基于凌陽SPCEO61A的紅外通信接口設計

0 引言
??? 隨著紅外技術的發展，紅外通信已經成為越來越普及的無線通信方式。紅外通信是以紅外線為載體來傳送數據信息，具有直觀、操作簡單、可靠性高、功耗低、抗干擾能力強、便于高速應用、空間接入靈活等優點，所以越來越受到重視。紅外通信接口在手持設備中應用尤為廣泛，本文提出了一種基于凌陽公司SPCE061A的紅外通信接口的設計方案，并具有以下功能：a．通信距離大于5m；b．傳輸速率為1500b／s；c．誤碼率小于0．5％。

1 紅外通信的原理
??? 紅外通信是利用950nm近紅外波段做為信息的載體來實現兩點之間的近距離保密通信和信息轉發，紅外通信的基本原理就是發送端將二進制信號調制成某一頻率的脈沖序列，通過驅動LED以光脈沖的形式將信號發射出去，接收端利用光電二極管將接收到的光脈沖轉換為電信號，再經過放大、濾波等環節處理后送給解調電路解調，還原為二進制數字信號輸出，紅外發射部分對一個紅外輻射源調制后發射紅外信號，接收部分是利用光學裝置和紅外探測儀進行接收。
??? 紅外發射電路是由電阻R2、三極管Q2、電阻R3與紅外發射二極管D1組成，如圖1所示。

??? 接收電路是由紅外接收管和放大電路組成，Q4接收到紅外信號后，經過三極管Q1進行一級放大，放大后的信號送入三極管Q3進行第二級放大，通過Rx輸出就可以得到放大后的紅外接收信號，如圖2所示。

2 硬件電路設計
??? 本文的紅外通信接口所用的單片機是凌陽公司的SPCE061A。
2．1 SPCE061 A的性能
??? SPCE061A是凌陽公司生產的性價比很高的一款16位單片機，其工作電壓范圍2．6～3．6V，工作頻率范圍0．320～49．152MHz。當工作頻率設定在49．152MHz時，指令周期約為20ns。SPCE061A單片機采用模塊化結構，以16位微控制器為內核。SPCE061A單片機具有內置2k字SRAM；內置32k FLASH；可編程音頻處理；晶體振蕩器2個16位可編程定時器／計數器(可自動預置初始計數值)；2個10位DAC(數一模轉換)輸出通道；32位通用可編程輸入／輸出端口；14個中斷源可來自定時器A／B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽音頻編碼SACM　S240方式(2．4kb／s)，能容納210s的語音數據；鎖相環PLL振蕩器提供系統時鐘信號；32768Hz實時時鐘；7通道1O位電壓模一數轉換器(ADC)和單通道聲音ADC；聲音ADC輸入通道內置麥克風放大器和自動增益控制(AGC)功能；具備串行設備接口；具有低電壓復位(LVR)功能和低電壓監測(LVD)功能；內置在線仿真電路ICE(In－Circuit Emulator)接口；具有保密能力；具有看門狗功能。
??? 它獨有的語音功能可以用在很多方面，在紅外通信接口應用的這款單片機可以自動播報語音，具有獨特的風格。在該紅外通信接口設計中，輸入輸出端口發揮著重要作用。

2．2 硬件電路
??? 接口電路如圖4所示，J1為紅外發射／接收電路的發射信號和接收信號接口，可以用1 0Pi ns排線直接和SPCE061A的10B高8位相連，通過SPCE061A的IOB8輸出38kHz的調制波，IOB8輸出TimerA PWM脈寬調制輸出。載波圖如圖3所示。

??? 紅外信號的調制主要有兩種，一種是脈寬調制(PWM)，一種是通過脈沖串的時間間隔實現信號調制的脈時調制(PPM)，本文采用的方法是PPM。
??? 61板是這個系統的控制核心，紅外發射管選用的是由Visay公司生產的TSAL6238，用來發射940nm的紅外光束，發射電路主要由電阻電容三極管和紅外發射管組成，串行碼的發送主要由TimerA定時器，IOB8編程為第二功能是由TimerA控制輸出占空比可調的脈寬調制信號APWM0，產生38kHz的載波信號，如圖5是38kHz的調制波。串行數據由單片機的串行輸出端TXD送出并驅動三極管，利用兩個紅外發射管將38kHz的載波信號以光脈沖的形式向外發送。串行碼為1時，打開輸出，為0時，關閉APWM0輸出(輸出低電平)。用TimerB控制脈沖寬度。外接收電路選用Vishay公司生產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、輸入靈敏度高、對其它波長(950nm以外)的紅外光不敏感的特點，其內部結構框圖如圖5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的脈沖調制紅外光信號轉化為電信號，再由前放大器和自動增益控制電路進行放大處理。然后通過帶通濾波器進行濾波，濾波后的信號由解調電路解調。最后由輸出級電路進行反向放大輸出。用IOB2檢測這個信號，圖6為TSOP1738的內部結構圖。

2．3 軟件設計
??? 以一個簡單應用多功能電能表為例，主要包括手持抄表器主機軟件和電度表端從機軟件兩部分，在數據交換中，手持單元或數據終端為主站，費率裝置(一般指多功能電能表)為從站，主站與從站同時都要具有接收和發射兩套裝備，兩者接收發射和處理數據的程序相同。考慮到主站與從站不能同時接收和發射信號，數據的傳輸是雙向的，從站需要接收主站發射的信息，也需要向主站發射信息，主站和從站都需要各有一套發射和接收裝備，若采用的是全雙工通信方式，自身發射的信號很可能自身能接收到，所以采用了半雙工通信串行方式。這里以主站的接收和發射部分為例來說明每個部分的軟件設計以及流程圖。

2．3．1 紅外發射部分的軟件設計
??? 發射部分首先是發射同步頭起始位，接著發射8位的數據段，見圖7。在發射端，CPU不斷地掃描鍵盤，一旦發現有鍵按下，就啟用發射子程序將相應的數值發射出去。
2．3．2 紅外接收部分的軟件設計
??? 紅外接收部分主要是通過紅外接收模塊TSOP1738來接收數據的，這部分程序比較簡單，利用中斷使系統進入接收數據的狀態，將數據存儲在61板的數據存儲器中，這就完成了一次接收過程。

3 結束語
??? 本文介紹的計算機紅外通信接口電路，具有電路簡單、成本低廉、編程方便、維護容易、可靠性高等優點，這個紅外通信接口是為紅外抄表系統設計的。該系統由具有紅外通信功能的電能表(安裝在用戶端)、手持抄表儀、計算機組成。當需要了解用戶端的用電情況時，用手持抄表儀在戶外利用紅外通信的功能獲取用戶號，以及用電量。再利用手持抄表儀與計算機間的紅外通信功能，將用戶號與用電情況輸入到計算機，由計算機根據用戶號統計出某一用戶當月、上月、以及本年度等的用電情況。本文作者創新點在于本系統具有工作良好，且與人工抄表相比具有速度快、準確、維護方便等優點。隨著電能表功能的擴展，紅外接口在功能設置、自動化抄表、數據的適時采集等方面正發揮著越來越大的作用，具有良好的應用前景。