基于红外的数据通信模块的设计与实现

技术创新

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００８年第２４卷第６－２期

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《现场总线技术应用２００例》

电子设计

基于红外的数据通信模块的设计与实现

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＤａｔａＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＭｏｄｕｌｅＢａｓｅｄｏｎＲｎｆｒａｒｅｄ

（军械工程学院）

陈海胡建旺祝爱民

ＣＨＥＮＨａｉＨＵＪｉａｎ－ｗａｎｇＺＨＵＡｉ－ｍｉｎ

摘要：红外通讯采用点对点的数据传输协议，是目前国际上普遍采用的无线传输技术。文章概述了红外通信的基本原理和ＩｒＤＡ标准的规范和协议，完成了红外收发器具体的硬件电路设计，并且详细说明了发射和接收的工作原理，最后给出了红外通信的程序流程图，并指出在设计过程中应该注意的一些问题。关键词：红外通信；单片机；ＩｒＤＡ；无线通讯；调制解调中图分类号：ＴＰ２１９文献标识码：Ａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｉｓａｐｏｉｎｔｔｏｐｏｉｎｔｐｒｏｔｏｃｏｌｔｏｄｅｌｉｖｅｒｔｈｅｄａｔａ，ｉｔ’ｓｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄａｔｐｒｅｓｅｎｔ．ＴｈｅｅｓｓｅｎｔｉａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｒｉｔｅｒｉｏｎａｎｄｔｈｅｐｒｏｔｏｃｏｌｏｆＩｒＤＡａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ；ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｉｓａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｅｗｏｒｋｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｅｎｄｉｎｇａｎｄｒｅｃｉｖｉｎｇｉｓｅｘｐｌａｉｎｅｄｉｎｄｅ－ｔａｉｌ，ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｓｉｎｔｒｏｕｄｕｃｅｄ，ａｎｄｓｏｍｅｑｕｅｓｔｉｏｎｓａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ；ＩｎｆｒａｒｅｄＤａｔａＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ；ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｎｉｃａｔｉｏｎ；ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

文章编号：１００８－０５７０（２００８）０６－２－０２８８－０２

１引言

红外通讯采用点对点的数据传输协议，是目前国际上普遍采用的无线传输技术。它采用红外波段内的近红外线，波长在

０．７５ｕｍ至２５ｕｍ之间，通讯距离一般在０到１米之间，它的频率

高于微波而低于可见光。由于这种通信方式具有可靠性高、保密性好、设计成本低、连接方便、简单易用、结构紧凑等特点，在电子产品中具有广阔的发展潜力。目前，已被广泛应用于遥控遥测、智能仪表、计算机终端、电话机、移动电话、寻呼机、电子商务、数字照相机、工业设备和医疗设备等领域。

２红外通信原理及标准

红外通信是利用９５０ｎｍ近红外波段的红外线为传递信息的载体，即通信信道。发送端用脉时调制（ＰＰＭ）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并利用该脉冲序列驱动红外线发射管以光脉冲的形式向外发射红外光，而接收端将接收到的光脉冲信号转换成电信号，在经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原成二进制数字电信号后输出。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输，而红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。

ＩＲＤＡ标准包括三个基本规范和协议：物理层规范（ＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒＬｉｎｋＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ），连接建立协议（ＬｉｎｋＡｃｃｅｓｓＰｒｏｔｏｃｏｌ：Ｉｒ－

ＬＡＰ）和连接管理协议（ＬｉｎｋＭａｎａｇｅｍｅｎｔＰｒｏｔｏｃｏｌ：ＩｒＬＭＰ）。

物理层规范制定了红外通讯硬件设计上的目标和要求，ＩｒＬＡＰ和ＩｒＬＭＰ为两个软件层，负责对连接进行设置、管理和维护。

３硬件设计

红外收发器由发射和接收两部分组成，如图１所示图１红外收发电路原理图

３．１发射部分

４８０ｋＨＺ陶瓷振子与７４ＬＳ０４组成的振荡器，经７４ＬＳ２９０十二分频后形成４０ｋＨＺ载波（占空比约１／３）。ＳＴＢ为发送选通端（低电平有效）用于控制收发器状态。当该信号为高电平时，禁止发送红外信号；若ＳＴＢ为低电平时，反向后的异步串行数据调制４０ｋＨＺ载波，然后推动达林顿管，使红外二极管发送信号。异步通信时，由于数据发送端（ＴＸＤ）在信号状态时为“１”，所以也可将ＳＴＢ端直接接地，仅由ＴＸＤ来控制信号发送。红外发射二极管采用ＨＧ５０５中功率发射管，峰值发射波长为９３０ｎｍ，辐射功率为５１ｍＶ。

