论文：红外数据通讯系统的设计

1、红外数据通信系统的设计应用技术学院 06测控 陈栋智指导老师 朱桂荣摘要本文简要介绍了红外数据通信的原理，基于此原理设计了一种应用于单片机系统的红外串行数据通信系统，并针对红外传输中出现的外部光源干扰和发送距离偏短的问题，提出了一系列改进措施(如二次调制、透镜聚焦等)。关键词: 红外通信、发射、接收，串行通信，单片机AbstractThe principle of Infrared-communication is introduced in this paper, a system of Infrared-serial-data-communication applied to SCM is

2、 designed based on this principle.Aim at the problem occurred in the process of Infrared-transmission, we refer to a serial of improvements (such as remodulation, lens focus.etc). The problem are the exterior light disturbing and short transmission range. Keywords: Infrared-communication, transmit,

3、receive, serial-communication, MCU前言信息时代，通信技术的发展总是走在各种技术的最前沿。随着各种手持式信息终端设备在我们的工作、生活中出现，如PDA、掌上电脑、手持式测量仪器等，无线通信这种比传统的有线通信更加方便自由的通信方式逐渐被人们重视。随之而来的，是各种无线通信技术的研发，多种通信协议的竞相产生。红外通信作为一种无连接导线的传输方式，正在得到日益广泛的应用，从家用电器到计算机辅助设备都不断有新产品出现。红外发射接收装置电路简单，易于实现，对空气污染小。在某些应用场合，比无线电射频通信具有更好的综合效果。红外无线通信在我国古代已有应用，只是比较简单。在第

4、一次世界大战中德国就研制并运用了红外通信。第二次世界大战中美国、日本、苏联也都使用过红外无线通信。但在这漫长的时间里，由于红外无线通信系统光源均为热辐射源，调制困难，接收器件又是光电池，内部噪声很大，影响了通信距离和可靠性，故发展很慢。近年来由于微电子技术的发展，辐射器件和接收器件已为半导体器件所代替，又由于它具有无需敷设线路、保密性好、抗干扰能力强、价格低廉、设备简单、适应性强、便于移动等独特的优点，再加上近年来办公室自动化、家庭电器化、宽频带通信的迫切需要，红外无线通信才又引起各国的普遍重视和发展。在一些需要数据交换的场合，但数据量不是很大，实时性要求不是很高的情况下，使用红外通信方式，即

5、可以得到无绳化通信带来的便利，又可以避开采用无线电高频电路可能引发的一些问题。家用电器的遥控器，计算机的遥控键盘和遥控鼠标以及便捷式数据收集装置（媒水电表的登录器、报税机）与主机的数据交换等都可以使用红外方式。第一章 红外通信的基本概念1.1红外基础理论1672年，人们发现太阳光（白光）是由各种颜色的光复合而成，同时，牛顿做出了单色光在性质上比白色光更简单的著名结论。使用分光棱镜就把太阳光（白光）分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。1800年，英国物理学家F.W. 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线。他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯一的窗户用暗板堵住，并在板上开

6、了一个矩形孔，孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。为了与环境温度进行比较，赫胥尔用在彩色光带附近放几支作为比较用的温度计来测定周围环境温度。试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：放在光带红光外的一支温度计，比室内其他温度的批示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红

7、外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。红外线的波长在0.76100m之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏

8、上，得到与物体表面热分布相应的热像图。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。1.2 红外通信的定义及系统组成红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。 红外发射器红外发射器的功能是完成信号的电光变换，向空间发射出红外脉冲。红外发射器的关键部件是红外发光二极管和相应的驱动电路。红外LED 器件首先应满足其调制带宽大于信号的频谱宽度，保证通信线路畅通。此外LED 的发射波长应与接收机光电探测器(一般

9、选用硅光二极管) 的峰值响应率相符合，最大程度地抑制背景杂散光干扰，现阶段一般选用 780950nm 的波段。同时，红外无线通信系统的信噪比与发射器发射功率的平方成正比，所以适当提高红外发射器的发射功率可以降低误码率，提高通信质量。另外为保证红外发射电路工作点的稳定，应增加适当的温控和光控措施。红外接收器红外接收器是从空间接收红外脉冲并进行光电变换，之后对信号进行解调、判决 、解码等。在红外无线通信系统中，由于红外发射器的发射功率较小，而且信号是无线传输，易受外界环境的影响，这些因素导致红外接收器接收到的信号很弱，并且电平变化范围较大。因此，低噪声的前置放大器设计和自适应的码元判决电路是该部分

