紅外通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在電子消費(fèi)領(lǐng)域當(dāng)中，紅外產(chǎn)品的使用較為普遍，它多用于簡(jiǎn)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(jī)MC9S08GT60為載體，詳細(xì)介紹紅外通信的硬件和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程及通信協(xié)議的使用。

HCS08系列的MCU是Freescale半導(dǎo)體公司最新推出的8位單片機(jī)，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(xì)討論了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的紅外通信開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

紅外通信過(guò)程主要由紅外發(fā)射和紅外接收兩個(gè)過(guò)程，首先將數(shù)字信號(hào)送給紅外發(fā)射電路，經(jīng)該電路的調(diào)制轉(zhuǎn)變成紅外光信號(hào)在空中傳輸，然后紅外接收電路收到該紅外光信號(hào)，經(jīng)過(guò)該電路的解調(diào)，將此紅外光信號(hào)還原成可被單片機(jī)處理的信號(hào)，由單片機(jī)內(nèi)部處理得到原來(lái)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(gè)約定，使其能夠進(jìn)行同步，并正確的收發(fā)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)使用了類(lèi)同步協(xié)議。當(dāng)紅外接收器未收到信號(hào)時(shí)，不產(chǎn)生定時(shí)操作，否則，首先接收起始位‘0’，并觸發(fā)中斷，啟動(dòng)定時(shí)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(shí)器復(fù)位，重新檢測(cè)起始位，在接收第二個(gè)停止位時(shí)，會(huì)觸發(fā)一次中斷來(lái)檢測(cè)第一次接收的停止位是否正確，如果不正確，則復(fù)位定時(shí)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(hào)，當(dāng)有載波通過(guò)時(shí)，接收端輸出數(shù)字信號(hào)‘0’，反之，輸出數(shù)字信號(hào)‘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(jìn)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(hào)用一個(gè)脈沖來(lái)表示，脈寬為526 μs，兩個(gè)這樣的脈沖周期表示‘1’，一個(gè)這樣的脈沖周期表示‘0’。這樣的脈沖信號(hào)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?hào)就是具有一定時(shí)間間隔的載波信號(hào)，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(guò)程正好相反，在接收紅外光信號(hào)之后，會(huì)經(jīng)過(guò)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(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)信號(hào)。

4 紅外通信硬件設(shè)計(jì)原理

4.1 發(fā)送電路的硬件設(shè)計(jì)

HCS08GT60單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)TPM模塊，每個(gè)模塊有兩個(gè)通道，可以用任意一個(gè)通道的PWM功能，輸出38 kHz的載波信號(hào)，本文編程設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(hào)。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(hào)，作為數(shù)據(jù)編碼信號(hào)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(diǎn)CODE跟PTA7口相連，產(chǎn)生數(shù)據(jù)編碼；電氣節(jié)點(diǎn)CLK跟TPM1通道1相連，產(chǎn)生38 kHz紅外載波信號(hào)。三極管基極串接的電阻和R5起到限流保護(hù)的作用，三極管本身則具有信號(hào)放大的功能，另外兩個(gè)三極管級(jí)聯(lián)將編碼調(diào)制在38 kHz的載波上通過(guò)紅外發(fā)射器發(fā)射出去。當(dāng)編碼為‘1’時(shí)，Q1，Q2截止，紅外發(fā)射器上無(wú)電流通過(guò)，發(fā)射低電平信號(hào)，當(dāng)編碼為‘0’時(shí)，Q1，Q2導(dǎo)通，此時(shí)載波信號(hào)通過(guò)Q2放大在發(fā)射器上體現(xiàn)出38 kHz的載波信號(hào)。因此在PTA7端口輸入不同的數(shù)據(jù)編碼，通過(guò)該發(fā)送電路，在發(fā)射器上會(huì)出現(xiàn)具有一定間隔的38 kHz載波信號(hào)，經(jīng)發(fā)射器將該載波信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)發(fā)射出去。載波脈沖調(diào)制信號(hào)的時(shí)序圖如圖2所示。

