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1、1红外数据通信系统的设计摘要本文简要介绍了红外数据通信的原理，基于此原理设计了一种应用于单片机系统的红外串行数据通信系统，并针对红外传输中出现的外部光源干扰和发送距离偏短的问题，提出了一系列改进措施(如二次调制、透镜聚焦等)。关键词: 红外通信、发射、接收，串行通信，单片机AbstractThe principle of Infrared-communication is introduced in this paper, a system of Infrared-serial-data-communication applied to SCM is designed based on thi
2、s principle.Aim at the problem occurred in the process of Infrared-transmission, we refer to a serial of improvements (such as remodulation, lens focus.etc). The problem are the exterior light disturbing and short transmission range. Keywords: Infrared-communication, transmit, receive, serial-commun
3、ication, MCU2前言信息时代，通信技术的发展总是走在各种技术的最前沿。随着各种手持式信息终端设备在我们的工作、生活中出现，如 PDA、掌上电脑、手持式测量仪器等，无线通信这种比传统的有线通信更加方便自由的通信方式逐渐被人们重视。随之而来的，是各种无线通信技术的研发，多种通信协议的竞相产生。红外通信作为一种无连接导线的传输方式，正在得到日益广泛的应用，从家用电器到计算机辅助设备都不断有新产品出现。红外发射接收装置电路简单，易于实现，对空气污染小。在某些应用场合，比无线电射频通信具有更好的综合效果。红外无线通信在我国古代已有应用，只是比较简单。在第一次世界大战中德国就研制并运用了红外通信
4、。第二次世界大战中美国、日本、苏联也都使用过红外无线通信。但在这漫长的时间里，由于红外无线通信系统光源均为热辐射源，调制困难，接收器件又是光电池，内部噪声很大，影响了通信距离和可靠性，故发展很慢。近年来由于微电子技术的发展，辐射器件和接收器件已为半导体器件所代替，又由于它具有无需敷设线路、保密性好、抗干扰能力强、价格低廉、设备简单、适应性强、便于移动等独特的优点，再加上近年来办公室自动化、家庭电器化、宽频带通信的迫切需要，红外无线通信才又引起各国的普遍重视和发展。在一些需要数据交换的场合，但数据量不是很大，实时性要求不是很高的情况下，使用红外通信方式，即可以得到无绳化通信带来的便利，又可以避开
5、采用无线电高频电路可能引发的一些问题。家用电器的遥控器，计算机的遥控键盘和遥控鼠标以及便捷式数据收集装置（媒水电表的登录器、报税机）与主机的数据交换等都可以使用红外方式。3第一章 红外通信的基本概念1.1 红外基础理论1672 年，人们发现太阳光（白光）是由各种颜色的光复合而成，同时，牛顿做出了单色光在性质上比白色光更简单的著名结论。使用分光棱镜就把太阳光（白光）分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。1800 年，英国物理学家 F.W. 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线。他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯一的窗户用暗板堵住，并在板上开了一个矩形孔，孔内装一个分光棱
6、镜。当太阳光通过棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。为了与环境温度进行比较，赫胥尔用在彩色光带附近放几支作为比较用的温度计来测定周围环境温度。试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：放在光带红光外的一支温度计，比室内其他温度的批示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线” ，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广
7、阔道路。红外线的波长在 0.76100m 之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布
8、相应的热像图。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。1.2 红外通信的定义及系统组成红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接4收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。1.2.1 红外发射器红外发射器的功能是完成信号的电光变换，向空间发射出红外脉冲。红外发射器的关键部件是红外发光二极管和相应的驱动电路。红外 LED 器件首先应满足其调制带宽大于信号的频谱宽度，保证通信线路畅通。此外 LED 的发射波长应与接收机光电探测器(一般选用硅光
