基于AT89S52型單片機(jī)的紅外無線PPM發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

1 引言

     在工業(yè)和生活環(huán)境中，便攜式信息終端設(shè)備的出現(xiàn)加速了無線數(shù)字通信線路和局域網(wǎng)的引進(jìn)，然而，由于無線電的局限性，使它在無線高速數(shù)據(jù)鏈路應(yīng)用方面受阻。在此情況下紅外（IR）無線光通信得到人們的重視[1]。作為一種室內(nèi)短距離通信的傳輸介質(zhì)，IR具有勝過無線電的顯著優(yōu)點(diǎn)：IR有巨大的帶寬且不需許可證，可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸；IR不穿透墻壁，因而消除了在不同房間進(jìn)行通信時(shí)可能帶來的干擾，而且通信時(shí)不容易被偵聽，提高了通信的安全性；IR探測(cè)器的尺寸比IR無的波長(zhǎng)大得多，避免了多徑衰落；IR可強(qiáng)度調(diào)制，IR通信設(shè)備比無線電通信設(shè)備要便宜簡(jiǎn)單得多。

     對(duì)室內(nèi)無線電局域網(wǎng)，要求紅外數(shù)據(jù)鏈路的峰值-平均光功率比高，高峰值功率可提高系統(tǒng)的靈敏度，低平均功率可滿足人眼安全和低功耗的要求，脈沖位置調(diào)制（PPM）通信方式就符合這些要求，目前，PPM已被IEEE無列入無線局域網(wǎng)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)。用純硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)PPM光發(fā)射機(jī)是比較復(fù)雜和困難的，筆者利用功能強(qiáng)大的AT89S52型單片機(jī)和編程軟件VC++設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)串口和的紅外無線PPM發(fā)射機(jī)。AT89S52通過串口從計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)，編碼得到脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)后通過輸出端口輸出，輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換電路得到PPM電脈沖信號(hào)，再通過光源驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為PPM光脈沖信號(hào)，從而完成紅外無線PPM發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)。

     2 PPM信號(hào)格式

      PPM采用斷續(xù)的周期性光脈沖作為載波，調(diào)制信號(hào)受到信源二進(jìn)制符號(hào)地控制，脈沖的時(shí)間位置隨之發(fā)生變化而傳遞信息，PPM信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在數(shù)字PPM通信中，同步是至關(guān)重要的。為了實(shí)現(xiàn)幀同步，應(yīng)在傳送信息幀之前發(fā)送一次幀同步頭，為接收端提供同步信息，同時(shí)在信息幀的前面和后面分別安排2個(gè)標(biāo)志幀以表示信息的開始和結(jié)束，這樣接收機(jī)捕獲到同步信號(hào)和起始標(biāo)志符后，開始解調(diào)隨后的脈沖信號(hào)，直到接收到結(jié)束標(biāo)志，表明數(shù)據(jù)接收完畢。

      每一個(gè)信息幀又分為信息段和保護(hù)段（由光源和信道的特性決定），共M個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的寬度為Ts，其中前Q個(gè)時(shí)隙為信息段TQ=（QTs），后D個(gè)時(shí)隙為保護(hù)段TD=（DTs）。對(duì)Q元PPM，平均光功率為Pa，光脈沖峰值功率為QPa，又一幀表示log2Q位的二進(jìn)制信息，因此數(shù)據(jù)傳輸速率R為

     R=log₂Q/T=log₂Q/MT_s=Log₂Q/(Q+D)T_sbit/s （1）

     其中，T為一幀的時(shí)間長(zhǎng)度。

     在T不變的條件下，PPM的傳信率和峰值功率隨時(shí)隙數(shù)Q增大，但是Q值過大，也就是一幀分成的時(shí)隙數(shù)過多，會(huì)給信號(hào)的傳輸和解調(diào)帶來困難，信息和Q值成對(duì)數(shù)關(guān)系，例如，當(dāng)Q=256時(shí)，一個(gè)脈沖表示8比特信息，而Q=512表示9比特信息，由此可見，Q較大時(shí)，脈沖攜帶的信息量隨Q值的增大并沒有明顯增加，綜合考慮以上情況和實(shí)際設(shè)計(jì)需要，筆者采用Q=16的PPM調(diào)制方式，時(shí)隙寬度Ts設(shè)為15μs。

     3 AT89S52的特點(diǎn)

      AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB ISP（In-system programmable）的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器、該器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造、兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。片內(nèi)集成了通用的8位CPU和ISP Flash為存儲(chǔ)單元，可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高性價(jià)比的解決方案。

       TA89S52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8KB Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 Bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，1個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)；3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路和片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。

       此外，AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置的省電模式。在空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，禁止電路的其他功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該電路還具有PDIP、TQFP和PLCC等封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

     4 硬件設(shè)計(jì)

      紅外線PPM發(fā)射機(jī)由AT89S52型單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串行通信電路，PWM到PPM波形轉(zhuǎn)換電路和光源驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

