基于凌陽(yáng)SPCEO61A的紅外通信接口設(shè)計(jì)

0 引言
??? 隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外通信已經(jīng)成為越來(lái)越普及的無(wú)線通信方式。紅外通信是以紅外線為載體來(lái)傳送數(shù)據(jù)信息，具有直觀、操作簡(jiǎn)單、可靠性高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、便于高速應(yīng)用、空間接入靈活等優(yōu)點(diǎn)，所以越來(lái)越受到重視。紅外通信接口在手持設(shè)備中應(yīng)用尤為廣泛，本文提出了一種基于凌陽(yáng)公司SPCE061A的紅外通信接口的設(shè)計(jì)方案，并具有以下功能：a．通信距離大于5m；b．傳輸速率為1500b／s；c．誤碼率小于0．5％。

1 紅外通信的原理
??? 紅外通信是利用950nm近紅外波段做為信息的載體來(lái)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)之間的近距離保密通信和信息轉(zhuǎn)發(fā)，紅外通信的基本原理就是發(fā)送端將二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，通過(guò)驅(qū)動(dòng)LED以光脈沖的形式將信號(hào)發(fā)射出去，接收端利用光電二極管將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大、濾波等環(huán)節(jié)處理后送給解調(diào)電路解調(diào)，還原為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)輸出，紅外發(fā)射部分對(duì)一個(gè)紅外輻射源調(diào)制后發(fā)射紅外信號(hào)，接收部分是利用光學(xué)裝置和紅外探測(cè)儀進(jìn)行接收。
??? 紅外發(fā)射電路是由電阻R2、三極管Q2、電阻R3與紅外發(fā)射二極管D1組成，如圖1所示。

??? 接收電路是由紅外接收管和放大電路組成，Q4接收到紅外信號(hào)后，經(jīng)過(guò)三極管Q1進(jìn)行一級(jí)放大，放大后的信號(hào)送入三極管Q3進(jìn)行第二級(jí)放大，通過(guò)Rx輸出就可以得到放大后的紅外接收信號(hào)，如圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
??? 本文的紅外通信接口所用的單片機(jī)是凌陽(yáng)公司的SPCE061A。
2．1 SPCE061 A的性能
??? SPCE061A是凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的性價(jià)比很高的一款16位單片機(jī)，其工作電壓范圍2．6～3．6V，工作頻率范圍0．320～49．152MHz。當(dāng)工作頻率設(shè)定在49．152MHz時(shí)，指令周期約為20ns。SPCE061A單片機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu)，以16位微控制器為內(nèi)核。SPCE061A單片機(jī)具有內(nèi)置2k字SRAM；內(nèi)置32k FLASH；可編程音頻處理；晶體振蕩器2個(gè)16位可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)；2個(gè)10位DAC(數(shù)一模轉(zhuǎn)換)輸出通道；32位通用可編程輸入／輸出端口；14個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器A／B，時(shí)基，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽(yáng)音頻編碼SACM　S240方式(2．4kb／s)，能容納210s的語(yǔ)音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘；7通道1O位電壓模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音ADC；聲音ADC輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制(AGC)功能；具備串行設(shè)備接口；具有低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(cè)(LVD)功能；內(nèi)置在線仿真電路ICE(In－Circuit Emulator)接口；具有保密能力；具有看門狗功能。
??? 它獨(dú)有的語(yǔ)音功能可以用在很多方面，在紅外通信接口應(yīng)用的這款單片機(jī)可以自動(dòng)播報(bào)語(yǔ)音，具有獨(dú)特的風(fēng)格。在該紅外通信接口設(shè)計(jì)中，輸入輸出端口發(fā)揮著重要作用。

2．2 硬件電路
??? 接口電路如圖4所示，J1為紅外發(fā)射／接收電路的發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)接口，可以用1 0Pi ns排線直接和SPCE061A的10B高8位相連，通過(guò)SPCE061A的IOB8輸出38kHz的調(diào)制波，IOB8輸出TimerA PWM脈寬調(diào)制輸出。載波圖如圖3所示。