9、二极管) 的峰值响应率相符合，最大程度地抑制背景杂散光干扰，现阶段一般选用 780950nm 的波段。同时，红外无线通信系统的信噪比与发射器发射功率的平方成正比，所以适当提高红外发射器的发射功率可以降低误码率，提高通信质量。另外为保证红外发射电路工作点的稳定，应增加适当的温控和光控措施。1.2.2 红外接收器红外接收器是从空间接收红外脉冲并进行光电变换，之后对信号进行解调、判决 、解码等。在红外无线通信系统中，由于红外发射器的发射功率较小，而且信号是无线传输，易受外界环境的影响，这些因素导致红外接收器接收到的信号很弱，并且电平变化范围较大。因此，低噪声的前置放大器设计和自适应的码元判决电路是该
10、部分设计的重点。低噪声的前放一般选用输入阻抗较高的跨导放大器，它的动态范围大，频带较宽。自适应的码元判决电路能自适应跟踪输入信号的电平的变化，得到最佳的阈值电平，并根据此阈值电平对信号进行判决，使之变换为数字电平。之后进行解码，恢复出原始信号。1.3 红外线通信的特点红外通信采用红外线作为通信载体，一般采用 0.9um 波长左右的红外线。调制方式一般采用 ASK、 QPSK、PPM 等，传输速率为 2.4kps16Mbps。红外线方式是电波法试用法规以外的方式，在通信速率和调制方式方面享有充分的自由。红外线在短距离、室内应用中有较大的优势。红外通信成本低、速率快，而且它的带宽几乎不受限制。红外
11、线波长与可见光接近，它不能穿透不透明的障碍物，所以红外传输被限制在同一个房间内，但这种局限性却使通信的安全性增强，也避免了不同房间的交叉干扰。要想在多个房间之间进行通信，就得通过有线途径增加红外接入点(Access point)。红外线易受环境噪声的影响，如太阳光、电灯等。红外探测器的信躁比正比与接收光功率的平方，为了提高信躁比，降低误码率，就必须增大发射功率。我们把无线电波和红外线两种传输媒介的有关参数进行了比较，可以明显地看出红外线的特点，如表 1.1。5表 1.1 无线电波通信和红外线通信无线电波 红外线 红外结论带宽限制穿墙能力多路衰减多路失真路径损耗主要干扰源输入 X(t)信躁比参数
12、平均功率有能有有高其它用户电流 dtX2)(无无无有高背景光功率 dt2)(无须通过认证覆盖范围小，安全性强链路设计简单有效通信距离小难以在室外使用传输功率高由表 1.1 可看出红外通信方式保密性强，信息容量大，结构简单，既可以是室内使用，也可以在野外使用，由于它具有良好的方向性，适用于国防边界哨所与哨所在之间的保密通信， 但在野外使用时易受气候的影响。在室外或有阳光照射的环境下由于有大量红外线， 而在接近电灯光的地方会有大量紫外光，在这两个情况下都会减低红外线作为通信媒介时的最大通信距离。所以使用者应尽量避免在上述的环境下使用红外线通讯，并尽量让正在进行通信的两部主机的发信装置直接相向，这亦
13、有助减低通信时资料传递错误的情况出现。1.4 红外通信的原理红外通信利用 950nm 近红外波段的红外线作为通信载体，来进行通信。发送端采用脉冲调制（PPM）方式，将二进制调制成某一频率的脉冲序列，并利用该脉冲序列驱动红外线发射管以光脉冲的形式向外发射红外光；而接收端将接收到的光脉冲信号转化成电信号，再进行放大、滤波、解调处理后还原成二进制电信号。原理图如图 1.1 所示。6图 1.1 红外通信原理对于发送端来说，当无红外脉冲发射时，发送的是二进制数据“1”；而有红外脉冲发射时发送的是二进制数据“0”。而对于接收端来说，没有接收到红外光则认为是“1”；接收到则认为是“0”。7第二章 红外数据通
14、信系统的设计2.1 红外通信电路的设计红外无线通信系统设计时应考虑的问题如下：由于诸如太阳光、荧光灯、工频电源、热源及暗电流均可产生噪声或无用的调制，因而在设计时对以上干扰和其它无用背景辐射所引起的噪声，必须给以足够的重视。2.1.1 发射电路的设计 1发射电路接收时的考虑：为了提高抗干扰能力和发射效率，应采用调制技术。首先用信号调制副载波，然后再对光波进行二次调制，可采用调频制，也可采用调幅制等模式。在发光二极管前附加适当的薄膜滤波片也是很有必要的。由于目前红外发光二极管价格较高，设计时应保证发光二极管不超过它的最大允许功耗，也还可以采用过载保护电路，如图 2.1 所示。光发射级的晶体管 B
15、G2 和电阻 R2图 2.1 发射及过载保护电路构成红外发光二极管保护电路，由于晶体管 BG2 偏置电阻 R2 很小，因此在正常工作情况下晶体管 BG2 截止，当流过 BG1 集电极电流突然增大，超过 BG1 极限值时，此电流在 R2 上的压降也增加，达到一定程度时 BG2 导通，对发光二极管起到分流作用，使流Vc发 射 信 号8过发光二极管的电流下降，从而起到对发光二级管的保护作用。若单管功率不足时，可采用多管串联、并联或串并联以提高其辐射功率，并采用光学天线，达到增加通信距离的目的。2.1.2 接收电路的设计接收电路设计时的考虑：首先要选择能将红外辐射转换成电流的探测器，为了确保质量，应选
16、用灵敏度高，结电容小而响应速度快的 PIN 器件，其次是对信号处理电路的噪声抑制也是接收电路要着重考虑的问题。二极管结电容不是固定值，它随入射光的功率大小而变化，随光强度的减少而增加。在偏压电阻选择不当时、照明条件改变时接收器的通带会产生噪声蠕动现象。 由于荧光灯的弧光通常每 10ms 熄灭并重新闪烁，它的噪声贡献有“岐点” ，因此经过调制的有效噪声频谱的范围很宽，这样就难以使频带内的噪声降低到最低限度。为了减少热噪声，可以选择电阻大的偏置电阻，但这又会增加荧光灯噪声，二者要适当兼顾。接收机带宽，目前国外一些研究成果就已规定了一些范围，所用信号的频带下限为10kHz，上限为 500kHz。经过仔细挑选所用元件，并经放大、滤波后，噪声电平可降到最低限度。由于光源较多、也较复杂，尽管采用以上方法还存在噪声时，可在接收机攻放之前，对于调频体制将更是必要的。2.2 红外数据通信系统 3根据上述要求，我们设计了一种应用与单片机系统的红外串行数据通信系统。单片机本身并不具备红外通信接口，但
