紅外遙控器通信原理_紅外遙控器協(xié)議_紅外通信對比無線通信的優(yōu)勢

時間：2020-08-07 16:18:01

關(guān)鍵字：紅外紅外通信紅外協(xié)議

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[導(dǎo)讀] 　　紅外通訊，顧名思義，就是通過紅外線傳輸數(shù)據(jù)。在電腦技術(shù)發(fā)展早期，數(shù)據(jù)都是通過線纜傳輸?shù)?，線纜傳輸連線麻煩，需要特制接口，頗為不便。于是后來就有了紅外、藍(lán)牙、802.11等無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。在

　　紅外通訊，顧名思義，就是通過紅外線傳輸數(shù)據(jù)。在電腦技術(shù)發(fā)展早期，數(shù)據(jù)都是通過線纜傳輸?shù)?，線纜傳輸連線麻煩，需要特制接口，頗為不便。于是后來就有了紅外、藍(lán)牙、802.11等無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。在紅外通訊技術(shù)發(fā)展早期，存在好幾個紅外通訊標(biāo)準(zhǔn)，不同標(biāo)準(zhǔn)之間的紅外設(shè)備不能進(jìn)行紅外通訊。為了使各種紅外設(shè)備能夠互聯(lián)互通，1993年，由二十多個大廠商發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA），統(tǒng)一了紅外通訊的標(biāo)準(zhǔn)，這就是目前被廣泛使用的IrDA紅外數(shù)據(jù)通訊協(xié)議及規(guī)范。

　　紅外通信與無線通信相比有何優(yōu)勢

　　紅外通信是以紅外線作為載體來傳送數(shù)據(jù)信息。它作為無線通信的一種，與無線電通信相比，由于其性能價(jià)格比高，實(shí)現(xiàn)簡單，具有抗電磁干擾、便于高速應(yīng)用、空間接入靈活、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，可用于室內(nèi)外實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、無線紅外LAN通信及軍用紅外引信，在移動計(jì)算和移動通訊的設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　在某些場合，需要數(shù)據(jù)交換但又不是很大，且實(shí)時性要求又不是很高的情況下，可以使用紅外通訊方式，這樣既可以得到無繩化通信帶來的便利，又可以避開采用無線電高頻電路可能引發(fā)的一些問題。譬如用于家用電器的遙控器，計(jì)算機(jī)的遙控鍵盤和遙控鼠標(biāo)以及便攜式數(shù)據(jù)收集裝置（煤水電表的登錄器、報(bào)稅機(jī)）與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換等。

　　目前，利用紅外線進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信，無論從小型化、輕量化，還是從安全性等方面考慮，其可行性都比較高，并且已經(jīng)在無線多信道室內(nèi)話音系統(tǒng)，無繩電話以及鍵盤和終端間的短距離無線連接中得到了應(yīng)用。所有這些應(yīng)用中的工作帶寬遠(yuǎn)低于WLAN需要的帶寬。

　　遙控紅外通信原理

　　在實(shí)際的通信領(lǐng)域，發(fā)出來的信號一般有較寬的頻譜，而且都是在比較低的頻率段分布大量的能量，所以稱之為基帶信號，這種信號是不適合直接在信道中傳輸?shù)?。為便于傳輸、提高抗干擾能力和有效的利用帶寬，通常需要將信號調(diào)制到適合信道和噪聲特性的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸，這就叫做信號調(diào)制。在通信系統(tǒng)的接收端要對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原來的基帶信號。這部分通信原理的內(nèi)容，大家了解一下即可。

　　我們平時用到的紅外遙控器里的紅外通信，通常是使用38K左右的載波進(jìn)行調(diào)制的，下面我把原理大概給大家介紹一下，了解一下，先看發(fā)送部分原理。

　　調(diào)制：就是用待傳送信號去控制某個高頻信號的幅度、相位、頻率等參量變化的過程，即用一個信號去裝載另一個信號。比如我們的紅外遙控信號要發(fā)送的時候，先經(jīng)過38K調(diào)制，如圖1所示。

