基于凌阳单片机的红外通信接口设计.doc

武汉轻工大学科 研 训 练 报 告报告题目：基于凌阳单片机的红外通信接口设计姓 名 周 玉 院（系） 电气与电子工程学院 专 业 自动化 年 级 10 级 指导教师 秦 岭 2013年 12 月 10 日摘要红外线通信是目前使用较广泛的一种通信手段。由于红外线通信具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线通信技术。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线通信技术不 仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。而单片机是目前设计应用中用得比较广泛的器件，它可以通过软件编程来达 到不同的效果，实现各种各样不同的功能，具有灵活性强、可靠性高，可扩展性 好等优点。 本文所要介绍的内容就是如何利用凌阳单片机SPCEO61A结合红外线器件设计构造出一套简易的红外通信接口，以实现在中短距离内的红外无线通信的功能。 此通信系统经过一些必要的扩展,完全可以 实现通用和各种专用红外遥控器的功能关键字红外通信 接口技术 协议 凌阳单片机SPCE061A 工作原理 硬件设计 软件设计目录引言.4一 、红外通信介绍.（1） 红外通信技术简介.5（2） 红外通信的协议标准.5（3） 红外通信的原理.6二、SPCE061A介绍.（一）总述.7（二）性能.7（三） 结构概览.8（四）芯片的引脚排列和说明.9（五）特性参数.11（六）SPCE061A最小系统.12三、 红外通信接口设计方案.（一）硬件设计.14（二）软件设计.161.红外发射部分的软件设计.162.红外接收部分的软件设计.164、 总结.17五、参考文献1831前言 随着社会生产力的发展和技术的进步，单片机的应用越来越广泛。在遥控应用领域，单片机尤其得到了很好的应用。很多单片机应用系统中，常常利用非电信号（如光信号、电磁信号、超声波信号等）传送控制信息和数据信息，以实现遥控或遥测的功能。在各种非电信号中， 红外线光信号是经常用的。目前对红外线技术的应用有各种各样的研究，红外技术已经成为了先进科学技术的重要组成部分，它在各领域都得到广泛的应 用，尤其在电视、VCD 和音响等各种遥控设备的应用上，更是差不多已经到了成熟的地步。红外线为不可见光，具有很强的隐蔽性和保密性，因此其在防盗、警戒等安全保卫装置也得到了广泛的应用。红外线遥控的距离一般为几米至几十米或更远一点。红外遥控不具有像无线电遥控那样穿过遮挡物（非屏蔽）去控制被控对象的能力。正是由于这 一特点，工厂设计生产电视机、录像机、电风扇等家用电器的红外遥控器时，不必像制 作锁那样，每套（锁和钥匙）必须有一种新的结构（否则，钥匙就变为通用，锁的作用就会失去）；也不必像无线电遥控那样每套（发射器与接收器）要有不同的遥控频率或编码（否则就会隔墙去控制或干扰邻居的家用电器），所有产品的遥控器可以有相同的 遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。这对于工厂的大批量生产以及在家电器上普及红外遥控提供了极大的方便。正因为红外线通信具有成本低廉、控制简单、实施方便、简单易用、结构紧凑和抗干扰能力强、传输可靠性高的特点，因此在小型的通信移动设备中获得了广泛的应用。这些设备包括笔记本电脑、掌上电脑、机顶盒、游戏机、移动电话、计算器、寻呼机、仪器仪表、MP3 播放机、数码相机以及打印机之类的计算机外围设备等等。试想一下，如果没有红外通信，连接这其中的两个设备就必须要有一条特制的连线，如果要使它们能够任意地两两互联传输数据，该需要多少条连线呢？而有了红外线通信口，这些问题就都迎刃而解了。红外通信是以红外线为载体来传送数据信息，具有直观、操作简单、可靠性高、功耗低、抗干扰能力强、便于高速应用、空间接入灵活等优点，所以越来越受到重视。红外通信接口在手持设备中应用尤为广泛，本文提出了一种基于凌阳公司SPCE061A的红外通信接口的设计方案，以实现在中短距离内的红外无线通信的功能。 此通信系统经过一些必要的扩展,完全可以 实现通用和各种专用红外遥控器的功能。实现单片机系统红外通信的关键在于红外接口电路的设计以及接口驱动程序的设计。 本论一 、红外通信介绍（一） 红外通信技术简介 红外数据通信指的是两台设备之间通过红外线进行无线数据传输的一种数据传输方式，一般采用红外波段内的近红外线，波长在 0.75至 25之间。红外数据协会（IrDA）成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得较好的通信效果，将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在 850至 900之间。红外通信的最大特点在于它替代了设备与设备之间传统的线缆连接，进而摆脱了不同平台设备连接时对于特 制接口的要求，使得跨平台设备间的数据交换简单到只需彼此相对。 红外通信技术的特点如下： 1.它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持； 2.