一種用于單片機(jī)的紅外串行通信接口

　　摘要：闡述紅外通信的基本工作原理；結(jié)合在單相電度表抄表系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，介紹一種適合單片機(jī)系統(tǒng)的紅外通信方案，設(shè)計(jì)具體的硬件接口電路，說(shuō)明其工作原理，給出應(yīng)用于紅外通信的程序流程，并指出在實(shí)施過(guò)程中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

    關(guān)鍵詞：單片機(jī) 紅外通信 串行接口 抄表系統(tǒng)

引言

　　在很多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常常利用非電信號(hào)（如光信號(hào)、超聲波信號(hào)等）傳送控制信息和數(shù)據(jù)信息，以實(shí)現(xiàn)遙控或遙測(cè)的功能。例如在單相電度表抄表系統(tǒng)中，就是使用手持抄表器通過(guò)遙控的方式，來(lái)完成電度表用電量的抄錄、設(shè)置表底數(shù)、電度表校時(shí)等工作。紅外通信具有控制簡(jiǎn)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。實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)紅外通信的關(guān)鍵在于紅外接口電路的設(shè)計(jì)以及接口驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。

1 紅外通信的基本原理

　　紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發(fā)送端采用脈時(shí)調(diào)制（PPM）方式，將二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，并驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送出去；接收端將接收到的光脈轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大、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(hào)后輸出。

　　簡(jiǎn)而言之，紅外通信的實(shí)質(zhì)就是對(duì)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，以便利用紅外信道進(jìn)行傳輸；紅外通信接口就是針對(duì)紅外信道的調(diào)制解調(diào)器。

2 紅外通信接口的硬件電路設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)本身并不具備紅外通信接口，但可以利用單片機(jī)的串行接口與片外的紅外發(fā)射和接收電路，組成一個(gè)應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的紅外串行通信接口，如圖1所示。

2.1 紅外發(fā)送器

　　紅外發(fā)送器電路包括脈沖振蕩器、驅(qū)動(dòng)管T1和T2、紅外發(fā)射管D1和D2等部分。其中脈沖振蕩器由NE555定時(shí)器、電阻（R1、R2）和電容（C1、C2）組成，用以產(chǎn)生38kHz的脈沖序列作為載波信號(hào)；紅外發(fā)射管D1和D2選用Vishay公司生產(chǎn)的TSAL6238，用來(lái)向外發(fā)射950nm的紅外光束。

　　紅外發(fā)送器的工作原理為：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)T1管，數(shù)位“0”使T1管導(dǎo)通，通過(guò)T2管調(diào)制成38kHz的載波信號(hào)，并利用兩個(gè)紅外發(fā)射管D1和D2以光脈沖的形式向外發(fā)送。數(shù)位“1”使T1管截止，紅外發(fā)射管D1和D2不發(fā)射紅外光。若傳送的波特率設(shè)為1200bps，則每個(gè)數(shù)位“0”對(duì)應(yīng)32個(gè)載波脈沖調(diào)制信號(hào)的時(shí)序，如圖2所示。

2.2 紅外接收器

　　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3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)帶通濾波器和進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)。最后，由輸出級(jí)電路進(jìn)行反向放大輸出。

　　為保證紅外接收模塊TSOP1738接收的準(zhǔn)確性，要求發(fā)送端載波信號(hào)的頻率應(yīng)盡可能接近38kHz，因此在設(shè)計(jì)脈沖振蕩器時(shí)，要選用精密元件并保證電源電壓穩(wěn)定。再有，發(fā)送的數(shù)位“0”至少要對(duì)應(yīng)14個(gè)載波脈沖，這就要求傳送的波特率不能超過(guò)2400bps。利用上述紅外收發(fā)電路構(gòu)成的紅外信道最大通信距離為8m。

3 紅外通信的軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信方式

　　考慮到紅外光反射的原因，在全雙工方式下發(fā)送的信號(hào)也可能會(huì)被本身接收，因此紅外通信需采用異步半雙工方式，即通信的某一方發(fā)送和接收是交替進(jìn)行的。這里設(shè)置單片機(jī)的串行口采用方式3通信；通信的數(shù)據(jù)格式為每幀11位，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗(yàn)位和1位停止位；片內(nèi)定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器，選擇傳送的波特率為1200bps，則定時(shí)器T1的初值應(yīng)設(shè)置為T(mén)L1=TH1=E8H，另外應(yīng)禁止定時(shí)器T1中斷，以免因定時(shí)器T1溢出而產(chǎn)生不必要的中斷。

3.2 通信協(xié)議

　　進(jìn)行紅外通信之前，通信雙方首先要根據(jù)系統(tǒng)的功能要求制訂某種特定的通信協(xié)議，然后才能編寫(xiě)相應(yīng)的通信程序。例如在電度表抄表系統(tǒng)中，紅外通信的一方是單相電度表，另一方是手持抄表器，雙方遵循表1格式的通信協(xié)議。

表1 抄表系統(tǒng)的通信協(xié)議

3.3 單相電度表通信程序

　　在電度表抄表系統(tǒng)中，單相電度表接收命令是被動(dòng)的，因此它采用實(shí)時(shí)性的中斷方式進(jìn)行接收。在系統(tǒng)初始化程序中依據(jù)如前所述的通信方式，對(duì)串行口和定時(shí)器T1進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

　　在中斷程序程序中按字節(jié)形式進(jìn)行接收，將接收到的字節(jié)存放在預(yù)先設(shè)定的緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)接收到命令結(jié)束符后，則轉(zhuǎn)入命令處理并回送相應(yīng)的信息。接收過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)錯(cuò)誤，則停止接收并調(diào)用錯(cuò)誤處理子程序，發(fā)送接收出錯(cuò)的信息，要求發(fā)送端重新發(fā)送。串行口中斷服務(wù)程序的流程如圖4所示。

3.4 手持抄表器通信程序

　　在紅外通信過(guò)程中，手持抄表器是通信的發(fā)起者，其發(fā)送和接收都是主動(dòng)的。它的具體工作過(guò)程為：CPU不斷掃描鍵盤(pán)，若發(fā)現(xiàn)有命令鍵按下，則調(diào)用發(fā)送子程序發(fā)送相應(yīng)的操作命令；發(fā)送結(jié)束后即啟動(dòng)接收子程序，以接收電度表回送的信息，然后對(duì)接收到的信息進(jìn)行后續(xù)處理。

結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹的應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的紅外串行通信接口，具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低廉、編程方便、通信可靠性高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了通信雙方非接觸式的數(shù)據(jù)傳送。在電度表抄表系統(tǒng)中，由于配備了紅外通信接口，利用手持抄表器可以方便地完成對(duì)電度表的抄錄和校準(zhǔn)等工作，大大提高了抄表工作的效率，而且抄表確定高并杜絕了估抄和誤抄的問(wèn)題。這種紅外通信方案也可用于其它遙控、遙測(cè)的單片機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合。