　　圖1 紅外信號調(diào)制

　　原始信號就是我們要發(fā)送的一個數(shù)據(jù)“0”位或者一位數(shù)據(jù)“1”位，而所謂38K載波就是頻率為38K的方波信號，調(diào)制后信號就是最終我們發(fā)射出去的波形。我們使用原始信號來控制38K載波，當(dāng)信號是數(shù)據(jù)“0”的時候，38K載波毫無保留的全部發(fā)送出去，當(dāng)信號是數(shù)據(jù)“1”的時候，不發(fā)送任何載波信號。

　　那在原理上，我們?nèi)绾螐碾娐返慕嵌热?shí)現(xiàn)這個功能呢？如圖2所示。

　　圖2 紅外發(fā)射原理圖

　　38K載波，我們可以用455K晶振，經(jīng)過12分頻得到37.91K，也可以由時基電路NE555來產(chǎn)生，或者使用單片機(jī)的PWM來產(chǎn)生。當(dāng)信號輸出引腳輸出高電平時，Q2截止，不管38K載波信號如何控制Q1，右側(cè)的豎向支路都不會導(dǎo)通，紅外管L1不會發(fā)送任何信息。當(dāng)信號輸出是低電平的時候，那么38K載波就會通過Q1釋放出來，在L1上產(chǎn)生38K的載波信號。這里要說明的是，大多數(shù)家電遙控器的38K的占空比是1/3，也有1/2的，但是相對少一些。

　　正常的通信來講，接收端要首先對信號通過監(jiān)測、放大、濾波、解調(diào)等等一系列電路處理，然后輸出基帶信號。但是紅外通信的一體化接收頭HS0038B，已經(jīng)把這些電路全部集成到一起了，我們只需要把這個電路接上去，就可以直接輸出我們所要的基帶信號了，如圖3所示。

　　圖3 紅外接收原理圖

　　由于紅外接收頭內(nèi)部放大器的增益很大，很容易引起干擾，因此在接收頭供電引腳上必須加上濾波電容，官方手冊給的值是4.7uF，我們這里直接用的10uF，手冊里還要求在供電引腳和電源之間串聯(lián)100歐的電阻，進(jìn)一步降低干擾。

　　圖3所示的電路，用來接收圖16-5電路發(fā)送出來的波形，當(dāng)HS0038監(jiān)測到有38K的紅外信號時，就會在OUT引腳輸出低電平，當(dāng)沒有38K的時候，OUT引腳就會輸出高電平。那我們把OUT引腳接到單片機(jī)的IO口上，通過編程，就可以獲取紅外通信發(fā)過來的數(shù)據(jù)了。

　　大家想想，OUT引腳輸出的數(shù)據(jù)是不是又恢復(fù)成為基帶信號數(shù)據(jù)了呢？那我們單片機(jī)在接收這個基帶信號數(shù)據(jù)的時候，如何判斷接收到的是什么數(shù)據(jù)，應(yīng)該遵循什么協(xié)議呢？像我們前邊學(xué)到的UART、I2C、SPI等通信協(xié)議都是基帶通信的通信協(xié)議，而紅外的38K僅僅是對基帶信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，讓信號更適合在信號中傳輸。

　　由于我們的紅外調(diào)制信號是半雙工的，而且同時空間只能允許一個信號源，所以我們紅外的基帶信號不適合在I2C或者SPI通信協(xié)議中進(jìn)行的，我們前邊提到過UART雖然是2條線，但是通信的時候，實(shí)際上一條線即可，所以紅外可以在UART中進(jìn)行通信。當(dāng)然，這個通信也不是沒有限制的，比如在HS0038B的數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)明，要想讓HS0038B識別到38K的紅外信號，那么這個38K的載波必須要大于10個周期，這就限定了我們紅外通信的基帶信號的比特率必須不能高于3800，那如果把串口輸出的信號直接用38K調(diào)制的話，波特率也就不能高于3800。

　　常用紅外遙控器協(xié)議

　　一、 NEC 協(xié)議

　　特征：

　　8 位地址和 8 位命令長度為提高可靠性每次傳輸兩遍地址（用戶碼）和命令（按鍵值）通過脈沖串之間的時間間隔來實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制 38Khz 載波每位的周期為 1.12ms 或者 2.25ms

