基于單片機(jī)的主從紅外通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、引言

　　紅外通信是目前比較常用的一種無線數(shù)據(jù)傳輸手段，其具有無污染、信息傳輸穩(wěn)定、信息安全性高以及安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，并且可以在很多場合應(yīng)用，如家電產(chǎn)品，工業(yè)控制、娛樂設(shè)施等領(lǐng)域。紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的載體，通過紅外光在空中的傳播來傳遞信息，由紅外發(fā)射器和接收器實(shí)現(xiàn)。發(fā)射端將二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，經(jīng)電光轉(zhuǎn)換電路，驅(qū)動紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送到空中。接收端將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)解調(diào)和譯碼后恢復(fù)出原二進(jìn)制數(shù)字信號。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)PIC18F248的主從式紅外通信系統(tǒng)，主要設(shè)計(jì)了紅外接口電路以及主機(jī)和從機(jī)通信軟件流程。

2、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　在主從式紅外通信系統(tǒng)中，主機(jī)及從機(jī)的紅外發(fā)射電路相同，紅外線的載波頻率都為38KHz，在同一時間內(nèi)，可以是主機(jī)發(fā)射，從機(jī)接收；或者從機(jī)發(fā)射，主機(jī)接收。

2.1 紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)

　　紅外發(fā)射器電路主要由單片機(jī)，驅(qū)動管Q1和Q2、紅外發(fā)射管D1等組成，電路如下：

紅外發(fā)射器工作原理為：單片機(jī)通過I/O端口控制整個發(fā)射過程。其中，紅外載波信號采用頻率為38KHz的方波，由PIC18F248的CCP模塊的PWM功能實(shí)現(xiàn)，并由CCP1端口傳輸?shù)饺龢O管T2的基極。待發(fā)送到數(shù)據(jù)由單片機(jī)的TX端口以串行方式送出并驅(qū)動三極管Q1，當(dāng)TX為“0”時使Q1管導(dǎo)通，通過Q2管采用脈寬調(diào)制（PWM）方式調(diào)制成38KHz的載波信號，并由紅外發(fā)射管D1以光脈沖的形式向外發(fā)送。當(dāng)TX為“1”時使Q1管截止，Q2管也截止，連接Q1和Q2的兩個上拉電阻R1和R3把三極管的基極拉成高電平，分別保證兩個三極管可靠截止，紅外發(fā)射管D1不發(fā)射紅外光。因此通過待發(fā)送數(shù)據(jù)的“0”或“1”就可控制調(diào)制后兩個脈沖串之間的時間間隔，即調(diào)制PWM的占空比。比如若傳送數(shù)據(jù)的波特率為1200bps，則每個數(shù)位“0”就對應(yīng)32個載波脈沖調(diào)制信號。紅外發(fā)射管D1采用TSAL6200紅外發(fā)射二極管，其實(shí)現(xiàn)將電信號轉(zhuǎn)變成一定頻率的紅外光信號，它發(fā)射一種時斷時續(xù)的高頻紅外脈沖信號，由于脈沖串時間長度是恒定的，根據(jù)脈沖串之間的間隔大小就可以確定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是“0”還是“1”。

2.2 紅外接收電路設(shè)計(jì)

　　紅外接收電路主要采用Vishay公司的專用紅外接收模塊HS0038B。接收電路及HS0038B內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：

接收電路工作原理為：當(dāng)接收到載波頻率為38KHz的脈沖調(diào)制信號時，首先，HS0038B內(nèi)的紅外敏感元件將脈沖調(diào)制紅外光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再由前置放大器和自動增益控制電路進(jìn)行放大處理，然后通過帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，最后由輸出電路進(jìn)行反向放大并輸出低電平；未接收到載波信號時，電路則輸出高電平。這樣就可以將斷斷續(xù)續(xù)的紅外光信號解調(diào)成一定周期的連續(xù)方波信號，并通過單片機(jī)的串口輸入單片機(jī)，由單片機(jī)處理后便可以恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)信號。

3、主從式紅外通信軟件設(shè)計(jì)

　　主從式紅外通信中主機(jī)紅外接收、發(fā)送電路與從機(jī)的電路完全相同，紅外線的載波頻率也相同。在紅外通信系統(tǒng)中，若采用不同載波頻率來區(qū)分主機(jī)及從機(jī)之間的通信可以通過改善紅外發(fā)射和接收電路的頻率特性，但是這樣會大大提高硬件成本，本系統(tǒng)通過配置適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議來降低硬件成本。為了避免發(fā)射時造成對本機(jī)的干擾，系統(tǒng)采用異步半雙工通信模式，在同一時間內(nèi)可以是主機(jī)發(fā)送，從機(jī)接收；也可以是從機(jī)發(fā)射，主機(jī)接收。主機(jī)及從機(jī)通信流程如下：

主機(jī)通信過程為：(1) 上電初始化，完成UART的工作模式、波特率的設(shè)置（系統(tǒng)波特率為2400bps）；CCU模塊PWM工作模式、PWM頻率設(shè)定。CCU模塊工作在對稱的、非反向的PWM模式，頻率38KHz，占空比50%；(2) 等待數(shù)據(jù)發(fā)送控制信號到來；(3) 若接收到發(fā)送控制信號，則立即通過紅外串行發(fā)送16字節(jié)數(shù)據(jù)；(4) 通過紅外接口接收從機(jī)返回的16字節(jié)數(shù)據(jù)；(5) 比較接收到的16字節(jié)與發(fā)送到16字節(jié)數(shù)據(jù)，若一致則發(fā)送下一個數(shù)據(jù)，否則重發(fā)該數(shù)據(jù)。

　　從機(jī)通信過程為：(1) 上電初始化，完成UART的工作模式、波特率設(shè)置；CCU模塊PWM工作模式、PWM頻率設(shè)定；(2) 通過紅外接口從主機(jī)接收16字節(jié)數(shù)據(jù)；(3) 判斷是否為重發(fā)數(shù)據(jù)，若是則覆蓋前次接收到的數(shù)據(jù)。

　　主機(jī)和從機(jī)通信過程包括的函數(shù)主要有系統(tǒng)初始化函數(shù)UART_Init()，向串口發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)UART_SendByte()、 串口接收紅外信號數(shù)據(jù) UART_RcvByte( )等。部分函數(shù)程序代碼如下：

UART_SendByte(unit8 dat) //向串口發(fā)送數(shù)據(jù)
{ SBUF = dat; //發(fā)送數(shù)據(jù)
while(TI = =0; // 等待發(fā)送完畢
TI = 0;
}
unit8 UART_RcvByte() //接收串口數(shù)據(jù)
{if(RI = =0) return(0); //若沒有接收到數(shù)據(jù)，則返回0
*dat = SBUF;
RI = 0;
return(1);
}

4、結(jié)束語

　　紅外通信可用于許多需短距離及非接觸式傳輸數(shù)據(jù)的場合。本文設(shè)計(jì)的主從式紅外通信接口具有硬件電路簡單、成本低、通信可靠等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)及從機(jī)雙方非接觸式的數(shù)據(jù)傳輸。適當(dāng)修改通信軟件就可以讓系統(tǒng)用于紅外抄表、遙控、遙測等許多場合。