IrDA器件及其應用電路設計

關(guān)鍵詞：紅外數據傳輸 紅外檢測 IrDA 編/解碼 調制/解調

引 言

??紅外數據傳輸，成本低廉、連接方便、簡(jiǎn)單易用、結構緊湊，在小型移動(dòng)設備中得到了廣泛的應用。近年來(lái)，很多著(zhù)名半導體廠(chǎng)商，如Agilent、Vishay、Sharp、Zilog、Omron等，相繼推出了許多遵循同一規范的不同類(lèi)型的器件。本文就IrDA紅外數據傳輸、各種IrDA器件的構成及其不同類(lèi)型的紅外通信電路設計進(jìn)行綜合闡述。

1 紅外數據傳輸及其規范簡(jiǎn)介

　　紅外數據傳輸，使用傳播介質(zhì)――紅外線(xiàn)。紅外線(xiàn)是波長(cháng)在750nm~1mm之間的電磁波，是人眼看不到的光線(xiàn)。紅外數據傳輸一般采用紅外波段內的近紅外線(xiàn)，波長(cháng)在0.75μm~25μm之間。紅外數據協(xié)會(huì )成立后，為保證不同廠(chǎng)商的紅外產(chǎn)品能獲得最佳的通信效果，限定所用紅外波長(cháng)在850nm~900nm。

　　IrDA是國際紅外數據協(xié)會(huì )的英文縮寫(xiě)，IrDA相繼制定了很多紅外通信協(xié)議，有側重于傳輸速率方面的，有側重于低功耗方面的，也有二者兼顧的。IrDA1.0協(xié)議基于異步收發(fā)器UART，最高通信速率在115.2kbps，簡(jiǎn)稱(chēng)SIR(Serial Infrared，串行紅外協(xié)議)，采用3/16 ENDEC編/解碼機制。 IrDA1.1協(xié)議提高通信速率到4Mbps，簡(jiǎn)稱(chēng)FIR(Fast Infrared，快速紅外協(xié)議)，采用4PPM (Pulse Position Modulation，脈沖相位調制)編譯碼機制，同時(shí)在低速時(shí)保留1.0協(xié)議規定。之后，IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的協(xié)議，簡(jiǎn)稱(chēng)VFIR(Very Fast Infrared，特速紅外協(xié)議)。

　　IrDA標準包括三個(gè)基本的規范和協(xié)議：紅外物理層連接規范IrPHY(Infrared Physical Layer Link Specification)，紅外連接訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議IrLAP (Infrared Link Access Protocol) 和紅外連接管理協(xié)議IrLMP(Infrared Link Management Protocol)。IrPHY規范制定了紅外通信硬件設計上的目標和要求；IrLAP和IrLMP為兩個(gè)軟件層，負責對連接進(jìn)行設置、管理和維護。在IrLAP和IrLMP基礎上，針對一些特定的紅外通信應用領(lǐng)域，IrDA還陸續發(fā)布了一些更高級別的紅外協(xié)議，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等等。[1~3]

　　紅外傳輸距離在幾cm到幾十m，發(fā)射角度通常在0~15，發(fā)射強度與接收靈敏度因不同器件不同應用設計而強弱不一。使用時(shí)只能以半雙工方式進(jìn)行紅外通信。

　　在此把符合IrDA紅外通信協(xié)議的器件稱(chēng)為IrDA器件，符合SIR協(xié)議的器件稱(chēng)為SIR器件，符合FIR協(xié)議的器件稱(chēng)為FIR器件，符合VFIR協(xié)議的器件稱(chēng)為VFIR器件。

2 紅外數據傳輸的基本模型

紅外數據傳輸可用圖1簡(jiǎn)單表示。

3 IrDA器件的類(lèi)型劃分[3~8]

　　根據圖1所述模型，把IrDA器件劃分類(lèi)型，如圖2所示。

　　根據傳輸速率的大小，可以把IrDA器件區分為SIR、FIR、VFIR類(lèi)型。如Vishay的紅外收發(fā)器，TFDU4300是SIR器件，TFDU6102是FIR器件，TFDU8108是VFIR器件。

　　根據應用功耗的大小，可以把IrDA器件區分為標準型和低功耗型。低功耗型器件，通常使用1.8~3.6V電源，傳輸距離較小(約20cm)，如Agilent的紅外收發(fā)器HSDL-3203。標準型器件，通常使用DC5V電源，傳輸距離大(在30cm~幾十m)，如Vishay的紅外接收器TSOP12xx系列，配合其發(fā)射器TSAL5100，傳輸距離可達35m。

　　使用上述三種分類(lèi)方法，可以清晰地表明一個(gè)IrDA紅外器件的性能。如Agilent的SIR標準型紅外收發(fā)器HSDL-3000。

4 IrDA器件的構成及其使用[3~8]

4.1 紅外發(fā)送器件

　　紅外發(fā)送器大多是使用Ga、As等材料制成的紅外發(fā)射二極管，其能夠通過(guò)的LED電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大；發(fā)射強度越大，紅外傳輸距離就越遠，傳輸距離正比于發(fā)射強度的平方根。有少數廠(chǎng)商的紅外發(fā)送器件內置有驅動(dòng)電路。該類(lèi)器件的構成如圖3所示。

