较， 如果不是正反码关系，表示接收出 错；若是正反码关系，继续接收下 一个字节的数据，直到接收到结束 同步帧，即接收完所有数据为止。 红外接收中断子程序流程图如图4 所示。 红外通讯中的差错控制方式采 用自动请求重发方式ARQ。接收 时，接收器首先接收到数据包中的 地址码，随后进行地址码匹配。如 果地址不匹配则丢弃数据包，并发 送“请求重发信号”；如果地址符 合，则检查校验码，在校验正确的 情况下，识别数据包中的数据，并 发送“确认信号”，如果校验错误则 发送“请求重发信号”。若在接收中 任何环节出现差错，均向发送方返 回“请求重发信号”。 类串行通信协议 红外通讯采用类串行通信协议 时，传送的数据格式类似于不 归零(NRZ)格式，每个数据帧包括 一个起始位(“0”)，8个数据位和 2个停止位(“1”)。 采用类串行通信协议的红外接 收程序流程如图5所示。 未接收到信号时，定时器处于 停止状态。开始接收时，接收器接 收到数据起始位“0”信号输出低电 平，触发中断，启动定时器。然后 通过下次中断和此次中断单片机定 时器的计数，来判断此信号是否为 起始位“0”。如果不是，则复位定 时器，重新检测起始位。如果是起 始位，则接收数据位，通过两次中 断期间单片机定时器的计数来判断 是“0”，还是“1”，接收完8位数据 位后接收第1个停止位。其中第2个 停止位用来触发中断检测前一方波 周期是否为第1个停止位。如果停 止位正确，且已成功接收1个起始 位，8个数据位，1个停止位，则数 据帧接收正确，准备接收下一个数 据帧，否则接收错误，复位定时器， 重新检测起始位。 结语 红外通讯可用于许多需短距离 传输数据的场合，特别适用于那些 有线通讯无法实现或者便携性要求 较高的场合。本文就基于单片机的 红外通讯系统，主要针对红外发送 接收的电路原理设计以及红外通讯 协议进行了探讨，该系统已经在红 外抄表中得到应用。■ 参考文献 1 刘慧银. Motorola单片机 MC68HC08原理及其嵌入式应用. 清华大学出版社，2001 2 麦山. 基于单片机协议红外遥 控系统. 电子技术，1998.5 图4 同步帧协议红外接收中断子程序流程图 图5 类串行通信协议红外接收中断子程序流程图