IrDA器件及其應用電路設計

關鍵詞：紅外數(shù)據(jù)傳輸 紅外檢測 IrDA 編/解碼 調(diào)制/解調(diào)

引 言

??紅外數(shù)據(jù)傳輸，成本低廉、連接方便、簡單易用、結(jié)構(gòu)緊湊，在小型移動設備中得到了廣泛的應用。近年來，很多著名半導體廠商，如Agilent、Vishay、Sharp、Zilog、Omron等，相繼推出了許多遵循同一規(guī)范的不同類型的器件。本文就IrDA紅外數(shù)據(jù)傳輸、各種IrDA器件的構(gòu)成及其不同類型的紅外通信電路設計進行綜合闡述。

1 紅外數(shù)據(jù)傳輸及其規(guī)范簡介

　　紅外數(shù)據(jù)傳輸，使用傳播介質(zhì)――紅外線。紅外線是波長在750nm~1mm之間的電磁波，是人眼看不到的光線。紅外數(shù)據(jù)傳輸一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在0.75μm~25μm之間。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會成立后，為保證不同廠商的紅外產(chǎn)品能獲得最佳的通信效果，限定所用紅外波長在850nm~900nm。

　　IrDA是國際紅外數(shù)據(jù)協(xié)會的英文縮寫，IrDA相繼制定了很多紅外通信協(xié)議，有側(cè)重于傳輸速率方面的，有側(cè)重于低功耗方面的，也有二者兼顧的。IrDA1.0協(xié)議基于異步收發(fā)器UART，最高通信速率在115.2kbps，簡稱SIR(Serial Infrared，串行紅外協(xié)議)，采用3/16 ENDEC編/解碼機制。 IrDA1.1協(xié)議提高通信速率到4Mbps，簡稱FIR(Fast Infrared，快速紅外協(xié)議)，采用4PPM (Pulse Position Modulation，脈沖相位調(diào)制)編譯碼機制，同時在低速時保留1.0協(xié)議規(guī)定。之后，IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的協(xié)議，簡稱VFIR(Very Fast Infrared，特速紅外協(xié)議)。

　　IrDA標準包括三個基本的規(guī)范和協(xié)議：紅外物理層連接規(guī)范IrPHY(Infrared Physical Layer Link Specification)，紅外連接訪問協(xié)議IrLAP (Infrared Link Access Protocol) 和紅外連接管理協(xié)議IrLMP(Infrared Link Management Protocol)。IrPHY規(guī)范制定了紅外通信硬件設計上的目標和要求；IrLAP和IrLMP為兩個軟件層，負責對連接進行設置、管理和維護。在IrLAP和IrLMP基礎上，針對一些特定的紅外通信應用領域，IrDA還陸續(xù)發(fā)布了一些更高級別的紅外協(xié)議，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等等。[1~3]

　　紅外傳輸距離在幾cm到幾十m，發(fā)射角度通常在0~15，發(fā)射強度與接收靈敏度因不同器件不同應用設計而強弱不一。使用時只能以半雙工方式進行紅外通信。

　　在此把符合IrDA紅外通信協(xié)議的器件稱為IrDA器件，符合SIR協(xié)議的器件稱為SIR器件，符合FIR協(xié)議的器件稱為FIR器件，符合VFIR協(xié)議的器件稱為VFIR器件。

2 紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕灸Ｐ?/B>

紅外數(shù)據(jù)傳輸可用圖1簡單表示。

3 IrDA器件的類型劃分[3~8]

　　根據(jù)圖1所述模型，把IrDA器件劃分類型，如圖2所示。

　　根據(jù)傳輸速率的大小，可以把IrDA器件區(qū)分為SIR、FIR、VFIR類型。如Vishay的紅外收發(fā)器，TFDU4300是SIR器件，TFDU6102是FIR器件，TFDU8108是VFIR器件。

　　根據(jù)應用功耗的大小，可以把IrDA器件區(qū)分為標準型和低功耗型。低功耗型器件，通常使用1.8~3.6V電源，傳輸距離較小(約20cm)，如Agilent的紅外收發(fā)器HSDL-3203。標準型器件，通常使用DC5V電源，傳輸距離大(在30cm~幾十m)，如Vishay的紅外接收器TSOP12xx系列，配合其發(fā)射器TSAL5100，傳輸距離可達35m。

　　使用上述三種分類方法，可以清晰地表明一個IrDA紅外器件的性能。如Agilent的SIR標準型紅外收發(fā)器HSDL-3000。

4 IrDA器件的構(gòu)成及其使用[3~8]

4.1 紅外發(fā)送器件

　　紅外發(fā)送器大多是使用Ga、As等材料制成的紅外發(fā)射二極管，其能夠通過的LED電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大；發(fā)射強度越大，紅外傳輸距離就越遠，傳輸距離正比于發(fā)射強度的平方根。有少數(shù)廠商的紅外發(fā)送器件內(nèi)置有驅(qū)動電路。該類器件的構(gòu)成如圖3所示。