　　紅外發(fā)送器件在使用時(shí)通常需要串聯(lián)電阻，用以分壓限流。

4.2 紅外檢測器件

　　紅外檢測器件的主要部件是紅外敏感接收管件，有獨立接收管構成器件的，有內含放大器的，有集成放大器與解調器的。后面兩種類(lèi)型的紅外檢測器件構成如圖4所示。

　　接收靈敏度是衡量紅檢測器件的主要性能指標，接收靈敏度越高，傳輸距離越遠，誤碼率越低。

　　內部集成有放大與解調功能的紅外檢測器件通常還含有帶通濾波器，這類(lèi)器件常用于固定載波頻率(如40kHz)的應用。

4.3 紅外收發(fā)器件

　　紅外收發(fā)器件集發(fā)射與接收于一體。通常，器件的發(fā)射部分含有驅動(dòng)器，接收部分含有放大器，并且內部集成有關(guān)斷控制邏輯。關(guān)斷控制邏輯在發(fā)送時(shí)關(guān)斷接收，以避免引入干擾；不使用紅外傳輸時(shí)，該控制邏輯通過(guò)SD引腳接受指令，關(guān)斷器件電源供應，以降耗節能。使用器件時(shí)需要在LED引腳接入適當的限流電阻。大多數紅外收發(fā)器件帶有屏蔽層。該層不要直接接地，可以通過(guò)串聯(lián)一磁珠再接地，以引入干擾影響接收靈敏度。紅外收發(fā)器件的構成如圖5所示。

4.4 紅外編/解碼器件

　　編/解碼，英文簡(jiǎn)稱(chēng)ENDEC，即實(shí)現調制/解調。編/解碼機制，SIR器件多采用3/16 ENDEC，FIR器件多采用4PPM ENDEC。在此解釋一下3/16 ENDEC，其它可參閱有關(guān)資料。3/16 ENDEC，即把一個(gè)有效數字位(bit)時(shí)間段，劃分為16等分小時(shí)間段，以連續3個(gè)小時(shí)間段內有無(wú)脈沖表示調制/解調信息。紅外編/解碼器件，需要從外部接入時(shí)鐘或使用自身的晶體振蕩電路，進(jìn)行調制或解調。

　　紅外編/解碼器件，有單獨編碼的集成器件，如鍵盤(pán)遙控紅外編碼器Mitsubishi的M50462AP；也有集編碼/解碼于一體的，這類(lèi)器件較為多見(jiàn)，其構成如圖6所示。

4.5 紅外接口器件

　　紅外接口器件，實(shí)現紅外傳輸系統與微控制器、PC機或網(wǎng)絡(luò )系統的連接。設計中經(jīng)常使用的器件有UART串行異步收發(fā)器件、USB接口轉換器件等。

　　USB接口器件，實(shí)現紅外收發(fā)與PC機的USB連接。集成度較高的USB接口器件如SigmaTel的STIr4200。STIr4200全兼容IrDA1.3和USB1.1，IrDA速率在2.4k~4Mbps，內含有紅外編/解碼器和4KB的FIFO緩存，20/28腳封裝，可直接相聯(lián)標準的IrDA收發(fā)器件，其構成如圖7所示。

5 常用紅外數據傳輸電路設計[3~9]

5.1 家電紅外遙控收發(fā)電路的設計

　　彩電、空調、VCD等家用電器的遙控收發(fā)，是單向傳輸，通信距離通常在3~5m，調制/解調的載波頻率通常在36~40kHz，可用“集成鍵盤(pán)編碼IC+帶驅動(dòng)的紅外發(fā)射管”構成發(fā)射遙控器，用“帶放大與解調功能的紅外檢測器”構成接收端，接收后的信息可直接送給簡(jiǎn)易單片機(如AT89C2051)，由單片機通過(guò)軟件進(jìn)行遙控功能識別并產(chǎn)生相應動(dòng)作。

　　圖8是一個(gè)通用的家電遙控收發(fā)電路框圖。

5.2 PC機簡(jiǎn)易紅外收發(fā)裝置設計

　　現在的筆記本電腦、掌上電腦、移動(dòng)手機等，常常集成有含編/解碼功能(38kHz載波)的5針紅外接口；可以很容易地設計電路，給PC機配上紅外收發(fā)裝置，無(wú)須考慮調制/解調。