３．２接收部分

采用专用线性放大集成电路ＣＸＡ２０１０６。它采用８脚单列直插式塑料封装，内部包括自动偏置控制电路、前置放大、限幅

放大、带通滤波、峰值检波、积分比较和施密特整形输出电路等。它具有自动偏压控制电路（ＡＢＬＣ），以均衡放大强弱不同的信号，再配合少量外接元件，能完成对红外信号遥控接收与处理的全部功能。红外信号经光敏二极管进行光电转换后，在ＩＣ内部经过两级放大、带通滤波、峰值检波和积分整形后，由第六脚输出串行数据信号。红外接收二极管家电采用ＰＨ３０２，其光敏范围

７５０～１０００ｎｍ，受光面积９ｍｍ２，实际应用中采用４片并联方式增大接收面积。接收部分由于放大倍数高，必须全金属屏蔽以免拾

陈海：硕士

基金资助：总装科研项目（编号不公开）

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您的论文得到两院院士关注取外界干扰。

３．３发射器及其编码

发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成脉冲宽度调制和脉冲相位调制两大类，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的脉冲宽度调制来加以说明，现以ＬＣ７４６１组成发射电路为例说明编码原理。当发射器按键按下后，即有码发出，所按的键不同编码也不同。这种遥控码具有以下特征：

采用脉宽调制的串行码，以脉宽为０．５６５ｍｓ、间隔０．５６ｍｓ、周期为１．１２５ｍｓ的组合表示二进制的“０”；以脉宽为０．５６５ｍｓ、间隔１．６８５ｍｓ、周期为２．２５ｍｓ的组合表示二进制的“１”如图２所示，上述“０”和“１”组成的４２位二进制码经３８ｋｈｚ的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。ＬＣ７４６１产生的遥控编码是连续的４２位二进制码组，其中前２６位为用户识别码，能区别不同的红外遥控设备，防止不同机种遥控码互相干扰。后

１６位为８位的操作码和８位的操作反码用于核对数据是否接

收准确。

图２遥控码的“０”和“１”

当遥控器上任意一个按键按下超过３６ｍｓ时，ＬＣ７４６１芯片的振荡器使芯片激活，将发射一个特定的同步码头，对于接收端而言就是一个９ｍｓ的低电平，和一个４．５ｍｓ的高电平，这个同步码头可以使程序知道从这个同步码头以后可以开始接收数据。

解码的关键是如何识别“０”和“１”，从位的定义我们可以发现“０”、“１”均以０．５６ｍｓ的高电平开始，不同的是低电平的宽度不同，“０”为０．５６ｍｓ，“１”为１．６８５ｍｓ，所以必须根据高电平的宽度区别“０”和“１”。如果从０．５６ｍｓ低电平过后，开始延时，０．５６ｍｓ以后，若读到的电平为低，说明该位为“０”，反之则为“１”，为了可靠起见，延时必须比０．５６ｍｓ长些，但又不能超过１．１２ｍｓ，否则如果该位为“０”，读到的已是下一位的高电平，因此取（１．１２ｍｓ＋

０．５６ｍｓ）／２＝０．８４ｍｓ最为可靠，一般取０．８４ｍｓ左右即可。根据红外编码的格式，程序应该等待９ｍｓ的起始码和４．５ｍｓ的结果码

完成后才能读码。

３．４接收器及其解码

ＬＴ００３８是塑封一体化红外线接收器，它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与ＴＴＬ电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高电平，收到红外信号时为低电平，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外

线数据传输。

３．５接口部分

实际系统中，单片机本身并不具备红外通信接口，但可以利

用单片机的串行接口与片外的红外发射和接收电路组成一个应用与单片机系统的红外串行通信接口，如图３所示。与８０５１的接口部分，由Ｐ１．０控制其发送。

４软件设计

在实际通信过程中，除随机错误外，往往出现突发错误，它由

一连串的全“１”组成。红外通信中，由于红外传输的特殊性，突发错误往往是由于强光干扰或空气中尘埃、烟雾对红外线的散射与吸收所引起的连续多位错误。在误码区间内，码元变为全“０”或全“１”，数据位Ｄ３～Ｄ７被干扰。对于此类错误，简单的奇偶校验无能为力，而采用数据取反重发方式就能检测出这类错误。单片机发送和接收流程如图４所示，接收方在收到信号后，利用两次数据来判断正误，在有外部干扰时，在正常数据信号和其反码信号相对应的位置上受到相反干扰的几率是极小的，因此，接收方能利用此方式检测出信号误码。

