在通信系統(tǒng)中,,常利用非電信號來傳遞控制信號和數(shù)據(jù),,以實(shí)現(xiàn)遙控或遙測的功能紅外通信,,具有控制簡單、實(shí)施方便,,傳輸可靠性高的特點(diǎn),,是一種較為常用的通信方式。紅外通信利用950 nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體,,發(fā)送端采用脈時(shí)調(diào)制方式,,將二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制成某一頻率的脈沖序列,并驅(qū)動紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送,接收端將收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號,。再經(jīng)過放大,、濾波處理后送給解調(diào)電路,還原為二進(jìn)制數(shù)字信號后輸出,。
1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成
紅外通信系統(tǒng)采用紅外光傳輸及無限工作機(jī)制,,其組成結(jié)構(gòu)主要包括:紅外發(fā)射器,通信信道,,紅外接收器三大部分組成,。
(1)完成信號的電光變換并向空間發(fā)射紅外脈沖
紅外發(fā)射器的關(guān)鍵是紅外發(fā)光二極管和響應(yīng)的驅(qū)動電路。紅外發(fā)光耳機(jī)光首先要滿足其調(diào)制帶寬大于信號的頻譜寬度,,保證通信線路暢通,。此外發(fā)光二極管的發(fā)射波長應(yīng)與接收端的光電探測器(選用硅光二極管)的峰值響應(yīng)相匹配,最大程度地抑制背景雜散光干擾,,現(xiàn)階段一般選用780nm~950 nm的紅外波段進(jìn)行數(shù)字信號傳輸,。由于紅外無線通信系統(tǒng)的信噪比與發(fā)射功率的平方成正比,所以適當(dāng)提高紅外發(fā)射器的發(fā)射功率,,并采用空間分集,、全息漫射片等可使發(fā)射端的光功率在空間均勻分布的措施來降低誤碼率,提高通信質(zhì)量,。其原理圖如圖1所示,。
(2)紅外接收器
紅外接收器包括紅外接收部分以及后續(xù)的信號采濾波、判決,、量化,、均衡和解碼等其原理框圖如圖2所示。
紅外接收端的工作過程,,首先進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,,將紅外脈沖信號變?yōu)殡娦盘枺?jīng)過適當(dāng)?shù)念l域均衡后進(jìn)行碼元判決,,碼元判決電路是接收器設(shè)計(jì)的核心部分,。由于信號采用紅外無線進(jìn)行穿社,其電平變化范圍較大,,所以碼元判決電路必須是自適應(yīng)的,。接收的信號經(jīng)自適應(yīng)碼元判決后變成數(shù)字信號,再進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕獯a轉(zhuǎn)換為差分信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡的信號輸入端,。
(3)通信信道
紅外無線數(shù)字通信的信道泛指發(fā)射器與接收器之間的空間,。由于自然光及人工光源等背景光信號的介入,信號源以及發(fā)射,、接收設(shè)備中電學(xué)或光學(xué)噪聲的影響,,紅外無線數(shù)字通信在某些場合的通信質(zhì)量較差,需要采用信道編碼技術(shù)來提高抗干擾能力,。
在紅外線通信系統(tǒng)中,,由于紅外發(fā)射器的發(fā)射功率較小,而且信號采用紅外線進(jìn)行傳輸,,易受外界環(huán)境的影響,,這些因素導(dǎo)致了紅外接收器的信號很弱,并且電平變化范圍較大,。因此,,低噪聲的前置放大器設(shè)計(jì)和自適應(yīng)的碼元判決電路是必須的。低噪聲的前置放大器一般選用輸入阻抗較高的場效應(yīng)管放大器,,并要求帶寬大,,增益高,噪聲低,,干擾小,,頻率響應(yīng)與信道脈沖響應(yīng)匹配。自適應(yīng)的碼元判決電路能自動跟蹤輸入信號電平的變化,,得到最佳的閾值電平,,并根據(jù)此閾值電平對信號進(jìn)行判決,將其變換為數(shù)字電平之后進(jìn)行解碼,,恢復(fù)原始信號,。同時(shí),為了濾去低頻噪聲及人為干擾采用帶通濾波器,,為了與調(diào)制特性匹配并消除碼間干擾常采用均衡技術(shù),,為了獲得較大的光接收器工作范圍及瞬時(shí)視場采用球形光學(xué)透鏡。這些措施都是將有利于紅外無線通信質(zhì)量的提高,。
2 紅外串行通信接口電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)控制的紅外通信系統(tǒng)主要有紅外發(fā)射器,,紅外接收器,以及單片機(jī)89C51三部分組成,,單片機(jī)本身并不具備紅外通信接口,,可以利用單片機(jī)的串行接口與片紅外發(fā)射和接收電路,組成一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)的紅外串行通信接口,。
