基于A(yíng)T89S52型單片機的紅外無(wú)線(xiàn)PPM發(fā)射機設計

在工業(yè)和生活環(huán)境中，便攜式信息終端設備的出現加速了無(wú)線(xiàn)數字通信線(xiàn)路和局域網(wǎng)的引進(jìn)，然而，由于無(wú)線(xiàn)電的局限性，使它在無(wú)線(xiàn)高速數據鏈路應用方面受阻。在此情況下紅外（ir）無(wú)線(xiàn)光通信得到人們的重視[1]。作為一種室內短距離通信的傳輸介質(zhì)，ir具有勝過(guò)無(wú)線(xiàn)電的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)：ir有巨大的帶寬且不需許可證，可以進(jìn)行高速數據傳輸；ir不穿透墻壁，因而消除了在不同房間進(jìn)行通信時(shí)可能帶來(lái)的干擾，而且通信時(shí)不容易被偵聽(tīng)，提高了通信的安全性；ir探測器的尺寸比ir無(wú)的波長(cháng)大得多，避免了多徑衰落；ir可強度調制，ir通信設備比無(wú)線(xiàn)電通信設備要便宜簡(jiǎn)單得多。

對室內無(wú)線(xiàn)電局域網(wǎng)，要求紅外數據鏈路的峰值-平均光功率比高，高峰值功率可提高系統的靈敏度，低平均功率可滿(mǎn)足人眼安全和低功耗的要求，脈沖位置調制（ppm）通信方式就符合這些要求，目前，ppm已被ieee無(wú)列入無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)ieee802.11標準。用純硬件設計實(shí)現ppm光發(fā)射機是比較復雜和困難的，筆者利用功能強大的at89s52型單片機和編程軟件vc++設計了一種基于計算機串口和的紅外無(wú)線(xiàn)ppm發(fā)射機。at89s52通過(guò)串口從計算機獲取數據，編碼得到脈沖寬度調制（pwm）信號后通過(guò)輸出端口輸出，輸出的pwm信號經(jīng)過(guò)波形轉換電路得到ppm電脈沖信號，再通過(guò)光源驅動(dòng)電路轉換為ppm光脈沖信號，從而完成紅外無(wú)線(xiàn)ppm發(fā)射機的設計。

2 ppm信號格式

ppm采用斷續的周期性光脈沖作為載波，調制信號受到信源二進(jìn)制符號地控制，脈沖的時(shí)間位置隨之發(fā)生變化而傳遞信息，ppm信號結構如圖1所示，在數字ppm通信中，同步是至關(guān)重要的。為了實(shí)現幀同步，應在傳送信息幀之前發(fā)送一次幀同步頭，為接收端提供同步信息，同時(shí)在信息幀的前面和后面分別安排2個(gè)標志幀以表示信息的開(kāi)始和結束，這樣接收機捕獲到同步信號和起始標志符后，開(kāi)始解調隨后的脈沖信號，直到接收到結束標志，表明數據接收完畢。

每一個(gè)信息幀又分為信息段和保護段（由光源和信道的特性決定），共m個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的寬度為ts，其中前q個(gè)時(shí)隙為信息段tq=（qts），后d個(gè)時(shí)隙為保護段td=（dts）。對q元ppm，平均光功率為pa，光脈沖峰值功率為qpa，又一幀表示log2q位的二進(jìn)制信息，因此數據傳輸速率r為

r=log2q/t=log2q/mts=log2q/(q+d)tsbit/s （1）

其中，t為一幀的時(shí)間長(cháng)度。

在t不變的條件下，ppm的傳信率和峰值功率隨時(shí)隙數q增大，但是q值過(guò)大，也就是一幀分成的時(shí)隙數過(guò)多，會(huì )給信號的傳輸和解調帶來(lái)困難，信息和q值成對數關(guān)系，例如，當q=256時(shí)，一個(gè)脈沖表示8比特信息，而q=512表示9比特信息，由此可見(jiàn)，q較大時(shí)，脈沖攜帶的信息量隨q值的增大并沒(méi)有明顯增加，綜合考慮以上情況和實(shí)際設計需要，筆者采用q=16的ppm調制方式，時(shí)隙寬度ts設為15μs。

3 at89s52的特點(diǎn)

at89s52是一種低功耗、高性能cmos 8位單片機，片內含8kb isp（in-system programmable）的可反復擦寫(xiě)1000次的flash只讀程序存儲器、該器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造、兼容標準mcs-51指令系統及80c51引腳結構。片內集成了通用的8位cpu和isp flash為存儲單元，可為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、高性?xún)r(jià)比的解決方案。

ta89s52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8kb flash片內程序存儲器，256 bytes的隨機存儲數據存儲器（ram），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）口，1個(gè)6向量2級中斷結構；3個(gè)16位可編程定時(shí)計數器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗（wdt）電路和片內時(shí)鐘振蕩器。

此外，at89s52設計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過(guò)軟件設置的省電模式。在空閑模式下，cpu暫停工作，而ram、定時(shí)計數器、串行口、外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存ram的數據，禁止電路的其他功能直至外中斷激活或硬件復位。同時(shí)該電路還具有pdip、tqfp和plcc等封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的設計要求。