通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据收发；3.主要用来取代点对点的线缆连接； 4.新的通讯标准兼容早期的通讯标准； 5.小角度、短距离、点对点直线数据传输，保密性强； 6.传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。 红外通信技术的缺点如下： 1.通信距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通信中断； 2.目前广泛使用的SIR标准通信速率较低（115.2kbit/s）； 3.主要用于取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一，扩展性差。 （二） 红外通信的协议标准 为了建立一个统一的红外数据通信标准，1993年，由HP、COMPAQ、INTEL等二十多 家公司成立了红外数据协会Infrared Data Association，一年以后，第一个IrDA的红 外数据通信标准发布，即Ir-DA1.0。Ir-DA1.0简称SIR Serial Infrared，它是基于HPSIR的异步、半双工红外通信方式。SIR以系统的异步通信收发器UART为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收光信号电脉冲的波形扩展这一编码解码过程3/16EnDec实现红外数据传输。由于受到UART通信速率的限制，SIR的高通讯信速率只有115.2Kbps，即电脑串行端口的高速率。1996年，IrDA发布了Ir-DA1.1标准，即Fast In-fraRed，简称FIR。与SIR相比，由 于FIR不再依托UART，其高通信速率有了质的飞跃，可达4Mbps。FIR采用了全新的4PPM 调制解调Pulse Position Modulation，即通过分析脉冲的相位来辨别所传输的数据信 息，其通信原理与SIR是截然不同的，但由于FIR在115.2Kbps以下速率时依旧采用SIR的 编码解码过程，所以它仍可以与支持SIR的低速设备进行通信，只有在通信对方也支持 FIR时，才将通信速率提升到更高水平。IrDA1.2标准为低功耗的IrDA1.0标准，现已普遍应用于手持设备。随着移动计算设备和移动通信设备的日益普及，红外数据通信已经进入一个发展的黄金时期。自1993年IrDA成立至今，红外数据协会的会员已经发展到150多个，当今在IT业和通信业叱咤风云的大公司几乎都在其中，由此可见IrDA标准已经获得了业界的广泛认同和支持。目前已经开发生产出来的具备红外通信能力的设备已有一百种之多，红外模块的年装机量已达一亿五千万套，并以每年40的速度高速增长。尽管现在有了同样用于近距离无线通讯的蓝牙技术，但红外通信技术以其成本低廉和广泛的兼容性等优点，势必会在将来很长的一段时间内在近距离无线数据通信领域扮演重要角色。 （三） 红外通信的原理 红外通信是利用950nm近红外波段做为信息的载体来实现两点之间的近距离保密通信和信息转发，红外通信的基本原理就是发送端将二进制信号调制成某一频率的脉冲序列，通过驱动LED以光脉冲的形式将信号发射出去，接收端利用光电二极管将接收到的光脉冲转换为电信号，再经过放大、滤波等环节处理后送给解调电路解调，还原为二进制数字信号输出，红外发射部分对一个红外辐射源调制后发射红外信号，接收部分是利用光学装置和红外探测仪进行接收。 红外发射电路是由电阻R2、三极管Q2、电阻R3与红外发射二极管D1组成，如图1所示。接收电路是由红外接收管和放大电路组成，Q4接收到红外信号后，经过三极管Q1进行一级放大，放大后的信号送入三极管Q3进行第二级放大，通过Rx输出就可以得到放大后的红外接收信号，如图2所示。二、SPCE061A介绍（一）总述SPCE061A 是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。（二）性能 16位nSP微处理器； 工作电压(CPU) VDD为2.43.6V (I/O) VDDH为2.45.5V CPU时钟：0.32MHz49.152MHz ； 内置2K字SRAM； 内置32K FLASH； 可编程音频处理； 晶体振荡器; 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2A3.6V； 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； 2个10位DAC(数-模转换)输出通道； 32位通用可编程输入/输出端口； 14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据； 锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号； 32768Hz实时时钟； 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器； 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能； 具备串行设备接口； 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； 内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口； 具有保密能力； 具有WatchDog功能（三） 结构概览 SPCE061A的结构如图1.2所示：（四）芯片的引脚排列和说明 SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；它的排列如图1.4所示；另一种为80个引脚，LQFP80封装。