图３红外收发器连接框图

５结语

根据各光源的光谱分析，参照有关资料提供的红外滤光片与红外接收二极管的响应，可知红外接收二极管的光谱灵敏度范围为７４０ｎｍ～１０００ｎｍ，在配合红外滤光片的光学高通滤波作用就能有效地抑制波长在８５０ｎｍ以下的各种光源的干扰。但对

于光源中波长在８５０ｎｍ以上部分，必须采取二次调制等其它方法解决对红外通信信号的干扰。此外，在红外数据传输电路设计中还要做好红外器件的选型、要合理设计好各种红外器件的供电电路等注意事项。

图４单片机发送和接收流程图

本文设计的红外传输系统装置，制作简单，使用方便。由于采用红外线传输数据，形成了数据通信设备非接触的方式，彻底隔离了雷电、冲击电压、线路短路或感应电流等的影响，真正起到了全面保护串行通信的作用，同时还能解决因环境因素或受工作制约无法采用有线通信的设备，具有一定的实用性。

本文主要创新点：详细说明了发射和接收的工作原理，并给出了部分参数，设计了红外收发电路原理图，介绍了单片机发送和接收的抗干扰软件流程。

参考文献

［１］张晓红．红外通信ＩｒＤＡ标准与应用［Ｊ］．光电子技术，２００３．１２，２３（４）［２］蔡涛．无线通信原理与应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００２［３］黄智伟．无线数字收发电路［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３［４］周文举．基于单片机红外无线通信的抄表系统［Ｊ］微计算机信息，２００６．２２，２：４５－４７

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脉冲形成源由一个５５５定时器配以适当的ＲＣ组成，５５５定时器是一个ＣＭＯＳ工艺集成的３Ｖ￣１８Ｖ高电压范围的集成电路。而我们的设计工作电压为５Ｖ，具有很高的电压裕量，与之相配合的阻容器件工作相对更加稳定，因此装置的可靠性很高，也符合车辆运行时震动量很大的特点。

５５５产生具有一定宽度的序列脉冲，调整Ｒ（ｗ１）的阻值就可

以调整脉冲的频率，为下一级电路的工作提供稳定可靠的工作脉冲频率，其脉冲频率为ｍｓ级，而具体的频率多高要看下一级

电路工作的需要在调试时确定。

２．压频变换器

压频变换器也利用具有高度可靠性的ＣＭＯＳ工艺器件组成，并且着重考虑了单供电电源的压频变换器功能的实现。具体器件采用ｍｃ１４５３８，这是一个具有ＤＩＰ封装的双列直插式的双单稳态触发器，其中Ｕ１用于脉宽调制ＰＷＭ以实现压频变换，其值的变化要看光敏二极管Ｄ２的等效电阻阻值Ｒ＊与电容器Ｃ５乘积的变化来决定。输出７端的单稳延时决定输出脉冲的延时宽度。通过图２的波形可看到，５５５的３端输出脉冲波形与ＭＣ１４５３８的７端在不同光照度下的脉宽调制电压波形的变化情形。

图２５５５的３端与在不同光照度下的ＭＣ１４５３８的７端输出脉冲波形

３．光耦与功率开关

该技术的亮点在于将绝缘栅场效应电力电子功率开关用于主回路中，成为大功率的电力电子器件用于功率开关解决大电流的车灯持续点亮，用其大的富裕量参数解决需高度可靠的车灯持续点亮，使得整机可靠性大大提高，体积大大缩小。为使控制回路与主回路有效隔离采用了Ｐ５２１光电耦合器。同时，当大灯灯光被调节至较低时，由双单稳态触发器的另一输出端９，通过另一光电耦合器定时，自动完成大灯与近光灯的切换，实现交通规则的规范执行操作。

另外，睡眠提醒和睡眠唤醒则是该装置的另两个主要功能。驾驶员在行车时，由于安装了自动光控装置，使司机感觉到有了依靠，则产生麻痹思想，在自动变光的同时，装置向司机发出提醒信号声，要求驾驶员以微小的动作回复。如司机不应提醒信号，则认为驾驶员睡着了，控制器发出刺耳的一声叫唤，以唤醒打盹的驾驶员，保证行车安全。

４结论

该装置笔者在实验室进行了反复试验，并安装在汽车上进行了行车调试，掌握了第一手参数，试验表明该装置灵敏，可靠，车灯光照度随着外界灯光的不同自动平滑调节，极富人性化。夜间会车，司机感到刺眼和炫目，而从刺眼到恢复正常视觉需要５ｓ的时间，按车速４０ｋｍ／ｈ计算，车可以行驶５６ｍ的距离，这期间叫