??? 紅外信號(hào)的調(diào)制主要有兩種，一種是脈寬調(diào)制(PWM)，一種是通過(guò)脈沖串的時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制的脈時(shí)調(diào)制(PPM)，本文采用的方法是PPM。
??? 61板是這個(gè)系統(tǒng)的控制核心，紅外發(fā)射管選用的是由Visay公司生產(chǎn)的TSAL6238，用來(lái)發(fā)射940nm的紅外光束，發(fā)射電路主要由電阻電容三極管和紅外發(fā)射管組成，串行碼的發(fā)送主要由TimerA定時(shí)器，IOB8編程為第二功能是由TimerA控制輸出占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制信號(hào)APWM0，產(chǎn)生38kHz的載波信號(hào)，如圖5是38kHz的調(diào)制波。串行數(shù)據(jù)由單片機(jī)的串行輸出端TXD送出并驅(qū)動(dòng)三極管，利用兩個(gè)紅外發(fā)射管將38kHz的載波信號(hào)以光脈沖的形式向外發(fā)送。串行碼為1時(shí)，打開(kāi)輸出，為0時(shí)，關(guān)閉APWM0輸出(輸出低電平)。用TimerB控制脈沖寬度。外接收電路選用Vishay公司生產(chǎn)的專用紅外接收模塊TSOP1738。該接收模塊是一個(gè)三端元件，使用單電源+5V電源，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高、對(duì)其它波長(zhǎng)(950nm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5所示。

??? TSOP1738的工作原理為：首先，通過(guò)紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由前放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理。然后通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路解調(diào)。最后由輸出級(jí)電路進(jìn)行反向放大輸出。用IOB2檢測(cè)這個(gè)信號(hào)，圖6為TSOP1738的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

2．3 軟件設(shè)計(jì)
??? 以一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用多功能電能表為例，主要包括手持抄表器主機(jī)軟件和電度表端從機(jī)軟件兩部分，在數(shù)據(jù)交換中，手持單元或數(shù)據(jù)終端為主站，費(fèi)率裝置(一般指多功能電能表)為從站，主站與從站同時(shí)都要具有接收和發(fā)射兩套裝備，兩者接收發(fā)射和處理數(shù)據(jù)的程序相同。考慮到主站與從站不能同時(shí)接收和發(fā)射信號(hào)，數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的，從站需要接收主站發(fā)射的信息，也需要向主站發(fā)射信息，主站和從站都需要各有一套發(fā)射和接收裝備，若采用的是全雙工通信方式，自身發(fā)射的信號(hào)很可能自身能接收到，所以采用了半雙工通信串行方式。這里以主站的接收和發(fā)射部分為例來(lái)說(shuō)明每個(gè)部分的軟件設(shè)計(jì)以及流程圖。

2．3．1 紅外發(fā)射部分的軟件設(shè)計(jì)
??? 發(fā)射部分首先是發(fā)射同步頭起始位，接著發(fā)射8位的數(shù)據(jù)段，見(jiàn)圖7。在發(fā)射端，CPU不斷地掃描鍵盤，一旦發(fā)現(xiàn)有鍵按下，就啟用發(fā)射子程序?qū)⑾鄳?yīng)的數(shù)值發(fā)射出去。
2．3．2 紅外接收部分的軟件設(shè)計(jì)
??? 紅外接收部分主要是通過(guò)紅外接收模塊TSOP1738來(lái)接收數(shù)據(jù)的，這部分程序比較簡(jiǎn)單，利用中斷使系統(tǒng)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在61板的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，這就完成了一次接收過(guò)程。

3 結(jié)束語(yǔ)
??? 本文介紹的計(jì)算機(jī)紅外通信接口電路，具有電路簡(jiǎn)單、成本低廉、編程方便、維護(hù)容易、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，這個(gè)紅外通信接口是為紅外抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)由具有紅外通信功能的電能表(安裝在用戶端)、手持抄表儀、計(jì)算機(jī)組成。當(dāng)需要了解用戶端的用電情況時(shí)，用手持抄表儀在戶外利用紅外通信的功能獲取用戶號(hào)，以及用電量。再利用手持抄表儀與計(jì)算機(jī)間的紅外通信功能，將用戶號(hào)與用電情況輸入到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)用戶號(hào)統(tǒng)計(jì)出某一用戶當(dāng)月、上月、以及本年度等的用電情況。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于本系統(tǒng)具有工作良好，且與人工抄表相比具有速度快、準(zhǔn)確、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著電能表功能的擴(kuò)展，紅外接口在功能設(shè)置、自動(dòng)化抄表、數(shù)據(jù)的適時(shí)采集等方面正發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，具有良好的應(yīng)用前景。