紅外通信的設計與實現(xiàn)

在電子消費領域當中，紅外產(chǎn)品的使用較為普遍，它多用于簡單的近距離控制，如家電，玩具，各種抄表系統(tǒng)。本文以Freescale 8位高性能、低功耗單片機MC9S08GT60為載體，詳細介紹紅外通信的硬件和軟件設計過程及通信協(xié)議的使用。

HCS08系列的MCU是Freescale半導體公司最新推出的8位單片機，具有多種低功耗模式，更高的工作頻率，并集成了片上調(diào)試器，而且資源豐富，因此采用了該系列的MC9S08GT60作為載體詳細討論了一個簡單實用的紅外通信開發(fā)系統(tǒng)。

紅外通信過程主要由紅外發(fā)射和紅外接收兩個過程，首先將數(shù)字信號送給紅外發(fā)射電路，經(jīng)該電路的調(diào)制轉變成紅外光信號在空中傳輸，然后紅外接收電路收到該紅外光信號，經(jīng)過該電路的解調(diào)，將此紅外光信號還原成可被單片機處理的信號，由單片機內(nèi)部處理得到原來的數(shù)據(jù)編碼。

2 紅外通信協(xié)議

協(xié)議的目的是給收發(fā)雙方一個約定，使其能夠進行同步，并正確的收發(fā)數(shù)據(jù)。本設計使用了類同步協(xié)議。當紅外接收器未收到信號時，不產(chǎn)生定時操作，否則，首先接收起始位‘0’，并觸發(fā)中斷，啟動定時器接收數(shù)據(jù)，然后判斷是否為起始位，如果是，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，否則將定時器復位，重新檢測起始位，在接收第二個停止位時，會觸發(fā)一次中斷來檢測第一次接收的停止位是否正確，如果不正確，則復位定時器，重新接收，否則已經(jīng)正確接收該數(shù)據(jù)段。

3 紅外通信的原理分析

紅外通信在空中傳輸?shù)氖?strong>載波信號，當有載波通過時，接收端輸出數(shù)字信號‘0’，反之，輸出數(shù)字信號‘1’。因此在發(fā)射電路發(fā)送的功能指令碼，一般采用多位二進制串行碼。本文中，紅外通信數(shù)據(jù)采用脈沖編碼，就是將每位數(shù)據(jù)信號用一個脈沖來表示，脈寬為526 μs，兩個這樣的脈沖周期表示‘1’，一個這樣的脈沖周期表示‘0’。這樣的脈沖信號都調(diào)制在頻率為38 kHz的載波上再發(fā)送出去，調(diào)制后在空中傳輸?shù)男盘柧褪蔷哂幸欢〞r間間隔的載波信號，其占空比由數(shù)據(jù)編碼決定。在紅外接收端，數(shù)據(jù)處理的過程正好相反，在接收紅外光信號之后，會經(jīng)過整形、放大、濾波、調(diào)制等一系列處理，然后在其輸出端輸出一系列的單片機能夠處理的數(shù)據(jù)信號。

4 紅外通信硬件設計原理

4.1 發(fā)送電路的硬件設計

HCS08GT60單片機內(nèi)部有兩個TPM模塊，每個模塊有兩個通道，可以用任意一個通道的PWM功能，輸出38 kHz的載波信號，本文編程設計根據(jù)實驗條件的要求采用了TPM1通道1中心脈寬輸出功能產(chǎn)生38 kHz紅外載波信號。而PTA7口作為普通的輸入輸出口，產(chǎn)生一定脈寬的方波信號，作為數(shù)據(jù)編碼信號輸入。硬件原理圖如圖1所示。

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原理圖中，電氣節(jié)點CODE跟PTA7口相連，產(chǎn)生數(shù)據(jù)編碼；電氣節(jié)點CLK跟TPM1通道1相連，產(chǎn)生38 kHz紅外載波信號。三極管基極串接的電阻和R5起到限流保護的作用，三極管本身則具有信號放大的功能，另外兩個三極管級聯(lián)將編碼調(diào)制在38 kHz的載波上通過紅外發(fā)射器發(fā)射出去。當編碼為‘1’時，Q1，Q2截止，紅外發(fā)射器上無電流通過，發(fā)射低電平信號，當編碼為‘0’時，Q1，Q2導通，此時載波信號通過Q2放大在發(fā)射器上體現(xiàn)出38 kHz的載波信號。因此在PTA7端口輸入不同的數(shù)據(jù)編碼，通過該發(fā)送電路，在發(fā)射器上會出現(xiàn)具有一定間隔的38 kHz載波信號，經(jīng)發(fā)射器將該載波信號轉化成光信號發(fā)射出去。載波脈沖調(diào)制信號的時序圖如圖2所示。

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4.2 接收電路的硬件設計

紅外接收電路中使用了HS0038A接收器，HS0038A的內(nèi)部邏輯框圖如圖3所示。

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由此可看出該接收器內(nèi)部實現(xiàn)了紅外接收、放大、濾波及解調(diào)功能，當收到紅外載波光信號時，紅外接收器輸出低電平，反之紅外接收器輸出高電平，從而可以將時斷時續(xù)的紅外光信號調(diào)制成連續(xù)的方波信號，經(jīng)單片機內(nèi)部處理可以將其轉換成原來的數(shù)據(jù)。