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4.2 接收電路的硬件設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)了紅外接收、放大、濾波及解調(diào)功能，當(dāng)收到紅外載波光信號(hào)時(shí)，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(shí)斷時(shí)續(xù)的紅外光信號(hào)調(diào)制成連續(xù)的方波信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部處理可以將其轉(zhuǎn)換成原來(lái)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(qiáng)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(shí)發(fā)生輸入捕捉，比較兩次捕捉發(fā)生時(shí)通道寄存器TPM2C0V的值，可以得到一個(gè)周期脈沖的寬度，根據(jù)發(fā)射數(shù)據(jù)的時(shí)序圖，就可知道不同的脈沖寬度對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)是什么，由此就可將原數(shù)據(jù)還原出來(lái)。

5 紅外通信的軟件設(shè)計(jì)

5.1 38 kHz紅外載波設(shè)計(jì)

MC9S08GT60使用了外部4 MHz的晶振頻率，通過(guò)配置ICG1=0x78，ICG2=0x30，將總線頻率控制為20 MHz。MC9S08GF60內(nèi)部有定時(shí)／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(shè)置為10，控制發(fā)生輸出比較時(shí)將脈沖信號(hào)置高或置低。為使TPM1C1輸出38 kHz頻率的載波信號(hào)，就要對(duì)20 MHz的總線頻率進(jìn)行526分頻，即526個(gè)20 MHz的方波周期產(chǎn)生一個(gè)38 kHz的方波周期，因?yàn)槭侵行拿}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(yù)置寄存器TPM1M0D中值的2倍，因此令TPM1C1V=131，TPM1M0D=263，啟動(dòng)定時(shí)器后，定時(shí)器1的計(jì)數(shù)器TPM1CNTL在自增1計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)該值跟通道值寄存器TPM1C1V中值匹配時(shí)，將脈沖輸出信號(hào)拉低，定時(shí)器1的計(jì)數(shù)器TPMlCNTL在計(jì)數(shù)值開(kāi)始進(jìn)行自減1操作時(shí)，當(dāng)下降到跟通道寄存器TPMlClV時(shí)，將脈沖輸出信號(hào)拉高。中心脈寬輸出的時(shí)序圖如圖5所示。從此通道輸出的方波頻率通過(guò)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(shè)計(jì)

MC9S08GT60單片機(jī)有36個(gè)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(jìn)行不同的延時(shí)操作，使該端口輸出一定寬度的數(shù)據(jù)脈沖，通過(guò)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(hào)的輸入捕捉設(shè)計(jì)

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(jìn)一步設(shè)置TPM2通道0狀態(tài)控制寄存器，將TPM2C0SC的模式選擇位MS0B：MS0A設(shè)置為00，選擇了輸入捕捉方式，此外，要設(shè)置捕捉發(fā)生在什么條件下，那么需要設(shè)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(shí)發(fā)生捕捉。在發(fā)生捕捉時(shí)，通道值寄存器會(huì)將定時(shí)寄存器的值進(jìn)行鎖存，因此比較兩次輸入捕捉時(shí)，通道值寄存器的內(nèi)容，根據(jù)編碼規(guī)則，可知道該值對(duì)應(yīng)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(guò)串口調(diào)試窗口查看比較結(jié)果，因?yàn)榇诮邮諗?shù)據(jù)緩沖寄存器是8位的，那么可以將其分解為兩個(gè)8位的數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)觀察串口數(shù)據(jù)得到識(shí)別碼，完成不同的功能。

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6 結(jié)語(yǔ)

紅外通信一般用在低數(shù)據(jù)速率，并且短距離的場(chǎng)合中，因此需要低功耗的運(yùn)行要求。而Freescale的這款單片機(jī)工作電壓可達(dá)到1.8 V，在單片機(jī)空閑方式下，通過(guò)設(shè)置SOPT和SPMSC兩個(gè)寄存器來(lái)設(shè)計(jì)不同的停止低功耗模式，或者執(zhí)行一條WAIT指令，使單片機(jī)進(jìn)入等待的低功耗模式，這里就不再詳細(xì)講述其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。MC9S08GT60單片機(jī)與其他低電壓、低功耗的單片機(jī)不同之處在于，它并非是以犧牲性能為代價(jià)來(lái)?yè)Q取1.8 V的低電壓。因此本文使用該單片機(jī)討論了發(fā)送和接收紅外電路的設(shè)計(jì)過(guò)程及通信協(xié)議的運(yùn)用，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)切實(shí)可行，對(duì)紅外控制開(kāi)發(fā)者有一定的幫助。