一種用于單片機的紅外串行通信接口

　　摘要：闡述紅外通信的基本工作原理；結合在單相電度表抄表系統中的具體應用，介紹一種適合單片機系統的紅外通信方案，設計具體的硬件接口電路，說(shuō)明其工作原理，給出應用于紅外通信的程序流程，并指出在實(shí)施過(guò)程中應注意的一些問(wèn)題。

    關(guān)鍵詞：單片機 紅外通信 串行接口 抄表系統

引言

　　在很多單片機應用系統中，常常利用非電信號（如光信號、超聲波信號等）傳送控制信息和數據信息，以實(shí)現遙控或遙測的功能。例如在單相電度表抄表系統中，就是使用手持抄表器通過(guò)遙控的方式，來(lái)完成電度表用電量的抄錄、設置表底數、電度表校時(shí)等工作。紅外通信具有控制簡(jiǎn)單、實(shí)施方便、傳輸可靠性高的特點(diǎn)，是一種較為常用的通信方式。實(shí)現單片機系統紅外通信的關(guān)鍵在于紅外接口電路的設計以及接口驅動(dòng)程序的設計。

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(xiàn)作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發(fā)送端采用脈時(shí)調制（PPM）方式，將二進(jìn)制數字信號調制成某一頻率的脈沖序列，并驅動(dòng)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換成電信號，再經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后送給解調電路進(jìn)行解調，還原為二進(jìn)制數字信號后輸出。

　　簡(jiǎn)而言之，紅外通信的實(shí)質(zhì)就是對二進(jìn)制數字信號進(jìn)行調制與解調，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制解調器。

2 紅外通信接口的硬件電路設計

　　單片機本身并不具備紅外通信接口，但可以利用單片機的串行接口與片外的紅外發(fā)射和接收電路，組成一個(gè)應用于單片機系統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、驅動(dòng)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(shí)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(lái)向外發(fā)射950nm的紅外光束。

　　紅外發(fā)送器的工作原理為：串行數據由單片機的串行輸出端TXD送出并驅動(dòng)T1管，數位“0”使T1管導通，通過(guò)T2管調制成38kHz的載波信號，并利用兩個(gè)紅外發(fā)射管D1和D2以光脈沖的形式向外發(fā)送。數位“1”使T1管截止，紅外發(fā)射管D1和D2不發(fā)射紅外光。若傳送的波特率設為1200bps，則每個(gè)數位“0”對應32個(gè)載波脈沖調制信號的時(shí)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(zhuān)用紅外接收模塊TSOP1738。該接收模塊是一個(gè)三端元件，使用單電源+5V電源，具有功耗低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高、對其它波長(cháng)（950nm以外）的紅外光不敏感的特點(diǎn)，其內部結構框圖如圖3所示。

　　TSOP1738的工作原理為：首先，通過(guò)紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38kHz的脈沖調制紅外光信號轉化為電信號，再由前放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理。然后，通過(guò)帶通濾波器和進(jìn)行濾波，濾波后的信號由解調電路進(jìn)行解調。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接收的準確性，要求發(fā)送端載波信號的頻率應盡可能接近38kHz，因此在設計脈沖振蕩器時(shí)，要選用精密元件并保證電源電壓穩定。再有，發(fā)送的數位“0”至少要對應14個(gè)載波脈沖，這就要求傳送的波特率不能超過(guò)2400bps。利用上述紅外收發(fā)電路構成的紅外信道最大通信距離為8m。

3 紅外通信的軟件設計

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(huì )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。這里設置單片機的串行口采用方式3通信；通信的數據格式為每幀11位，包括1位起始位、8位數據位、1位奇偶校驗位和1位停止位；片內定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器，選擇傳送的波特率為1200bps，則定時(shí)器T1的初值應設置為T(mén)L1=TH1=E8H，另外應禁止定時(shí)器T1中斷，以免因定時(shí)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系統的功能要求制訂某種特定的通信協(xié)議，然后才能編寫(xiě)相應的通信程序。例如在電度表抄表系統中，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 抄表系統的通信協(xié)議

3.3 單相電度表通信程序

　　在電度表抄表系統中，單相電度表接收命令是被動(dòng)的，因此它采用實(shí)時(shí)性的中斷方式進(jìn)行接收。在系統初始化程序中依據如前所述的通信方式，對串行口和定時(shí)器T1進(jìn)行相應的設置。

　　在中斷程序程序中按字節形式進(jìn)行接收，將接收到的字節存放在預先設定的緩沖區內，當接收到命令結束符后，則轉入命令處理并回送相應的信息。接收過(guò)程中若發(fā)現校驗錯誤，則停止接收并調用錯誤處理子程序，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(guò)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(dòng)的。它的具體工作過(guò)程為：CPU不斷掃描鍵盤(pán)，若發(fā)現有命令鍵按下，則調用發(fā)送子程序發(fā)送相應的操作命令；發(fā)送結束后即啟動(dòng)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)行后續處理。

結語(yǔ)

　　本文介紹的應用于單片機系統的紅外串行通信接口，具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低廉、編程方便、通信可靠性高的特點(diǎn)，實(shí)現了通信雙方非接觸式的數據傳送。在電度表抄表系統中，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(wèn)題。這種紅外通信方案也可用于其它遙控、遙測的單片機應用場(chǎng)合。