10、设计的重点。低噪声的前放一般选用输入阻抗较高的跨导放大器，它的动态范围大，频带较宽。自适应的码元判决电路能自适应跟踪输入信号的电平的变化，得到最佳的阈值电平，并根据此阈值电平对信号进行判决，使之变换为数字电平。之后进行解码，恢复出原始信号。1.3红外线通信的特点红外通信采用红外线作为通信载体，一般采用0.9um波长左右的红外线。调制方式一般采用ASK、QPSK、PPM等，传输速率为2.4kps16Mbps。红外线方式是电波法试用法规以外的方式，在通信速率和调制方式方面享有充分的自由。红外线在短距离、室内应用中有较大的优势。红外通信成本低、速率快，而且它的带宽几乎不受限制。红外线波长与可见光接近

11、，它不能穿透不透明的障碍物，所以红外传输被限制在同一个房间内，但这种局限性却使通信的安全性增强，也避免了不同房间的交叉干扰。要想在多个房间之间进行通信，就得通过有线途径增加红外接入点(Access point)。红外线易受环境噪声的影响，如太阳光、电灯等。红外探测器的信躁比正比与接收光功率的平方，为了提高信躁比，降低误码率，就必须增大发射功率。我们把无线电波和红外线两种传输媒介的有关参数进行了比较，可以明显地看出红外线的特点，如表1.1。表1.1无线电波通信和红外线通信无线电波 红外线红外结论带宽限制穿墙能力多路衰减多路失真路径损耗主要干扰源输入X(t)信躁比参数平均功率有能有有高其它用户电流

12、无无无有高背景光功率无须通过认证覆盖范围小，安全性强链路设计简单有效通信距离小难以在室外使用传输功率高由表1.1可看出红外通信方式保密性强，信息容量大，结构简单，既可以是室内使用，也可以在野外使用，由于它具有良好的方向性，适用于国防边界哨所与哨所在之间的保密通信， 但在野外使用时易受气候的影响。在室外或有阳光照射的环境下由于有大量红外线， 而在接近电灯光的地方会有大量紫外光，在这两个情况下都会减低红外线作为通信媒介时的最大通信距离。所以使用者应尽量避免在上述的环境下使用红外线通讯，并尽量让正在进行通信的两部主机的发信装置直接相向，这亦有助减低通信时资料传递错误的情况出现。1.4红外通

13、信的原理红外通信利用950nm近红外波段的红外线作为通信载体，来进行通信。发送端采用脉冲调制（PPM）方式，将二进制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化成电信号，再进行放大、滤波、解调处理后还原成二进制电信号。原理图如图1.1所示。 图1.1红外通信原理对于发送端来说，当无红外脉冲发射时，发送的是二进制数据“1”；而有红外脉冲发射时发送的是二进制数据“0”。而对于接收端来说，没有接收到红外光则认为是“1”；接收到则认为是“0”。第二章 红外数据通信系统的设计2.1红外通信电路的设计红外无线通信系统设计时应考虑的

14、问题如下：由于诸如太阳光、荧光灯、工频电源、热源及暗电流均可产生噪声或无用的调制，因而在设计时对以上干扰和其它无用背景辐射所引起的噪声，必须给以足够的重视。发射电路的设计1发射电路接收时的考虑：为了提高抗干扰能力和发射效率，应采用调制技术。首先用信号调制副载波，然后再对光波进行二次调制，可采用调频制，也可采用调幅制等模式。在发光二极管前附加适当的薄膜滤波片也是很有必要的。由于目前红外发光二极管价格较高，设计时应保证发光二极管不超过它的最大允许功耗，也还可以采用过载保护电路，如图2.1所示。光发射级的晶体管BG2和电阻R2 图2.1 发射及过载保护电路构成红外发光二极管保护电路，由于晶体管BG2

15、偏置电阻R2很小，因此在正常工作情况下晶体管BG2截止，当流过BG1集电极电流突然增大，超过BG1极限值时，此电流在R2上的压降也增加，达到一定程度时BG2导通，对发光二极管起到分流作用，使流过发光二极管的电流下降，从而起到对发光二级管的保护作用。若单管功率不足时，可采用多管串联、并联或串并联以提高其辐射功率，并采用光学天线，达到增加通信距离的目的。 接收电路的设计接收电路设计时的考虑：首先要选择能将红外辐射转换成电流的探测器，为了确保质量，应选用灵敏度高，结电容小而响应速度快的PIN器件，其次是对信号处理电路的噪声抑制也是接收电路要着重考虑的问题。二极管结电容不是固定值，它随入射光的功率大小