2.1 發(fā)射部分設(shè)計(jì)
紅外發(fā)送電路包括脈沖振蕩器,、三極管和紅外發(fā)射管等部分。其中脈沖振蕩器有NE555定時(shí)器,、電阻和電容組成,,用于產(chǎn)生38 kHz的脈沖序列作為載波信號,紅外發(fā)射管HG選用Vishay公司生產(chǎn)的TSAL6238,,用來向外發(fā)射950 nm的紅外光束,。其發(fā)送的過程為:串行數(shù)據(jù)有單片機(jī)的串行輸出端TXD送出并驅(qū)動三極管,數(shù)位“O”使三極管導(dǎo)通.通過有NE555構(gòu)成的多諧振蕩電路調(diào)制成38 kHz的載波信號,并利用紅外發(fā)射管以光脈沖的形式向外發(fā)送,。數(shù)位“l”使三極管截止,,紅外發(fā)射管不發(fā)射紅外光。NE555構(gòu)成的多諧振蕩電路的振蕩周期公式為T=O.693(R1+R2)C,,其中,,R1為充電電阻,R2為放電電阻,,C為充電電容,。
2.2 紅外接收器的設(shè)計(jì)
紅外接收電路選用Vishay公司生產(chǎn)的專用紅外接收模塊TSOP1738。該模塊是一個(gè)三端元件,,使用單電源+5V供電,,具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng),、輸入靈敏度高,、對其他波長(950 nm以外)的紅外光不敏感的特點(diǎn),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,。
TSOPl738的工作過程為:首先,,通過紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38 kHz的脈沖紅外光信號轉(zhuǎn)換為電信號,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,,由輸出級電路進(jìn)行反向放大輸出。
2.3 數(shù)碼顯示部分
在系統(tǒng)中,,選用一個(gè)雙七段數(shù)碼管來顯示發(fā)送和接收的數(shù)據(jù),。數(shù)碼管采用DPY雙位七段共陽數(shù)碼管。高位的共陽極是lO腳,,低位的共陽極是5腳,。由單片機(jī)的P O口控制數(shù)碼管的陰極,P2.6,,P2.7口分別控制數(shù)碼管的高位和低位,,當(dāng)P2口輸出數(shù)位“0”時(shí),相應(yīng)的三極管導(dǎo)通,。根據(jù)PO口輸出不同數(shù)位,,數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字,當(dāng)P2口輸出數(shù)位“l”時(shí),,三極管截止,,數(shù)碼管不顯示,。
2.4 發(fā)光二極管顯示部分設(shè)計(jì)
有8個(gè)發(fā)光二極管與單片機(jī)的P1口相連,二極管的正極與電源正極相連,,負(fù)極串聯(lián)一個(gè)電阻與Pl口相連,,給Pl口送低電平就得到不同的顯示狀態(tài)。
2.5 按鍵部分設(shè)計(jì)
有四個(gè)按鍵與單片機(jī)的P3口相連,,按鍵的一邊接地,,另外一邊與單片機(jī)的P3.2,、P3.4,、P3.5口相連。單片機(jī)控制的紅外通信接口電路的整體圖如圖4所示,。
其工作過程:單片機(jī)通過TXD發(fā)出串行數(shù)據(jù),,通過由NE555構(gòu)成的多諧震蕩電路產(chǎn)生38 kHz脈沖序列作為載波信號,通過紅外發(fā)射管將信號以950 nm的紅外光束發(fā)出,,紅外接收模塊TOSPl738將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號,,再經(jīng)過發(fā)大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào),,還原為二進(jìn)制數(shù)字信號后輸出到單片機(jī)的RXD口,。單片機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上,。這樣,,一個(gè)單片機(jī)控制的紅外通信系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了通信。
為了保證紅外接收模塊TSOPl738接收的準(zhǔn)確性,,要求發(fā)送端載波信號的頻率應(yīng)盡可能接近38 kHz,,因此在設(shè)計(jì)脈沖震蕩器時(shí),要選用精密元件并保證電源電壓穩(wěn)定,。還有,,發(fā)送的數(shù)位“O”至少要對應(yīng)14個(gè)載波脈沖,這就要求傳輸?shù)牟ㄌ芈什荒艹^2 400 bps,。
3 單片機(jī)控制的紅外通信的主程序
?。籔3.2為開始鍵.也為功能選擇鍵,,P3.5為功能確認(rèn)鍵
4 結(jié)束語
單片機(jī)控制的紅外通信系統(tǒng)具有硬件電路簡單,、成本低廉、編程方便,、通信可靠性高等優(yōu)點(diǎn),,實(shí)現(xiàn)了通信雙方非接觸的數(shù)據(jù),在遙控,、遙測等應(yīng)用場合得到廣泛應(yīng)用,。