Design and Realization of Data Communication Module Based on Rnfrared
摘要：红外通讯采用点对点的数据传输协议，是目前国际上普遍采用的无线传输技术。文章概述了红外通信的基本原理和IrDA标准的规范和协议，完成了红外收发器具体的硬件电路设计，并且详细说明了发射和接收的工作原理，最后给出了红外通信的程序流程图，并指出在设计过程中应该注意的一些问题。
关键词：红外通信；单片机；IrDA；无线通讯；调制解调
Abstract: The communication technique of infrared is a point to point protocol to deliver the data, it’s used widely in the world at present. The essential principle of infrared communication and the criterion and the protocol of IrDA are summarized in this article; the hardware circuit design of the infrared transceiver is accomplished,the work principle of sending and reciving is explained in detail, the programme flow chart of infrared communication is introuduced, and some questions are pointed in the designing.
Keywords: infrared communication；singlechip；Infrared Data Association；wireless  commnication；modulation and demodulation
1  引言
红外通讯采用点对点的数据传输协议，是目前国际上普遍采用的无线传输技术。它采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间，通讯距离一般在0到1米之间，它的频率高于微波而低于可见光。由于这种通信方式具有可靠性高、保密性好、设计成本低、连接方便、简单易用、结构紧凑等特点，在电子产品中具有广阔的发展潜力。目前，已被广泛应用于遥控遥测、智能仪表、计算机终端、电话机、移动电话、寻呼机、电子商务、数字照相机、工业设备和医疗设备等领域[1]。
2  红外通信原理及标准
红外通信是利用950nm近红外波段的红外线为传递信息的载体，即通信信道。发送端用脉时调制（PPM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并利用该脉冲序列驱动红外线发射管以光脉冲的形式向外发射红外光，而接收端将接收到的光脉冲信号转换成电信号，在经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原成二进制数字电信号后输出。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输，而红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器[2]。
IRDA标准包括三个基本规范和协议[1]：物理层规范(Physical Layer Link Specification)，连接建立协议(Link Access Protocol：IrLAP) 和连接管理协议（Link Management Protocol：IrLMP)。物理层规范制定了红外通讯硬件设计上的目标和要求，IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对连接进行设置、管理和维护。
3  硬件设计
红外收发器由发射和接收两部分组成[3]，如图1所示

 
图1   红外收发电路原理图
3.1 发射部分
 480kHZ陶瓷振子与74LS04组成的振荡器，经74LS290十二分频后形成40kHZ载波（占空比约1/3）。 为发送选通端（低电平有效）用于控制收发器状态。当该信号为高电平时，禁止发送红外信号;若 为低电平时，反向后的异步串行数据调制40kHZ载波，然后推动达林顿管，使红外二极管发送信号。异步通信时，由于数据发送端（TXD）在信号状态时为“1”，所以也可将  端直接接地，仅由TXD来控制信号发送。红外发射二极管采用HG505中功率发射管，峰值发射波长为930nm，辐射功率为51mV。
3.2 接收部分
采用专用线性放大集成电路CXA20106。它采用8脚单列直插式塑料封装，内部包括自动偏置控制电路、前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波、积分比较和施密特整形输出电路等。它具有自动偏压控制电路（ABLC），以均衡放大强弱不同的信号，再配合少量外接元件，能完成对红外信号遥控接收与处理的全部功能。红外信号经光敏二极管进行光电转换后，在IC内部经过两级放大、带通滤波、峰值检波和积分整形后，由第六脚输出串行数据信号。红外接收二极管家电采用PH302，其光敏范围750～1000nm，受光面积9mm2，实际应用中采用4片并联方式增大接收面积。接收部分由于放大倍数高，必须全金属屏蔽以免拾取外界干扰。
3.3 发射器及其编码
发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成脉冲宽度调制和脉冲相位调制两大类，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的脉冲宽度调制来加以说明，现以LC7461组成发射电路为例说明编码原理。当发射器按键按下后，即有码发出，所按的键不同编码也不同。这种遥控码具有以下特征：
采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”如图2所示，上述“0”和“1”组成的42位二进制码经38khz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。
LC7461产生的遥控编码是连续的42位二进制码组，其中前26位为用户识别码，能区别不同的红外遥控设备，防止不同机种遥控码互相干扰。后16位为8位的操作码和8位的操作反码用于核对数据是否接收准确。