16、而变化，随光强度的减少而增加。在偏压电阻选择不当时、照明条件改变时接收器的通带会产生噪声蠕动现象。 由于荧光灯的弧光通常每10ms熄灭并重新闪烁，它的噪声贡献有“岐点”，因此经过调制的有效噪声频谱的范围很宽，这样就难以使频带内的噪声降低到最低限度。为了减少热噪声，可以选择电阻大的偏置电阻，但这又会增加荧光灯噪声，二者要适当兼顾。接收机带宽，目前国外一些研究成果就已规定了一些范围，所用信号的频带下限为10kHz，上限为500kHz。经过仔细挑选所用元件，并经放大、滤波后，噪声电平可降到最低限度。由于光源较多、也较复杂，尽管采用以上方法还存在噪声时，可在接收机攻放之前，对于调频体制将更是必要的。2

17、.2红外数据通信系统3根据上述要求，我们设计了一种应用与单片机系统的红外串行数据通信系统。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的红外发射和接收电路组成一个应用于单片机系统的红外串行通信接口，如图2.2所示。 图2.2 红外通信电路由图2.2可看出，该设计系统由红外发射电路，红外接收电路两部分组成，由红外发光二极管作为发射器件，TSOP1738作为红外接收器件。硬件电路分析红外数据通信的硬件由发送电路和接收电路两部分组成。1）红外发送电路 R1 图2.3 红外发送电路由2.3可知，红外发送器电路包括脉冲振荡器、驱动管T1和T2、红外发射管D1和D2（发光管是硬件中的关键器件

18、，对它的选择尤为重要，常见发光管又两种封装，一种是圆形封装，一种是扁平封装。圆形封装的发光管通讯视角小，距离远。扁平封装的发光管通讯视角大，当发射距离近，可根据需要选择）。其中脉冲振荡器由555定时器、电阻（R1、R2）和电容（C1、C2）组成，用以产生38kHz的脉冲序列作为载波信号；红外发射管D1和D2选用Vishay公司生产的TSAL6238，用来向外发射950nm的红外光束。555定时器3脚输出调制信号，定时电容C1通过定时电阻R2，R1充电的时间为t1=0。7(R2+R1)C，此期间3脚输出为高电平；通过R2放电的时间为t2=0。7R2C，此期间3脚输出为低电平，载波频率为 占空比：

19、 红外发送器的工作原理为：串行数据由单片机的串行输出端TXD送出并驱动T1管，数位“0”使T1管导通，通过T2管调制成38kHz的载波信号，并利用两个红外发射管D1和D1以光脉冲的形式向外发送。数位“1”使T1管截止，红外发射管D1和D2不发射红外光，若传送的波特率设为1200bps，则每个数位“0”对应32个载波脉冲调制信号的时序图如图2.4所示。图2.4调制信号的时序图使用载波方式传输数据可以避免空气中频杂散光的干扰，提高系统的抗干扰能力。在保证不超过红外管允许功耗的前提下，要有尽可能远的通信距离，可采取二个方法：并联多个红外发光管，以加大红外光的辐射功率；减小载波脉冲的占空比，提高其峰值

20、。2）红外接收电路，如图2.5所示。 图2.5 红外接收电路红外接收电路选用Vishay公司生产的专用红外接收管TSOP1738，它是一种专门用于红外遥控和数据通信的三端红外接收组件，其中包括了接收、放大、和解调等功能，使用单电源5V供电，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其他波长（950nm以外）的红外光不敏感。TSOP1738的工作原理为：首先通过红外光敏元件将接收到的载波频率为38kHz的脉冲调制光信号转化为电信号，再由前置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进行解调，最后由输出级电路进行反向放大输出。为保证红外接收模块TSOP