4 硬件設計

紅外線(xiàn)ppm發(fā)射機由at89s52型單片機與計算機的串行通信電路，pwm到ppm波形轉換電路和光源驅動(dòng)電路構成，其系統結構框圖如圖2所示。

4.1 串行通信電路

為了能使單片機和計算機通信，必須使其遵循相同的通信協(xié)議，at89c51的串行口輸入/輸出為ttl邏輯電平，抗干擾性較差，而計算機的串行接口是符合eia rs-232c規范的外部總線(xiàn)標準接口，具有較強的抗干擾性，為了解決電平不一致的矛盾，該系統設計選用了maxim公司的max232型電平轉換器實(shí)現電平轉換，max232屬于通用串行接收/發(fā)送驅動(dòng)器，其外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需外接4個(gè)0.1μf的電容器。

at89s52具有串行通信接口（sci），sci是能與計算機等外設通信的全雙工異步系統，at89s52與計算機采用rs-232c接口方式，這種方式下，sci采用標準的不歸零（nrz）格式，開(kāi)始是1位起始位，以邏輯“0”表示，接著(zhù)是8位數據位，最后是1位停止位，以邏輯“1”表示故一次傳送據長(cháng)度為10比特，計算機發(fā)送數據，at89s52接收數據，at89s52將接收到的數據進(jìn)行pwm編碼，得到幀周期固定，而脈沖寬度隨外部信號不斷變化的pwm信號，然后通過(guò)p1.0端口輸出。

4.2 波形轉換電路

經(jīng)過(guò)單片機編碼輸出的pwm信號經(jīng)過(guò)一個(gè)下降沿觸發(fā)器即可得到ppm脈沖信號，波形轉換如圖3所示[7]。當p1.0端口輸出的信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，觸發(fā)器的輸出端產(chǎn)生所需的ppm脈沖信號，其脈沖寬度由外部定時(shí)電路決定。

4.3 驅動(dòng)電路

對于無(wú)線(xiàn)紅外通信系統來(lái)說(shuō)，半導體發(fā)光二極管（led）是可以選用的最佳光源，筆者采用帶有溫度補償特性的射極耦合led驅動(dòng)電路[8]，該電路看上去像一個(gè)線(xiàn)性差分放大器，實(shí)際上是一個(gè)電流開(kāi)關(guān)電路，ppm信號加在驅動(dòng)電路的輸入端，當ppm信號的電位低于設定的參考電位時(shí)，led無(wú)脈沖電流通過(guò)，led不發(fā)光；反之，脈沖電流通過(guò)led而使led發(fā)光。如圖4所示，注入電流if相等的條件下，led的輸出光功率p隨著(zhù)溫度的上升而下降，所以設計中采用溫度補償電路進(jìn)行溫度補償，當溫度升高時(shí)，led的注入電流也隨之增加，從而補償led的功率變化。

5 軟件設計

5.1 計算機軟件編程

計算機的主要作用是通過(guò)串口傳送源數據給單片機。

利用visual c++編制串行通信程序一般有3種方法：調用microsoft win32應用程序接口（api）提供的串行通信函數，利用vc++的mfc類(lèi)庫函數實(shí)現；用active x通信控件（mscomm）開(kāi)發(fā)串口通信程序，筆者利用vc++提供的mscomm控件來(lái)實(shí)現計算機與單片機之間的串行通信，利用vc++的通信控件mscomm進(jìn)行軟件設計只需對串口進(jìn)行簡(jiǎn)單的設置即可。程序實(shí)現非常簡(jiǎn)單，結構清晰，在windows環(huán)境下，串口是系統資源的一部分，應用程序要使用串口進(jìn)行通信，必須在使用之前向系統提出資源申請要求（打開(kāi)串口），通信完成后必須釋放資源（關(guān)閉串口）。

5.2 單片機軟件編程

單片機的主要作用是從發(fā)送端（計算機）接收數據，并對接收到的數據進(jìn)行pwm編碼，然后通過(guò)輸出端口輸出，單片機部分的編程主要由串口初始化子函數，接收數據子函數和pwm信號發(fā)送子函數組成。

5.2.1 串口初始化子函數

使用串口之前，應動(dòng)其進(jìn)行初始化，初始化程序如下：

5.2.2 接收數據子函數

接收數據流程如圖5所示，程序如下：

5.2.3 pwm發(fā)送信號子函數

pwm信號發(fā)送包括發(fā)送pwm編碼后的同步頭、起始標志符、接收的數據和結束標志符、下面重點(diǎn)討論對接收的數據進(jìn)行編碼及發(fā)送，其流程如圖6所示，程序如下：

6 結束語(yǔ)

紅外通信為構建高速寬帶室內無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)提供了新的選擇。ppm的脈沖峰值功率與平均功率之比很高，可以有效減小平均輻射功率和提高接收靈敏度，筆者設計的紅外無(wú)線(xiàn)ppm發(fā)射機利用單片機實(shí)現ppm調制，具有電路結構簡(jiǎn)單、調試容易、可靠性高、精度高、成本低和功耗低的優(yōu)點(diǎn)，由于設計中只采用了單只紅外led作為光源，輸出功率不大，而且受輻射角的限制，通信具有方向性，可以考慮采用多只紅外led構成發(fā)射陣列來(lái)增加發(fā)射功率和輻射范圍。