　　紅外發(fā)送器件在使用時通常需要串聯(lián)電阻，用以分壓限流。

4.2 紅外檢測器件

　　紅外檢測器件的主要部件是紅外敏感接收管件，有獨立接收管構(gòu)成器件的，有內(nèi)含放大器的，有集成放大器與解調(diào)器的。后面兩種類型的紅外檢測器件構(gòu)成如圖4所示。

　　接收靈敏度是衡量紅檢測器件的主要性能指標，接收靈敏度越高，傳輸距離越遠，誤碼率越低。

　　內(nèi)部集成有放大與解調(diào)功能的紅外檢測器件通常還含有帶通濾波器，這類器件常用于固定載波頻率(如40kHz)的應用。

4.3 紅外收發(fā)器件

　　紅外收發(fā)器件集發(fā)射與接收于一體。通常，器件的發(fā)射部分含有驅(qū)動器，接收部分含有放大器，并且內(nèi)部集成有關斷控制邏輯。關斷控制邏輯在發(fā)送時關斷接收，以避免引入干擾；不使用紅外傳輸時，該控制邏輯通過SD引腳接受指令，關斷器件電源供應，以降耗節(jié)能。使用器件時需要在LED引腳接入適當?shù)南蘖麟娮?。大多?shù)紅外收發(fā)器件帶有屏蔽層。該層不要直接接地，可以通過串聯(lián)一磁珠再接地，以引入干擾影響接收靈敏度。紅外收發(fā)器件的構(gòu)成如圖5所示。

4.4 紅外編/解碼器件

　　編/解碼，英文簡稱ENDEC，即實現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)。編/解碼機制，SIR器件多采用3/16 ENDEC，F(xiàn)IR器件多采用4PPM ENDEC。在此解釋一下3/16 ENDEC，其它可參閱有關資料。3/16 ENDEC，即把一個有效數(shù)字位(bit)時間段，劃分為16等分小時間段，以連續(xù)3個小時間段內(nèi)有無脈沖表示調(diào)制/解調(diào)信息。紅外編/解碼器件，需要從外部接入時鐘或使用自身的晶體振蕩電路，進行調(diào)制或解調(diào)。

　　紅外編/解碼器件，有單獨編碼的集成器件，如鍵盤遙控紅外編碼器Mitsubishi的M50462AP；也有集編碼/解碼于一體的，這類器件較為多見，其構(gòu)成如圖6所示。

4.5 紅外接口器件

　　紅外接口器件，實現(xiàn)紅外傳輸系統(tǒng)與微控制器、PC機或網(wǎng)絡系統(tǒng)的連接。設計中經(jīng)常使用的器件有UART串行異步收發(fā)器件、USB接口轉(zhuǎn)換器件等。

　　USB接口器件，實現(xiàn)紅外收發(fā)與PC機的USB連接。集成度較高的USB接口器件如SigmaTel的STIr4200。STIr4200全兼容IrDA1.3和USB1.1，IrDA速率在2.4k~4Mbps，內(nèi)含有紅外編/解碼器和4KB的FIFO緩存，20/28腳封裝，可直接相聯(lián)標準的IrDA收發(fā)器件，其構(gòu)成如圖7所示。

5 常用紅外數(shù)據(jù)傳輸電路設計[3~9]

5.1 家電紅外遙控收發(fā)電路的設計

　　彩電、空調(diào)、VCD等家用電器的遙控收發(fā)，是單向傳輸，通信距離通常在3~5m，調(diào)制/解調(diào)的載波頻率通常在36~40kHz，可用“集成鍵盤編碼IC+帶驅(qū)動的紅外發(fā)射管”構(gòu)成發(fā)射遙控器，用“帶放大與解調(diào)功能的紅外檢測器”構(gòu)成接收端，接收后的信息可直接送給簡易單片機(如AT89C2051)，由單片機通過軟件進行遙控功能識別并產(chǎn)生相應動作。

　　圖8是一個通用的家電遙控收發(fā)電路框圖。

5.2 PC機簡易紅外收發(fā)裝置設計

　　現(xiàn)在的筆記本電腦、掌上電腦、移動手機等，常常集成有含編/解碼功能(38kHz載波)的5針紅外接口；可以很容易地設計電路，給PC機配上紅外收發(fā)裝置，無須考慮調(diào)制/解調(diào)。