21、1738接收的准确，要求发送端载波信号的频率应尽可能接近38kHz，因此，在设计脉冲振荡器时要选用精密元件并保证电源电压稳定。再有，发送的数位“0”至少要对应14个载波脉冲，这就要求传送的波特率不能超过2400bps，利用上述红外收发电路构成的红外信道最大通讯距离为8m。 软件设计21）通信方式考虑到红外光反射的原因，在全双工方式下发送的信号也可能会被本身接收，因此，红外通信需采半双工通信方式。所谓半双工通信，指的是通信双方可以进行双向通信，但是不能同时进行，在同一时间内，一方作为通信，另一方作为接收。此设计中采用异步传输的方式，在异步传输中每个字符的前后有起始信号和终止信号。这里设置单片机的

22、串行口采用方式1通信；片内定时器T1作为波特率发生器，选择传送的波特率1200bps，则定时器T1的初值应设置TL1=TH1=E8H，另外应禁止定时器T1中断以免因定时器T1溢出而产生不必要的中断。2）通信协议进行红外通信之前，通信双方首先要根据系统的功能要求订立某种特定的通信协议，然后才能编写相应的通信程序。A机有一个启动按键START，按下START键开始发送数据，B机有三个作为指示器的发光二极管V1、V2、V3，分别表示接收中（BUSY）、接收正确（OK）和接收错误（ERR）。A机发送的数据区存放在外部数据存储器1000H为起始地址的存储区内，发送字节数小于255个。B机接收的数据区存放

23、在外部数据存储区1100H为起始地址的存储区内，长度小于256个。A机发送过程：当检测到按下START键后，先发送一个ESC控制符（ASCII码的值为27和1BH），然后发送数据区内的ASCII码，采用奇校验，当遇到回车(CR)控制符后，发送结束，再次等待按下START键，重复前面过程。B机接收过程：等待接收TSOP1738发出的字符，如收到ESC字符（ASCII码的值为27和IBH），进入接收状态，发出BUSY指示信号，开始接收数据，遇到回车(CR)控制符和接收字符已达255个，表示接收结束。如接收过程中，发现奇校验错，则在接收结束时，发出ERR指示信号，否则发出OK指示信号。如接收过程中，

24、又收到ESC控制符，则之前收到的数据作废，重新开始接收，并计数。1)定义有关标志符单片机各源程序之前，定义有关标志符：A_START BJT 90H ；定义按键输入位为P1。0F_START BJT 00H ；定义按键标志位DATE1 EQU 1000H ；定义发送数据区首地址DATE2 EQU 1100H ；定义接收数据区首地址ESC EQU 27 ；定义ESC控制码CR EQU 13 ；定义回车控制符F_ERR BJT 91H ；定义ERR标志位P1。1F_OK BJT 92H ；定义OK标志为P1。2F_BUSY BJT 93H ；定义Busy标志为P1。32)单片机初始化程序INI_A

25、：MOV TMOD ，#20H ；置定时器1工作方式2MOV TL1 ， #0E8H ；设置波特率为1200bps；晶片振荡采用11。0592MHzMOV TH1 ， #0E8H CLR ET1 ；禁止T1中断SETB TR1 ；启动定时器1MOV SCON， #40H ；置串行口工作方式1 MOV PCON， #00H MOV C， A_START ；初始化基本变量 MOV F_STATRT，C SETB F_Busy ；关闭三个指示灯 SETB F_OK SETB F_ERR3) 发送数据程序等待发送子程序：WAIT：MOV C，F_STRAT ；取上次START状态 MOV F0，C ；

26、临时存入F0 MOV C，F_STRAT ；检测START按键 MOV F_START，C ；保存START 按键状态 CPL C ；本次START 状态取反 ANL C，F0 ；START出现10，则C为“1” JNC W_END ；如START键没按下则退出 LCALL S_DAT ；发送数据W_END：RET发送数据子程序：S_DAT：MOV A，#ESC ；发送一个ESC字符 LCALL S_CHR ；调用发送字符子程序 MOV DPTR ，#DATA1 ；准备发送数据 MOV R0，#00H ；预置发送长度为256个字符 S_D_1：MOVX A，DPTR ；取字符：A字符 LCAL

27、L S_CHR ；发送A中字符 XRL A，#CR ； JZ S_D_ED ；是CR字符则退出 INC DPTR ；调整指针 DJNZ R0， S_D_1 ；长度没超过则继续S_D_ED：RET发送字符子程序：S_CHR：JNB TI，S_CHR ；等待发送结束 CLR TI ； MOV C，P ；CY奇校验位P MOV TB8， C ； MOV SUBF，A ；发送A中字符 RET4。4接收数据程序等待接收子程序：W_RCE：LCALL R_CHR ；接收字符 XRL A，#ESC ；有ESC字符输入？ JNZ W_R_ED ；不是ESC字符，则退出 LCALL R_DAT ；接收数据W_R

