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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)計具體的硬件接口電路，說明其工作原理，給出應(yīng)用于紅外通信的程序流程，并指出在實施過程中應(yīng)注意的一些問題。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（如光信號、超聲波信號等）傳送控制信息和數(shù)據(jù)信息，以實現(xiàn)遙控或遙測的功能。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遙控的方式，來完成電度表用電量的抄錄、設(shè)置表底數(shù)、電度表校時等工作。紅外通信具有控制簡單、實施方便、傳輸可靠性高的特點，是一種較為常用的通信方式。實現(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)計以及接口驅(qū)動程序的設(shè)計。
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)送端采用脈時調(diào)制（PPM）方式，將二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，并驅(qū)動紅外發(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，再經(jīng)過放大、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)字信號后輸出。
簡而言之，紅外通信的實質(zhì)就是對二進(jìn)制數(shù)字信號進(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紅外信道的調(diào)制解調(diào)器。
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2 紅外通信接口的硬件電路設(shè)計
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；紅外發(fā)射管D1和D2選用Vishay公司生產(chǎn)的TSAL6238，用來向外發(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T1管，數(shù)位“0”使T1管導(dǎo)通，通過T2管調(diào)制成38kHz的載波信號，并利用兩個紅外發(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，則每個數(shù)位“0”對應(yīng)32個載波脈沖調(diào)制信號的時序，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、對其它波長（950nm以外）的紅外光不敏感的特點，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)制紅外光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再由前放大器和自動增益控制電路進(jìn)行放大處理。然后，通過帶通濾波器和進(jìn)行濾波，濾波后的信號由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)。最后，由輸出級電路進(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)送端載波信號的頻率應(yīng)盡可能接近38kHz，因此在設(shè)計脈沖振蕩器時，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”至少要對應(yīng)14個載波脈沖，這就要求傳送的波特率不能超過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
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)送的信號也可能會被本身接收，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位奇偶校驗位和1位停止位；片內(nèi)定時器T1作為波特率發(fā)生器，選擇傳送的波特率為1200bps，則定時器T1的初值應(yīng)設(shè)置為TL1=TH1=E8H，另外應(yīng)禁止定時器T1中斷，以免因定時器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
操 作 操作碼 地址碼 數(shù) 據(jù) 結(jié)束符 讀取表數(shù) AAH 3字節(jié)BCD碼 3字節(jié)BCD碼 EDH 設(shè)置表號 BBH - 3字節(jié)BCD碼 EDH 設(shè)置表底數(shù) CCH 3字節(jié)BCD碼 3字節(jié)BCD碼 EDH 開/關(guān)表設(shè)備 DDH 3字節(jié)BCD碼 A0H/B0H EDH 校驗出錯 EEH 3字節(jié)BCD碼 - EDH
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的，因此它采用實時性的中斷方式進(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，對串行口和定時器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。接收過程中若發(fā)現(xiàn)校驗錯誤，則停止接收并調(diào)用錯誤處理子程序，發(fā)送接收出錯的信息，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)送和接收都是主動的。它的具體工作過程為：CPU不斷掃描鍵盤，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)束后即啟動接收子程序，以接收電度表回送的信息，然后對接收到的信息進(jìn)行后續(xù)處理。
結(jié)語
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，具有硬件電路簡單、成本低廉、編程方便、通信可靠性高的特點，實現(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題。這種紅外通信方案也可用于其它遙控、遙測的單片機(jī)應(yīng)用場合。
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