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基于单片机的红外通讯设计.pdf

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基于 单片机 红外 通讯 设计
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2003.11 电子设计应用 www.eaw.com.cn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 MC68HC908GP32 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 $40 需要的时间是T=26 µS 。 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 47K Ω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标准不归零 (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, 20012 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
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