做暗适应调整期，也称为会车危险期。

装上该道路光污染自动限制装置后，司机不再感到刺眼与炫目，为夜间安全行车提供了保障。据公安部发布０５年中国道路交通事故统计分析，２００５年中国共发生道路交通事故４５０２５４起，造成９８７３８人死亡，直接财产损失１８．８亿元。其中，夜间发生１７７５３９起，导致４７６１３人死亡，分别占总数的３９．４％和４８．２％。平均来看，每次夜间事故死亡

０．２７人，直接财产损失０．４１万元。因此，各类汽车若安装道路光污染自动限制装置，交通事故发生率每降低一个百分点，就可以减少死亡４７９人，减少直接财产损失７２７万元。据意大利《２４小时太阳报》报道，２００６年中国汽车产量达到了５９０万辆，超过了德国成为了世界第三大汽车制造国，中国完全可以在１０年之内将产量提高到１０００万辆。所以，该装置的推广应用市场广阔，将

具有很高的社会价值与经济价值。

本文作者创新点：本文首次对道路光污染进行定义，并利用技术措施或手段，使交通法规的条框措施成为装置化的措施，使法规的执行上升到一个新的高度，使安全理念从制度化、规范化的层面上升到技术层面，使安全从文字保障上升到技术保障，使软性的安全指标成为硬性的技术措施，使安全指标达到理想水平。

参考文献

［１］吴毅洲，陈鹏．道路交通事故成因分析及其预防对策．沿海企业与科技，２００５．３：８９－９１。

［２］赵建强，姚素芬．光电自动跟踪控制系统的智能Ｆｕｚｚｙ－ＰＩ控制．微计算机信息，２００５．７，１：８３－８４。［３］重大交通事故警示录，ｗｗｗ．ｔｅａｃｈ８．ｎｅｔ

［４］公安部发布０５年中国道路交通事故统计分析数据，中国新闻社２００６．０１，１２

［５］意大利媒体报道中国汽车产量，ｗｗｗ．ｅｃ．ｃｏｍ．ｃｎ

作者简介：肖耀南（１９６７－），男（汉族），湖南省衡山县人，湖南铁道职业技术学院副教授，硕士，主要从事电气自动化教学与研究工作。Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＸＩＡＯＹａｏ－ｎａｎ（１９６７－），ｍａｌｅ（ＨａｎＮａｔｉｏｎａｌｉｔｙ），ｔｈｅＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅＨｅｎｇｓｈａｎＣｏｕｎｔｙｐｅｒｓｏｎ，Ｈｕｎａｎｒａｉｌｒｏａｄｐｒｏｆｅｓ－ｓｉｏｎａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｌｌｅｇｅａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，ｍａｓｔｅｒ，ｍａｉｎｌｙｉｓｅｎ－ｇａｇｅｄｉｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｕｔｏｍａｔｉｏｎｔｅａｃｈｉｎｇａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋ．．（４１２００１湖南铁道职业技术学院）肖耀南

（ＨｕｎａｎＲａｉｌｗａｙＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ４１２００１）ＸＩＡＯＹａｏ－ｎａｎ

通讯地址：（４１２００１湖南省株洲市田心大道湖南铁道职业技术学院）肖耀南

（收稿日期：２００８．４．．０５）（修稿日期：２００８．５．２０）

（上接第２８９页）

作者简介：陈海（１９８２－），男（汉族），河北人，现于军械工程学院通信与信息系统专业攻读硕士学位；胡建旺（１９６７－），男（汉族），山西人，副教授，研究生导师，主要从事通信设备的性能测试等。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＣＨＥＮＨａｉ（１９８２－），Ｍａｌｅ（ｔｈｅＨａｎｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ），ＨｅＢｅｉ，ＳｔｕｄｙｉｎｇｉｎＯｒｄｎａｎｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅｆｏｒｍａｓｔｅｒｄｅｇｒｅｅ．，Ｍａｊｏｒｉｎ：ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；

（０５０００３河北石家庄军械工程学院）陈海胡建旺祝爱民（ＯｒｄｎａｎｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，０５０００３，Ｃｈｉｎａ）ＣＨＥＮＨａｉＨＵＪｉａｎ－ｗａｎｇＺＨＵＡｉ－ｍｉｎ

通讯地址：（０５０００３河北省石家庄市和平西路９７号军械工程学院二系指控教研室）陈海

（收稿日期：２００８．４．０５）（修稿日期：２００８．５．２０）

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