它的排列如图所示。（五）特性参数 SPCE061A系统的特性参数如表1.2所示。（六）SPCE061A最小系统 最小系统接线如图1.6所示，在OSC0、OSC1端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。其它不用的电源端和地端接上0.1F的去藕电容提高抗干扰能力。三、 红外通信接口设计方案（一）硬件设计 接口电路如图4所示，J1为红外发射接收电路的发射信号和接收信号接口，可以用1 0Pi ns排线直接和SPCE061A的10B高8位相连，通过SPCE061A的IOB8输出38kHz的调制波，IOB8输出TimerA PWM脉宽调制输出。载波图如图3所示。 红外信号的调制主要有两种，一种是脉宽调制(PWM)，一种是通过脉冲串的时间间隔实现信号调制的脉时调制(PPM)，本文采用的方法是PPM。 61板是这个系统的控制核心，红外发射管选用的是由Visay公司生产的TSAL6238，用来发射940nm的红外光束，发射电路主要由电阻电容三极管和红外发射管组成，串行码的发送主要由TimerA定时器，IOB8编程为第二功能是由TimerA控制输出占空比可调的脉宽调制信号APWM0，产生38kHz的载波信号，如图5是38kHz的调制波。串行数据由单片机的串行输出端TXD送出并驱动三极管，利用两个红外发射管将38kHz的载波信号以光脉冲的形式向外发送。串行码为1时，打开输出，为0时，关闭APWM0输出(输出低电平)。用TimerB控制脉冲宽度。外接收电路选用Vishay公司生产的专用红外接收模块TSOP1738。该接收模块是一个三端元件，使用单电源+5V电源，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其它波长(950nm以外)的红外光不敏感的特点，其内部结构框图如图5所示。TSOP1738的工作原理为：通过红外光敏元件将接收到的载波频率为38kHz的脉冲调制红外光信号转化为电信号，再由前放大器和自动增益控制电路进行放大处理。然后通过带通滤波器进行滤波，滤波后的信号由解调电路解调。最后由输出级电路进行反向放大输出。用IOB2检测这个信号，图6为TSOP1738的内部结构图。（二）软件设计以一个简单应用多功能电能表为例，主要包括手持 抄表器主机软件和电度表端从机软件两部分6，在数据 交换中, 手持单元或数据终端为主站, 费率装置(一般指 多功能电能表) 为从站,主站与从站同时都要具有接收和 发射两套装备，两者接收发射和处理数据的程序相同。 考虑到主站与从站不能同时接收和发射信号，数据的传 输是双向的，从站需要接收主站发射的信息，也需要向 主站发射信息，主站和从站都需要各有一套发射和接收 装备，若采用的是全双工通信方式，自身发射的信号很 可能自身能接收到，所以采用了半双工7通信串行方式。 这里以主站的接收和发射部分为例来说明每个部分的软 件设计以及流程图。1.红外发射部分的软件设计发射部分首先是发射同步头起始位，接着发射8位的 数据段，见图7。在发射端，CPU不断地扫描键盘，一旦发 现有键按下，就启用发射子程序将相应的数值发射出去。2 红外接收部分的软件设计红外接收部分主要是通过红外接收模块TSOP1738来 接收数据的，这部分程序比较简单，利用中断使系统进 入接收数据的状态，将数据存储在61板的数据存储器中， 这就完成了一次接收过程。四、总结本设计方案是一种简易的红外通信接口，该红外通信接口电路具有电路简单、成本低廉、编程方便、维护容易、可靠性高等优点，设计达到了红外无线遥控的目的。 在开始确定好自己的设计题目后，我认真看了下相关单片机和系统设计方面的书籍。了解了系统建设的基本流程、总体布局设计以及系统开发前所需的一些准备工作，特别是系统需求分析的重要性，这样做到了心中有数，先把网上管理系统需要的功能划分成几个大模块，然后再思考进行细分。脑子里逐步形成了系统的框架，开始进行布局设计，经过反复的修改才让自己满意，以为自己的这次设计开始顺利起来时，在数据库建表过程中又出现了问题，因为这方面的知识不够成熟，没有事先完整的设计好数据项就开始建立了数据关系，到后来发现要改时只得又重新来过，浪费了很多时间，只好先停下来对数据项进行了系统的分析，才使得后面的过程得以顺利进行。由于对整个系统的设计不够深刻，加上需求分析做的不够深入、不够透彻就急于进入系统设计阶段导致后面的阶段坎坎坷