28、_ED：RET接收数据子程序：R_DAT:：SETB F_ERR ；初始化接收标记 SETB F_OK CLR F_Busy ；打开BUSY指示灯，表示 ；进入接收状态 MOV DPTR，#DATA2 ； MOV R0，#00H ；R0为接收字符倒计数单元 MOV R2，#00H ；R2为接收字符数单元R_D_1： LCALL R_CHR ；接收字符：A字符 MOV B，A ；保存接收的字符 XRL A，#ESC ； JZ R_DAT ；是ESC字符则重新开始；接收 MOV A，B ；恢复原来值 XRL A，#CR JZ R_D_3 ；是CR字符则接收结束 MOV A，B ；保存数据 MOVX

29、 DPTR ，A ； MOV C，P ；进行校验，P为奇校验位 ANL C，F0 ； F0保存了RB8 JC R_D_2 ；P和RB8都为1表示无错 MOV C，P ORL C，F0 ；CPRB8 JNC R_D_2 ；P和RB8都为0表示无错 CLR F_ERR ；有错，则设置ERR指示R_D_2： INC DPTR ；调整指针 DJNZ R0，R_D_1 ；长度没超过则继续R_D_3： SETB F_Busy ；结束处理，关闭BUSY指示 ；灯 RET接收数据子程序：R_CHR： SETB REN ；允许接收 JNB RI， R_CHR ；等待接收 MOV A， SBUF ；接收数据送A

30、MOV C， RB8MOV F0，C ；RB8送F0 CLR RI ；清除接收标志 CLR REN ；关闭接收允许 第三章 红外通信中需解决的问题和改进措施3.1红外通信中需解决的问题 光源干扰红外线的波长介于红光和微波之间，普通的红外控制所用波长在770nm1200nm的近红外区。事实上，凡湿度超过绝对零度（273）的物体都是红外辐射源，物体温度约高，红外辐射的强度就越大。而对红外信号最有影响的光噪声是阳光与室内照明光源。图3.1给出了各种光源的光谱分析和红外滤波片与红外接收二极管的响应区间。 图3.1光谱分析与接收区间由图3.1可见，红外接收二极管的光谱灵敏范围约为740nm1000nm，

31、再配合红外滤波光片的光学高通滤波作用就能有效地抑制波长850nm以下的各种光源的干扰。但对于光源中波长*50nm以上部分，必须采取二次调制等其他方法解决其对红外通信信号的干扰。 红外辐射的衰减从红外发射管输出，入射到光敏器件表面的辐射入射量E(r)反比于两者距离的平凡，即： 由图3.2可看出，辐射入射量E(r)在rd处为E(d)，而在r2d处，随着距离的增加，红外辐射量急剧下降。 图3.2 辐射量与距离的关系3.2红外通信中的技术措施 二次调制4二次调制是指首先用异步串行数据对40kHz的载波信号进行脉冲调制，然后再去对波长约940nm的红外光进行第二次幅度调制（光调制），即用驱动红外发光关等

32、的方法产生红外数据信号。信号波形见图3.3图3.3 二次调制采用脉冲驱动红外二极管，不易使管芯发热，而且允许脉冲电流幅度比直流电流有很大增长。例如，脉冲宽度100us，频率100Hz，正向脉冲电流可达1.0A(此时直流电流仅10mA)。这样就抑制了频谱成份相近的光线的干扰，提高信躁比，同时大大增加了作用距离。透镜聚焦为了得到更长的传输距离，把光学透镜置于红外发射二极管前，如图3.4所示。图3.4光学透镜的作用当把红外发射管放在透镜焦点上时，改变了发射角度，使距离为r处的辐射入射量E(r)接近等于距离为d处的入射量E(d)，因此使传输距离显著增加。第四章 注意事项1.红外二极管正向平均工作电流不得超过产品参数给出的工作电流，对此可以采用过载保护电路如图4.1所示。光发射级的晶体管BG2 图4.1 过载保护电路构成红外发光二极管保护电路，由于晶体管BG2偏置电阻R2很小，因此在正常工作情况下晶体管BG2截止，当流过BG1集电极电流突然增大，超过BG1极限值时，此电流在R2