红外通信的设计与实现

　　1 引言

　　在电子消费领域当中，红外产品的使用较为普遍，它多用于简单的近距离控制，如家电，玩具，各种抄表系统。本文以Freescale 8位高性能、低功耗单片机MC9S08GT60为载体，详细介绍红外通信的硬件和软件设计过程及通信协议的使用。

　　HCS08系列的MCU是Freescale半导体公司最新推出的8位单片机，具有多种低功耗模式，更高的工作频率，并集成了片上调试器，而且资源丰富，因此采用了该系列的MC9S08GT60作为载体详细讨论了一个简单实用的红外通信开发系统。

　　红外通信过程主要由红外发射和红外接收两个过程，首先将数字信号送给红外发射电路，经该电路的调制转变成红外光信号在空中传输，然后红外接收电路收到该红外光信号，经过该电路的解调，将此红外光信号还原成可被单片机处理的信号，由单片机内部处理得到原来的数据编码。

　　2 红外通信协议

　　协议的目的是给收发双方一个约定，使其能够进行同步，并正确的收发数据。本设计使用了类同步协议。当红外接收器未收到信号时，不产生定时操作，否则，首先接收起始位‘0’，并触发中断，启动定时器接收数据，然后判断是否为起始位，如果是，则继续接收数据，否则将定时器复位，重新检测起始位，在接收第二个停止位时，会触发一次中断来检测第一次接收的停止位是否正确，如果不正确，则复位定时器，重新接收，否则已经正确接收该数据段。

　　3 红外通信的原理分析

　　红外通信在空中传输的是载波信号，当有载波通过时，接收端输出数字信号‘0’，反之，输出数字信号‘1’。因此在发射电路发送的功能指令码，一般采用多位二进制串行码。本文中，红外通信数据采用脉冲编码，就是将每位数据信号用一个脉冲来表示，脉宽为526 μs，两个这样的脉冲周期表示‘1’，一个这样的脉冲周期表示‘0’。这样的脉冲信号都调制在频率为38 kHz的载波上再发送出去，调制后在空中传输的信号就是具有一定时间间隔的载波信号，其占空比由数据编码决定。在红外接收端，数据处理的过程正好相反，在接收红外光信号之后，会经过整形、放大、滤波、调制等一系列处理，然后在其输出端输出一系列的单片机能够处理的数据信号。

　　4 红外通信硬件设计原理

　　4.1 发送电路的硬件设计

　　HCS08GT60 单片机内部有两个TPM模块，每个模块有两个通道，可以用任意一个通道的PWM功能，输出38 kHz的载波信号，本文编程设计根据实验条件的要求采用了TPM1通道1中心脉宽输出功能产生38 kHz红外载波信号。而PTA7口作为普通的输入输出口，产生一定脉宽的方波信号，作为数据编码信号输入。硬件原理图如图1所示。

 

　　原理图中，电气节点CODE跟PTA7口相连，产生数据编码；电气节点CLK跟TPM1通道1相连，产生38 kHz红外载波信号。三极管基极串接的电阻和R5起到限流保护的作用，三极管本身则具有信号放大的功能，另外两个三极管级联将编码调制在38 kHz的载波上通过红外发射器发射出去。当编码为‘1’时，Q1，Q2截止，红外发射器上无电流通过，发射低电平信号，当编码为‘0’时，Q1，Q2导通，此时载波信号通过Q2放大在发射器上体现出38 kHz的载波信号。因此在PTA7端口输入不同的数据编码，通过该发送电路，在发射器上会出现具有一定间隔的38 kHz载波信号，经发射器将该载波信号转化成光信号发射出去。载波脉冲调制信号的时序图如图2所示。

 

　　4.2 接收电路的硬件设计

　　红外接收电路中使用了HS0038A接收器，HS0038A的内部逻辑框图如图3所示。

 

　　由此可看出该接收器内部实现了红外接收、放大、滤波及解调功能，当收到红外载波光信号时，红外接收器输出低电平，反之红外接收器输出高电平，从而可以将时断时续的红外光信号调制成连续的方波信号，经单片机内部处理可以将其转换成原来的数据。

　　硬件原理图如图4所示。

 

　　由于HS0038A内置滤波并且采用环氧塑封，可以作为红外滤波器，因此电路中不需要另外增加滤波器，并且HS0038A具备较强的抗干扰能力。

　　红外接收器输出引脚RevData连接在TPM2通道0，使用了TPM的输入捕捉功能，在上升沿时发生输入捕捉，比较两次捕捉发生时通道寄存器 TPM2C0V的值，可以得到一个周期脉冲的宽度，根据发射数据的时序图，就可知道不同的脉冲宽度对应的数据是什么，由此就可将原数据还原出来。