图2  遥控码的“0”和“1”
当遥控器上任意一个按键按下超过36ms时，LC7461芯片的振荡器使芯片激活，将发射一个特定的同步码头，对于接收端而言就是一个9ms的低电平,和一个4.5ms的高电平，这个同步码头可以使程序知道从这个同步码头以后可以开始接收数据。
解码的关键是如何识别“0”和“1”，从位的定义我们可以发现“0”、“1”均以0.56ms的高电平开始，不同的是低电平的宽度不同，“0”为0.56ms,“1”为1.685ms,所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。如果从0.56ms低电平过后，开始延时，0.56ms以后，若读到的电平为低，说明该位为“0”，反之则为“1”，为了可靠起见，延时必须比0.56ms长些，但又不能超过1.12ms,否则如果该位为“0”，读到的已是下一位的高电平，因此取（1.12ms+0.56ms）/2=0.84ms最为可靠，一般取0.84ms左右即可。根据红外编码的格式，程序应该等待9ms的起始码和4.5ms的结果码完成后才能读码。
3.4 接收器及其解码
LT0038是塑封一体化红外线接收器，它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高电平，收到红外信号时为低电平，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。
3.5 接口部分
实际系统中，单片机本身并不具备红外通信接口，但可以利用单片机的串行接口与片外的红外发射和接收电路组成一个应用与单片机系统的红外串行通信接口，如图3所示。与8051的接口部分，由P1.0控制其发送。

 
图3  红外收发器连接框图
4  软件设计
在实际通信过程中,除随机错误外，往往出现突发错误，它由一连串的全“1”组成。红外通信中，由于红外传输的特殊性，突发错误往往是由于强光干扰或空气中尘埃、烟雾对红外线的散射与吸收所引起的连续多位错误。在误码区间内，码元变为全“0”或全“1”，数据位D3～D7被干扰。对于此类错误，简单的奇偶校验无能为力，而采用数据取反重发方式就能检测出这类错误[4]。单片机发送和接收流程如图4所示，接收方在收到信号后，利用两次数据来判断正误，在有外部干扰时，在正常数据信号和其反码信号相对应的位置上受到相反干扰的几率是极小的，因此，接收方能利用此方式检测出信号误码。
5  结语
根据各光源的光谱分析，参照有关资料提供的红外滤光片与红外接收二极管的响应，可
知红外接收二极管的光谱灵敏度范围为740nm～1000nm,在配合红外滤光片的光学高通滤波

               
 
                         图4   单片机发送和接收流程图
作用就能有效地抑制波长在850nm以下的各种光源的干扰。但对于光源中波长在850nm以上部分，必须采取二次调制等其它方法解决对红外通信信号的干扰。此外，在红外数据传输电路设计中还要做好红外器件的选型、要合理设计好各种红外器件的供电电路等注意事项。
本文设计的红外传输系统装置，制作简单，使用方便。由于采用红外线传输数据，形成了数据通信设备非接触的方式，彻底隔离了雷电、冲击电压、线路短路或感应电流等的影响，真正起到了全面保护串行通信的作用，同时还能解决因环境因素或受工作制约无法采用有线通信的设备,具有一定的实用性。

本文主要创新点:
详细说明了发射和接收的工作原理，并给出了部分参数，设计了红外收发电路原理图，介绍了单片机发送和接收的抗干扰软件流程。
参考文献
[1] 张晓红. 红外通信IrDA标准与应用[J].光电子技术,2003,12,23(4)
[2] 蔡涛. 无线通信原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2002
[3] 黄智伟. 无线数字收发电路[M].北京：电子工业出版社，2003
[4] 周文举. 基于单片机红外无线通信的抄表系统[J]. 微计算机信息, 2006, 22-2:45-47
作者简介：
陈海(1982－)，男(汉族)，河北人,现于军械工程学院通信与信息系统专业攻读硕士学位。
胡建旺(1967－)，男（汉族），山西人，副教授，研究生导师，主要从事通信设备的性能测试等。
陈海  通信地址：河北省石家庄市和平西路97号军械工程学院二系指控教研室
邮编：050003