     4.1 串行通信電路

      為了能使單片機(jī)和計(jì)算機(jī)通信，必須使其遵循相同的通信協(xié)議，AT89C51的串行口輸入/輸出為TTL邏輯電平，抗干擾性較差，而計(jì)算機(jī)的串行接口是符合EIA RS-232C規(guī)范的外部總線標(biāo)準(zhǔn)接口，具有較強(qiáng)的抗干擾性，為了解決電平不一致的矛盾，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了Maxim公司的MAX232型電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，MAX232屬于通用串行接收/發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，其外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需外接4個(gè)0.1μF的電容器。

      AT89S52具有串行通信接口（SCI），SCI是能與計(jì)算機(jī)等外設(shè)通信的全雙工異步系統(tǒng)，AT89S52與計(jì)算機(jī)采用RS-232C接口方式，這種方式下，SCI采用標(biāo)準(zhǔn)的不歸零（NRZ）格式，開始是1位起始位，以邏輯“0”表示，接著是8位數(shù)據(jù)位，最后是1位停止位，以邏輯“1”表示故一次傳送據(jù)長(zhǎng)度為10比特，計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，AT89S52接收數(shù)據(jù)，AT89S52將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行PWM編碼，得到幀周期固定，而脈沖寬度隨外部信號(hào)不斷變化的PWM信號(hào)，然后通過P1.0端口輸出。

      4.2 波形轉(zhuǎn)換電路

      經(jīng)過單片機(jī)編碼輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過一個(gè)下降沿觸發(fā)器即可得到PPM脈沖信號(hào)，波形轉(zhuǎn)換如圖3所示[7]。當(dāng)P1.0端口輸出的信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，觸發(fā)器的輸出端產(chǎn)生所需的PPM脈沖信號(hào)，其脈沖寬度由外部定時(shí)電路決定。

     4.3 驅(qū)動(dòng)電路

      對(duì)于無線紅外通信系統(tǒng)來說，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是可以選用的最佳光源，筆者采用帶有溫度補(bǔ)償特性的射極耦合LED驅(qū)動(dòng)電路[8]，該電路看上去像一個(gè)線性差分放大器，實(shí)際上是一個(gè)電流開關(guān)電路，PPM信號(hào)加在驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，當(dāng)PPM信號(hào)的電位低于設(shè)定的參考電位時(shí)，LED無脈沖電流通過，LED不發(fā)光；反之，脈沖電流通過LED而使LED發(fā)光。如圖4所示，注入電流IF相等的條件下，LED的輸出光功率P隨著溫度的上升而下降，所以設(shè)計(jì)中采用溫度補(bǔ)償電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，當(dāng)溫度升高時(shí)，LED的注入電流也隨之增加，從而補(bǔ)償LED的功率變化。

     5 軟件設(shè)計(jì)

     5.1 計(jì)算機(jī)軟件編程

     計(jì)算機(jī)的主要作用是通過串口傳送源數(shù)據(jù)給單片機(jī)。

     利用Visual C++編制串行通信程序一般有3種方法：調(diào)用Microsoft Win32應(yīng)用程序接口（API）提供的串行通信函數(shù)，利用VC++的MFC類庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)；用Active X通信控件（MSComm）開發(fā)串口通信程序，筆者利用VC++提供的MSComm控件來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信，利用VC++的通信控件MSComm進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)只需對(duì)串口進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置即可。程序?qū)崿F(xiàn)非常簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)清晰，在Windows環(huán)境下，串口是系統(tǒng)資源的一部分，應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信，必須在使用之前向系統(tǒng)提出資源申請(qǐng)要求（打開串口），通信完成后必須釋放資源（關(guān)閉串口）。

     5.2 單片機(jī)軟件編程

      單片機(jī)的主要作用是從發(fā)送端（計(jì)算機(jī)）接收數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行PWM編碼，然后通過輸出端口輸出，單片機(jī)部分的編程主要由串口初始化子函數(shù)，接收數(shù)據(jù)子函數(shù)和PWM信號(hào)發(fā)送子函數(shù)組成。

     5.2.1 串口初始化子函數(shù)

     使用串口之前，應(yīng)動(dòng)其進(jìn)行初始化，初始化程序如下：

     5.2.2 接收數(shù)據(jù)子函數(shù)

      接收數(shù)據(jù)流程如圖5所示，程序如下：

     5.2.3 PWM發(fā)送信號(hào)子函數(shù)

      PWM信號(hào)發(fā)送包括發(fā)送PWM編碼后的同步頭、起始標(biāo)志符、接收的數(shù)據(jù)和結(jié)束標(biāo)志符、下面重點(diǎn)討論對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼及發(fā)送，其流程如圖6所示，程序如下：

     6 結(jié)束語

      紅外通信為構(gòu)建高速寬帶室內(nèi)無線局域網(wǎng)提供了新的選擇。PPM的脈沖峰值功率與平均功率之比很高，可以有效減小平均輻射功率和提高接收靈敏度，筆者設(shè)計(jì)的紅外無線PPM發(fā)射機(jī)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PPM調(diào)制，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試容易、可靠性高、精度高、成本低和功耗低的優(yōu)點(diǎn)，由于設(shè)計(jì)中只采用了單只紅外LED作為光源，輸出功率不大，而且受輻射角的限制，通信具有方向性，可以考慮采用多只紅外LED構(gòu)成發(fā)射陣列來增加發(fā)射功率和輻射范圍。