基于凌阳SPCEO61A的红外通信接口设计

0 引言
    随着红外技术的发展，红外通信已经成为越来越普及的无线通信方式。红外通信是以红外线为载体来传送数据信息，具有直观、操作简单、可靠性高、功耗低、抗干扰能力强、便于高速应用、空间接入灵活等优点，所以越来越受到重视。红外通信接口在手持设备中应用尤为广泛，本文提出了一种基于凌阳公司SPCE061A的红外通信接口的设计方案，并具有以下功能：a．通信距离大于5m；b．传输速率为1500b／s；c．误码率小于0．5％。

1 红外通信的原理
    红外通信是利用950nm近红外波段做为信息的载体来实现两点之间的近距离保密通信和信息转发，红外通信的基本原理就是发送端将二进制信号调制成某一频率的脉冲序列，通过驱动LED以光脉冲的形式将信号发射出去，接收端利用光电二极管将接收到的光脉冲转换为电信号，再经过放大、滤波等环节处理后送给解调电路解调，还原为二进制数字信号输出，红外发射部分对一个红外辐射源调制后发射红外信号，接收部分是利用光学装置和红外探测仪进行接收。
    红外发射电路是由电阻R2、三极管Q2、电阻R3与红外发射二极管D1组成，如图1所示。

    接收电路是由红外接收管和放大电路组成，Q4接收到红外信号后，经过三极管Q1进行一级放大，放大后的信号送入三极管Q3进行第二级放大，通过Rx输出就可以得到放大后的红外接收信号，如图2所示。

2 硬件电路设计
    本文的红外通信接口所用的单片机是凌阳公司的SPCE061A。
2．1 SPCE061 A的性能
    SPCE061A是凌阳公司生产的性价比很高的一款16位单片机，其工作电压范围2．6～3．6V，工作频率范围0．320～49．152MHz。当工作频率设定在49．152MHz时，指令周期约为20ns。SPCE061A单片机采用模块化结构，以16位微控制器为内核。SPCE061A单片机具有内置2k字SRAM；内置32k FLASH；可编程音频处理；晶体振荡器2个16位可编程定时器／计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数一模转换)输出通道；32位通用可编程输入／输出端口；14个中断源可来自定时器A／B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM　S240方式(2．4kb／s)，能容纳210s的语音数据；锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；7通道1O位电压模一数转换器(ADC)和单通道声音ADC；声音ADC输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路ICE(In－Circuit Emulator)接口；具有保密能力；具有看门狗功能。
    它独有的语音功能可以用在很多方面，在红外通信接口应用的这款单片机可以自动播报语音，具有独特的风格。在该红外通信接口设计中，输入输出端口发挥着重要作用。
2．2 硬件电路
    接口电路如图4所示，J1为红外发射／接收电路的发射信号和接收信号接口，可以用1 0Pi ns排线直接和SPCE061A的10B高8位相连，通过SPCE061A的IOB8输出38kHz的调制波，IOB8输出TimerA PWM脉宽调制输出。载波图如图3所示。

    红外信号的调制主要有两种，一种是脉宽调制(PWM)，一种是通过脉冲串的时间间隔实现信号调制的脉时调制(PPM)，本文采用的方法是PPM。
    61板是这个系统的控制核心，红外发射管选用的是由Visay公司生产的TSAL6238，用来发射940nm的红外光束，发射电路主要由电阻电容三极管和红外发射管组成，串行码的发送主要由TimerA定时器，IOB8编程为第二功能是由TimerA控制输出占空比可调的脉宽调制信号APWM0，产生38kHz的载波信号，如图5是38kHz的调制波。串行数据由单片机的串行输出端TXD送出并驱动三极管，利用两个红外发射管将38kHz的载波信号以光脉冲的形式向外发送。串行码为1时，打开输出，为0时，关闭APWM0输出(输出低电平)。用TimerB控制脉冲宽度。外接收电路选用Vishay公司生产的专用红外接收模块TSOP1738。该接收模块是一个三端元件，使用单电源+5V电源，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其它波长(950nm以外)的红外光不敏感的特点，其内部结构框图如图5所示。

    TSOP1738的工作原理为：首先，通过红外光敏元件将接收到的载波频率为38kHz的脉冲调制红外光信号转化为电信号，再由前放大器和自动增益控制电路进行放大处理。然后通过带通滤波器进行滤波，滤波后的信号由解调电路解调。最后由输出级电路进行反向放大输出。用IOB2检测这个信号，图6为TSOP1738的内部结构图。

2．3 软件设计
    以一个简单应用多功能电能表为例，主要包括手持抄表器主机软件和电度表端从机软件两部分，在数据交换中，手持单元或数据终端为主站，费率装置(一般指多功能电能表)为从站，主站与从站同时都要具有接收和发射两套装备，两者接收发射和处理数据的程序相同。考虑到主站与从站不能同时接收和发射信号，数据的传输是双向的，从站需要接收主站发射的信息，也需要向主站发射信息，主站和从站都需要各有一套发射和接收装备，若采用的是全双工通信方式，自身发射的信号很可能自身能接收到，所以采用了半双工通信串行方式。这里以主站的接收和发射部分为例来说明每个部分的软件设计以及流程图。

2．3．1 红外发射部分的软件设计
    发射部分首先是发射同步头起始位，接着发射8位的数据段，见图7。在发射端，CPU不断地扫描键盘，一旦发现有键按下，就启用发射子程序将相应的数值发射出去。
2．3．2 红外接收部分的软件设计
    红外接收部分主要是通过红外接收模块TSOP1738来接收数据的，这部分程序比较简单，利用中断使系统进入接收数据的状态，将数据存储在61板的数据存储器中，这就完成了一次接收过程。

3 结束语
    本文介绍的计算机红外通信接口电路，具有电路简单、成本低廉、编程方便、维护容易、可靠性高等优点，这个红外通信接口是为红外抄表系统设计的。该系统由具有红外通信功能的电能表(安装在用户端)、手持抄表仪、计算机组成。当需要了解用户端的用电情况时，用手持抄表仪在户外利用红外通信的功能获取用户号，以及用电量。再利用手持抄表仪与计算机间的红外通信功能，将用户号与用电情况输入到计算机，由计算机根据用户号统计出某一用户当月、上月、以及本年度等的用电情况。本文作者创新点在于本系统具有工作良好，且与人工抄表相比具有速度快、准确、维护方便等优点。随着电能表功能的扩展，红外接口在功能设置、自动化抄表、数据的适时采集等方面正发挥着越来越大的作用，具有良好的应用前景。