　　5針紅外接口插座引腳定義了：一對電源腳Vcc和GND，一對收發(fā)接口IrTx(紅外發(fā)射端)和IrRx(紅外接收端)，有一針NC未定義。

　　根據(jù)IrDA異步串行通信有關標準，IrTx引腳能提供 >6.0mA的輸出電流，IrRx引腳在吸收1.5 mA電流時就能對輸入信號作出反應。依此可以設計出如圖9(a)所示的簡易紅外收發(fā)裝置。為進一步提高收發(fā)傳輸能力，可在發(fā)射端增加驅(qū)動，在接收端增加放大。這樣做，分立元件過多，電路不夠簡潔。為簡化電路，可以使用帶有驅(qū)動和放大能力的紅外收發(fā)器件。圖9(b)就是用Zilog的紅外收發(fā)器ZHX1010構(gòu)成的簡易收發(fā)裝置。

　　給PC機加上紅外收發(fā)裝置后，需要對系統(tǒng)做如下設置：在BIOS中打開紅外線接口，在使用時于設備管理器中啟動“紅外線監(jiān)視器”。通常，PC機紅外接口與其COM2口共用同一地址和中斷，打開了紅外接口，COM2口就不能再使用了。

5.3 RS232-IrDA紅外收發(fā)電路設計

　　這種類型電路工作在異步串行通信方式下，可以直接采用“UART電平轉(zhuǎn)換器件 + 紅外編/解碼器件 + 紅外收發(fā)器件”構(gòu)成。圖10是一個設計舉例，圖中器件使用了Maxim的MAX232。MAX232完成RS232信號電平到標準數(shù)字信號電平(如5V系統(tǒng))的轉(zhuǎn)換，HSDL-7000是紅外編/解碼器。

5.4 USB-IrDA紅外收發(fā)電路設計

　　設計這種類型的電路，最簡捷的途經(jīng)就是使用USB-IrDA接口器件。圖11是采用SigmaTel的STIr4200接口器件的一個設計舉例。STIr4200有一個可選擇的外部增強性發(fā)射端口，如果要增強紅外傳輸能力(如傳輸距離)，可在該端口增加發(fā)射管。對于STIr4200，SigamTel提供有各種Windows版本的驅(qū)動程序，使用十分方便。

5.5 微控制器-IrDA紅外收發(fā)電路設計

　　現(xiàn)在很多微控制器，內(nèi)部集成有UART單元及其接口，支持IrDA標準，并可以直接與紅外收發(fā)體系連接。圖12是這類電路設計的一個舉例。圖中MCP2120是Microchip的紅外可編程波特率編/解碼器件。

　　有些微控制器，如80C51單片機，雖然內(nèi)含有UART，卻不支持IrDA標準或高速通信，不能直接相連紅外收發(fā)體系。還有些微控制器，雖然所含的UART可以直接連接紅外收發(fā)體系，但UART已用于其它目的。此時，可以選用UART接口器件。圖13是80C51通過Maxim的MAX3110連接紅外收發(fā)體系的，80C51單片機沒有SPI接口。這里使用其I/O口，通過軟件模擬SPI工作機制。MAX3110有一個收發(fā)傳輸中斷腳，十分有利于軟件編制。

6 紅外數(shù)據(jù)傳輸電路設計的注意事項

① 要做好紅外器件的選型。要求傳輸快速時，可選擇FIR、VFIR收發(fā)器與編/解碼器。要求長距離傳輸時，可選擇大LED電流、小發(fā)射角發(fā)射器和靈敏度高的接收檢測器。低功耗場合應用時，可選取低功耗的紅外器件。要注意低功耗與傳輸性能之間存在著矛盾：通常低功耗器件，傳輸距離很小。這一點在應用時應該綜合考慮。

② 紅外數(shù)據(jù)傳輸是半雙工性質(zhì)的。為避免自身產(chǎn)生的信號干擾自身，要確保發(fā)送時不接收，接收時不發(fā)送，可以著眼于軟件設計，使軟件在一種狀態(tài)時暫不理會另一種狀態(tài)；同時要合理設置好收發(fā)之間的時間間隔,不立即從一種方式轉(zhuǎn)入另一種方式。

③ 要合理設計好各種紅外器件的供電電路，選擇適當?shù)腄C-DC器件，恰當?shù)剡M行電磁抑制，做好電源濾波。同時還要注意盡可能減少功耗，不使用紅外電路時要在軟件上能夠控制關閉其供電。很多廠家對自己推出的紅外器件都有推薦的電路設計，要注意參考并實驗。

④ PCB設計時，要合理布局器件。濾波電感、電容等要就近器件放置，以確保濾波效果；紅外器件與系統(tǒng)的地線要分開布置，僅在一點相連；晶體等振蕩器件要靠近所供器件，以減少輻射干擾。

⑤ 增大紅外傳輸距離、提高收發(fā)靈敏度的方法：增加發(fā)射電路的數(shù)量，使幾只發(fā)射管同時啟動發(fā)送；在接收管前加裝紅色濾光片，以濾除其它光線的干擾；在接收管和發(fā)射管前面加凸透鏡，提高其光線采集能力等等。