　　調(diào)制方式：

　　Note：對于測試紅外接收頭的信號來說，有脈沖信號的地方就是高電平。即邏輯“1” 為 0.56ms 高電平+1.69ms 低電平，邏輯“0”為 0.56ms 高電平+0.56ms 低電平。

　　協(xié)議：

　　上圖為典型的 NEC 協(xié)議傳輸格式，起始位（引導(dǎo)碼）為 9ms 高+4.5ms 低組成，有效數(shù)據(jù)為地址+地址反碼+命令+命令反碼。反碼的作用是用來校準(zhǔn)前面的地址和命令，如果對可靠性不感興趣，也可以去掉取反的數(shù)據(jù)，或者將地址和命令擴(kuò)展到 16 位

　　上圖傳輸?shù)牡刂窋?shù)據(jù)為 10011010，需要注意的是先發(fā)低位地址再發(fā)高位地址，因此該波形的地址為 01011001=0X59，同理，命令為 00010110=0X16。

　　長按鍵時，如下圖所示，每隔 110ms 重復(fù)發(fā)送一次，但是命令只發(fā)送一次，重復(fù)發(fā)送的是 9ms 高電平+2.25ms 低電平+0.56ms 高電平+低電平

　　擴(kuò)展協(xié)議：

　　擴(kuò)展協(xié)議只是將地址改為 16 位，其他不變。

　　實(shí)測波形：

　　下面的波形是從紅外接收頭上得到的波形：（調(diào)制脈沖信號轉(zhuǎn)變成高低電平了）

　　由于紅外接收頭在接收信號時（或者是發(fā)送的時候）將波形反向了，因此在讀數(shù)據(jù)時可以將示波器的反向功能打開，就能讀到有效數(shù)據(jù)了。

　　下面實(shí)例是已知 NEC 類型遙控器所截獲的波形：

　　遙控器的識別碼是 Address=0xDD20;其中一個鍵值是 Command=0x0E

　　最后一位是一個邏輯“1”。

　　二、 Philips RC5 協(xié)議

　　特征：

　　5 位地址和 6 位命令長度（擴(kuò)展協(xié)議用 7 位）

　　雙向編碼或者叫曼徹斯特編碼（即電平的變化來表示邏輯 0 和 1）

　　36Khz 載波

　　每位的周期為 1.778ms（64 cycles of 36 kHz）

　　調(diào)制方式：

　　協(xié)議：

　　一段數(shù)據(jù)包含 14 位，周期長度為 25ms。

　　前兩位是起始位 S 通常都是邏輯 1。

　　在 RC5 擴(kuò)展模式下第二位 S2 將 6 位命令代碼擴(kuò)充到 7 位代碼（作為高位 MSB），這樣可以從 64 個鍵值擴(kuò)充到 128 個鍵值。

　　第三位是控制位 C 它在每按下了一個鍵后翻轉(zhuǎn)，這樣就可以區(qū)分一個鍵到底是一直按著沒松手還是松手后重復(fù)按。

　　長按鍵時，數(shù)據(jù)每隔 114ms 重復(fù)發(fā)送一次，第三位不發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即重復(fù)發(fā)送的信號是完全一致的。

　　實(shí)測波形：

　　連續(xù)按同一個鍵兩次時，只有第三位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，其他位不變

　　從上面波形可以讀出該段數(shù)據(jù)的值為 101 01010 010111，由于該協(xié)議為 RC5 擴(kuò)展協(xié)議，即第二位作為命令的第七位，因此地址為 01010=0X0A，命令為 0010111=0X17。（實(shí)際遙控器廠商給出的命令為 57，可能是將第二位反相后作為命令的第七位）。

　　三、 Sony SIRC 協(xié)議

　　特征：

　　有 12，15，20 位三種模式（下面介紹的 12 位模式）

　　5 位地址和 7 位命令長度

　　脈沖寬度編碼

　　40Khz 載波

　　每位的周期為 1.2ms 或 1.8ms

　　調(diào)制方式：

　　協(xié)議：

　　起始位為 2.4ms 高電平+0.6ms 低電平；

　　長按鍵時，數(shù)據(jù)每隔 45ms 重復(fù)發(fā)送一次。

　　實(shí)測波形：