硬件原理圖如圖4所示。

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由于HS0038A內(nèi)置濾波并且采用環(huán)氧塑封，可以作為紅外濾波器，因此電路中不需要另外增加濾波器，并且HS0038A具備較強的抗干擾能力。

紅外接收器輸出引腳RevData連接在TPM2通道0，使用了TPM的輸入捕捉功能，在上升沿時發(fā)生輸入捕捉，比較兩次捕捉發(fā)生時通道寄存器TPM2C0V的值，可以得到一個周期脈沖的寬度，根據(jù)發(fā)射數(shù)據(jù)的時序圖，就可知道不同的脈沖寬度對應的數(shù)據(jù)是什么，由此就可將原數(shù)據(jù)還原出來。

5 紅外通信的軟件設計

5.1 38 kHz紅外載波設計

MC9S08GT60使用了外部4 MHz的晶振頻率，通過配置ICG1=0x78，ICG2=0x30，將總線頻率控制為20 MHz。MC9S08GF60內(nèi)部有定時／脈沖輸出模塊，將TPM1的狀態(tài)控制寄存器的位CPWMS置1，則TPM1工作在中心脈寬輸出模式；將TPM1通道0的狀態(tài)控制寄存器的ELS0B：ELS0A設置為10，控制發(fā)生輸出比較時將脈沖信號置高或置低。為使TPM1C1輸出38 kHz頻率的載波信號，就要對20 MHz的總線頻率進行526分頻，即526個20 MHz的方波周期產(chǎn)生一個38 kHz的方波周期，因為是中心脈寬輸出模式，輸出脈沖寬度是通道值寄存器TPM1C1V中值的2倍，輸出脈沖周期是通道預置寄存器TPM1M0D中值的2倍，因此令TPM1C1V=131，TPM1M0D=263，啟動定時器后，定時器1的計數(shù)器TPM1CNTL在自增1計數(shù)時，當該值跟通道值寄存器TPM1C1V中值匹配時，將脈沖輸出信號拉低，定時器1的計數(shù)器TPMlCNTL在計數(shù)值開始進行自減1操作時，當下降到跟通道寄存器TPMlClV時，將脈沖輸出信號拉高。中心脈寬輸出的時序圖如圖5所示。從此通道輸出的方波頻率通過示波器查看為37.9 kHz或38 kHz。

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5.2 數(shù)據(jù)編碼的設計

MC9S08GT60單片機有36個端口，大部分端口都具有雙重功能，本文使用端口PTA7，配置該端口的方向寄存器PTADD_PTADD7為1，即PTA7為輸出，根據(jù)脈沖編碼的規(guī)則，進行不同的延時操作，使該端口輸出一定寬度的數(shù)據(jù)脈沖，通過示波器查看該端口，可看到穩(wěn)定的脈沖序列。

5.3 接收端信號的輸入捕捉設計

將TPM2的狀態(tài)控制寄存器的位CPWMS置0，則TPM2可以工作在輸入捕捉模式、輸出比較模式、邊沿脈沖輸出模式；為使TPM2通道0工作在輸入捕捉方式，需要進一步設置TPM2通道0狀態(tài)控制寄存器，將TPM2C0SC的模式選擇位MS0B：MS0A設置為00，選擇了輸入捕捉方式，此外，要設置捕捉發(fā)生在什么條件下，那么需要設置TPM2COSC中的極性選擇位ELS0B：ELS0A，使其為01，目的是在該引腳出現(xiàn)上升沿時發(fā)生捕捉。在發(fā)生捕捉時，通道值寄存器會將定時寄存器的值進行鎖存，因此比較兩次輸入捕捉時，通道值寄存器的內(nèi)容，根據(jù)編碼規(guī)則，可知道該值對應的編碼是‘1’或‘0’。此外通道值寄存器是16位的，如果希望通過串口調(diào)試窗口查看比較結果，因為串口接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器是8位的，那么可以將其分解為兩個8位的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送。

以下是輸入捕捉的中斷子程序：

程序功能描述：將捕捉的數(shù)據(jù)發(fā)往串口查看，這樣不管用什么發(fā)射器，都可以通過觀察串口數(shù)據(jù)得到識別碼，完成不同的功能。

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6 結語

紅外通信一般用在低數(shù)據(jù)速率，并且短距離的場合中，因此需要低功耗的運行要求。而Freescale的這款單片機工作電壓可達到1.8 V，在單片機空閑方式下，通過設置SOPT和SPMSC兩個寄存器來設計不同的停止低功耗模式，或者執(zhí)行一條WAIT指令，使單片機進入等待的低功耗模式，這里就不再詳細講述其實現(xiàn)過程。MC9S08GT60單片機與其他低電壓、低功耗的單片機不同之處在于，它并非是以犧牲性能為代價來換取1.8 V的低電壓。因此本文使用該單片機討論了發(fā)送和接收紅外電路的設計過程及通信協(xié)議的運用，該系統(tǒng)的設計切實可行，對紅外控制開發(fā)者有一定的幫助。