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1紅外通信技術(shù)基本原理

紅外通信的基本原理是利用波長(zhǎng)介于850～900nm的近紅外波段的紅外線作為信息的載體，發(fā)送時(shí)采用脈時(shí)調(diào)制方式，將二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制為若干脈沖信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管等紅外發(fā)射器件將信號(hào)以光脈沖的形式發(fā)送出去。紅外接收端接收到脈沖后，將光脈沖轉(zhuǎn)換為電信號(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)，最終以二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的形式輸出。由于這種通信方式采用的波長(zhǎng)與無(wú)線電的波長(zhǎng)不同，不受無(wú)線電信號(hào)的影響，從而保證數(shù)據(jù)的安全性。紅外通信的脈沖數(shù)據(jù)傳輸方式如圖1所示。對(duì)于發(fā)送端來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1”時(shí)，沒(méi)有紅外脈沖發(fā)射;發(fā)送二進(jìn)制數(shù)“0”時(shí)，則發(fā)送3/16帶寬的紅外脈沖信息。而對(duì)于接收端來(lái)說(shuō)，沒(méi)有接收到紅外信號(hào)，則認(rèn)為是“1”;接收到則認(rèn)為是“0”。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)、紅外芯片、RS485通信口等組成。系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。利用單片機(jī)來(lái)控制紅外芯片的工作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是1個(gè)單獨(dú)的設(shè)備，內(nèi)部含有2個(gè)紅外模塊，可以實(shí)現(xiàn)紅外的收發(fā)功能，同時(shí)還集成了RS485接口，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的級(jí)聯(lián)。每個(gè)設(shè)備相互分離，使放置時(shí)更加方便快捷，利用RS485進(jìn)行模塊之間的級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距數(shù)據(jù)通信。

2．2硬件電路設(shè)計(jì)紅外電路選用芯片說(shuō)明書(shū)中推薦的電路，其電路圖如圖3所示，為使電路簡(jiǎn)單，供電方便，邏輯電壓與供電電壓選用同一電壓供電。2個(gè)紅外通信模塊分別連接到單片機(jī)的串口1與串口2上，串口3經(jīng)過(guò)雙向開(kāi)關(guān)來(lái)選擇連接到RS485通信口還是RS232通信口，單片機(jī)與紅外芯片及485通信口之間放置LED燈，用來(lái)顯示當(dāng)前此芯片的工作狀態(tài)，方便實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)還起到了故障報(bào)警的作用。

2．3軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中選用支持IrDA的STM8L單片機(jī)，省去了轉(zhuǎn)換電路，只需要設(shè)置單片機(jī)中的相應(yīng)參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)紅外通信模塊的驅(qū)動(dòng)。其程序流程圖如圖4所示。軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的主要是在串口初始化時(shí)要將紅外所對(duì)應(yīng)的串口設(shè)置為IrDA模式，并使能紅外無(wú)線通信功能。

3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試

數(shù)據(jù)通信的主要關(guān)注點(diǎn)就是通信的誤碼率、角度、有效距離以及波特率等。誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)，其公式為:誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)×100%。本設(shè)計(jì)的模塊在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，誤碼的產(chǎn)生主要與紅外數(shù)據(jù)通信模塊之間的距離以及角度有關(guān)，因此針對(duì)不同角度以及不同距離所產(chǎn)生的誤碼率做出實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中將通信波特率設(shè)置為紅外數(shù)據(jù)通信可接受的最高波特率115200。總共測(cè)試10次，每次發(fā)送100Byte十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值處理之后如表1、表2所示。由圖5可知，當(dāng)2紅外模塊距離小于120cm時(shí)，數(shù)據(jù)能夠無(wú)誤碼地傳輸;模塊距離在140～190cm范圍時(shí)，接收模塊能夠接收到數(shù)據(jù)，但接收的是亂碼或者數(shù)據(jù)接收不全;當(dāng)距離大于200cm時(shí)，接收模塊完全接收不到數(shù)據(jù)。由圖6可知，當(dāng)2模塊間的角度小于35°時(shí)，模塊之間數(shù)據(jù)能夠無(wú)誤碼地傳輸;當(dāng)2模塊間角度在40°～60°范圍內(nèi)時(shí)，接收模塊接收到的數(shù)據(jù)為亂碼或者數(shù)據(jù)接收不全;當(dāng)角度大于60°，接收模塊完全接收不到數(shù)據(jù)。由測(cè)試結(jié)果可知，本設(shè)計(jì)紅外通信模塊可以在35°、120cm的范圍內(nèi)無(wú)誤碼的有效傳輸。采用RS485級(jí)聯(lián)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)100m內(nèi)紅外信號(hào)的全覆蓋，并且可以實(shí)現(xiàn)不同房間之間的數(shù)據(jù)通信。

4結(jié)論

本設(shè)計(jì)中的紅外芯片支持波特率高115．2kb/s。通信有效距離達(dá)到120cm，通信角度在35°左右。在1條通信線路中采用多節(jié)點(diǎn)紅外通信方式提高紅外通信的距離，彌補(bǔ)了紅外無(wú)線通信距離短的問(wèn)題，不僅提高了紅外通信的距離，而且還可以在任意節(jié)點(diǎn)采集信號(hào)的傳輸狀況，檢測(cè)信號(hào)在傳輸過(guò)程中的誤碼率。測(cè)試過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)間最大距離可以達(dá)到160cm。能滿足一般的室內(nèi)無(wú)線傳輸，若要將其應(yīng)用于長(zhǎng)距離通信，則只需將各模塊級(jí)聯(lián)起來(lái)，各模塊可以采用單一供電，也可以采用統(tǒng)一供電方式，在實(shí)際工作時(shí)只需將本模塊的開(kāi)關(guān)打開(kāi)，讓其正常工作即可。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，應(yīng)用范圍廣。主要有功耗低、速率高、安裝與攜帶方便、可級(jí)聯(lián)、通信距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在無(wú)線電通信泛濫的今天可以很好地解決電磁信號(hào)干擾的問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用時(shí)性能穩(wěn)定，效果良好。

作者：宋磊磊楊暉楊海馬于小強(qiáng)李軍胡恒慶施豪杰V.Zivkovic單位：上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院上海理工大學(xué)上海市現(xiàn)代光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室阿德雷德大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院