　　5針紅外接口插座引腳定義了：一對電源腳Vcc和GND，一對收發(fā)接口IrTx(紅外發(fā)射端)和IrRx(紅外接收端)，有一針NC未定義。

　　根據IrDA異步串行通信有關(guān)標準，IrTx引腳能提供 >6.0mA的輸出電流，IrRx引腳在吸收1.5 mA電流時(shí)就能對輸入信號作出反應。依此可以設計出如圖9(a)所示的簡(jiǎn)易紅外收發(fā)裝置。為進(jìn)一步提高收發(fā)傳輸能力，可在發(fā)射端增加驅動(dòng)，在接收端增加放大。這樣做，分立元件過(guò)多，電路不夠簡(jiǎn)潔。為簡(jiǎn)化電路，可以使用帶有驅動(dòng)和放大能力的紅外收發(fā)器件。圖9(b)就是用Zilog的紅外收發(fā)器ZHX1010構成的簡(jiǎn)易收發(fā)裝置。

　　給PC機加上紅外收發(fā)裝置后，需要對系統做如下設置：在BIOS中打開(kāi)紅外線(xiàn)接口，在使用時(shí)于設備管理器中啟動(dòng)“紅外線(xiàn)監視器”。通常，PC機紅外接口與其COM2口共用同一地址和中斷，打開(kāi)了紅外接口，COM2口就不能再使用了。

5.3 RS232-IrDA紅外收發(fā)電路設計

　　這種類(lèi)型電路工作在異步串行通信方式下，可以直接采用“UART電平轉換器件 + 紅外編/解碼器件 + 紅外收發(fā)器件”構成。圖10是一個(gè)設計舉例，圖中器件使用了Maxim的MAX232。MAX232完成RS232信號電平到標準數字信號電平(如5V系統)的轉換，HSDL-7000是紅外編/解碼器。

5.4 USB-IrDA紅外收發(fā)電路設計

　　設計這種類(lèi)型的電路，最簡(jiǎn)捷的途經(jīng)就是使用USB-IrDA接口器件。圖11是采用SigmaTel的STIr4200接口器件的一個(gè)設計舉例。STIr4200有一個(gè)可選擇的外部增強性發(fā)射端口，如果要增強紅外傳輸能力(如傳輸距離)，可在該端口增加發(fā)射管。對于STIr4200，SigamTel提供有各種Windows版本的驅動(dòng)程序，使用十分方便。

5.5 微控制器-IrDA紅外收發(fā)電路設計

　　現在很多微控制器，內部集成有UART單元及其接口，支持IrDA標準，并可以直接與紅外收發(fā)體系連接。圖12是這類(lèi)電路設計的一個(gè)舉例。圖中MCP2120是Microchip的紅外可編程波特率編/解碼器件。

　　有些微控制器，如80C51單片機，雖然內含有UART，卻不支持IrDA標準或高速通信，不能直接相連紅外收發(fā)體系。還有些微控制器，雖然所含的UART可以直接連接紅外收發(fā)體系，但UART已用于其它目的。此時(shí)，可以選用UART接口器件。圖13是80C51通過(guò)Maxim的MAX3110連接紅外收發(fā)體系的，80C51單片機沒(méi)有SPI接口。這里使用其I/O口，通過(guò)軟件模擬SPI工作機制。MAX3110有一個(gè)收發(fā)傳輸中斷腳，十分有利于軟件編制。

6 紅外數據傳輸電路設計的注意事項

① 要做好紅外器件的選型。要求傳輸快速時(shí)，可選擇FIR、VFIR收發(fā)器與編/解碼器。要求長(cháng)距離傳輸時(shí)，可選擇大LED電流、小發(fā)射角發(fā)射器和靈敏度高的接收檢測器。低功耗場(chǎng)合應用時(shí)，可選取低功耗的紅外器件。要注意低功耗與傳輸性能之間存在著(zhù)矛盾：通常低功耗器件，傳輸距離很小。這一點(diǎn)在應用時(shí)應該綜合考慮。

② 紅外數據傳輸是半雙工性質(zhì)的。為避免自身產(chǎn)生的信號干擾自身，要確保發(fā)送時(shí)不接收，接收時(shí)不發(fā)送，可以著(zhù)眼于軟件設計，使軟件在一種狀態(tài)時(shí)暫不理會(huì )另一種狀態(tài)；同時(shí)要合理設置好收發(fā)之間的時(shí)間間隔,不立即從一種方式轉入另一種方式。

③ 要合理設計好各種紅外器件的供電電路，選擇適當的DC-DC器件，恰當地進(jìn)行電磁抑制，做好電源濾波。同時(shí)還要注意盡可能減少功耗，不使用紅外電路時(shí)要在軟件上能夠控制關(guān)閉其供電。很多廠(chǎng)家對自己推出的紅外器件都有推薦的電路設計，要注意參考并實(shí)驗。

④ PCB設計時(shí)，要合理布局器件。濾波電感、電容等要就近器件放置，以確保濾波效果；紅外器件與系統的地線(xiàn)要分開(kāi)布置，僅在一點(diǎn)相連；晶體等振蕩器件要靠近所供器件，以減少輻射干擾。

⑤ 增大紅外傳輸距離、提高收發(fā)靈敏度的方法：增加發(fā)射電路的數量，使幾只發(fā)射管同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送；在接收管前加裝紅色濾光片，以濾除其它光線(xiàn)的干擾；在接收管和發(fā)射管前面加凸透鏡，提高其光線(xiàn)采集能力等等。