基于凌陽單片機(jī)的紅外通信接口設(shè)計(jì).doc

武漢輕工大學(xué)科 研 訓(xùn) 練 報(bào) 告報(bào)告題目：基于凌陽單片機(jī)的紅外通信接口設(shè)計(jì)姓 名 周 玉 院（系） 電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 自動(dòng)化 年 級(jí) 10 級(jí) 指導(dǎo)教師 秦 嶺 2013年 12 月 10 日摘要紅外線通信是目前使用較廣泛的一種通信手段。由于紅外線通信具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，因而，繼彩電、錄像機(jī)之后，在錄音機(jī)、音響設(shè)備、空調(diào)機(jī)以及玩具等其它小型電器裝置上也紛紛采用紅外線通信技術(shù)。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線通信技術(shù)不 僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。而單片機(jī)是目前設(shè)計(jì)應(yīng)用中用得比較廣泛的器件，它可以通過軟件編程來達(dá) 到不同的效果，實(shí)現(xiàn)各種各樣不同的功能，具有靈活性強(qiáng)、可靠性高，可擴(kuò)展性 好等優(yōu)點(diǎn)。 本文所要介紹的內(nèi)容就是如何利用凌陽單片機(jī)SPCEO61A結(jié)合紅外線器件設(shè)計(jì)構(gòu)造出一套簡易的紅外通信接口，以實(shí)現(xiàn)在中短距離內(nèi)的紅外無線通信的功能。 此通信系統(tǒng)經(jīng)過一些必要的擴(kuò)展,完全可以 實(shí)現(xiàn)通用和各種專用紅外遙控器的功能關(guān)鍵字紅外通信 接口技術(shù) 協(xié)議 凌陽單片機(jī)SPCE061A 工作原理 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)目錄引言.4一 、紅外通信介紹.（1） 紅外通信技術(shù)簡介.5（2） 紅外通信的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn).5（3） 紅外通信的原理.6二、SPCE061A介紹.（一）總述.7（二）性能.7（三） 結(jié)構(gòu)概覽.8（四）芯片的引腳排列和說明.9（五）特性參數(shù).11（六）SPCE061A最小系統(tǒng).12三、 紅外通信接口設(shè)計(jì)方案.（一）硬件設(shè)計(jì).14（二）軟件設(shè)計(jì).161.紅外發(fā)射部分的軟件設(shè)計(jì).162.紅外接收部分的軟件設(shè)計(jì).164、 總結(jié).17五、參考文獻(xiàn)1831前言 隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。在遙控應(yīng)用領(lǐng)域，單片機(jī)尤其得到了很好的應(yīng)用。很多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常常利用非電信號(hào)（如光信號(hào)、電磁信號(hào)、超聲波信號(hào)等）傳送控制信息和數(shù)據(jù)信息，以實(shí)現(xiàn)遙控或遙測的功能。在各種非電信號(hào)中， 紅外線光信號(hào)是經(jīng)常用的。目前對(duì)紅外線技術(shù)的應(yīng)用有各種各樣的研究，紅外技術(shù)已經(jīng)成為了先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，它在各領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng) 用，尤其在電視、VCD 和音響等各種遙控設(shè)備的應(yīng)用上，更是差不多已經(jīng)到了成熟的地步。紅外線為不可見光，具有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此其在防盜、警戒等安全保衛(wèi)裝置也得到了廣泛的應(yīng)用。紅外線遙控的距離一般為幾米至幾十米或更遠(yuǎn)一點(diǎn)。紅外遙控不具有像無線電遙控那樣穿過遮擋物（非屏蔽）去控制被控對(duì)象的能力。正是由于這 一特點(diǎn)，工廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)電視機(jī)、錄像機(jī)、電風(fēng)扇等家用電器的紅外遙控器時(shí)，不必像制 作鎖那樣，每套（鎖和鑰匙）必須有一種新的結(jié)構(gòu)（否則，鑰匙就變?yōu)橥ㄓ?，鎖的作用就會(huì)失去）；也不必像無線電遙控那樣每套（發(fā)射器與接收器）要有不同的遙控頻率或編碼（否則就會(huì)隔墻去控制或干擾鄰居的家用電器），所有產(chǎn)品的遙控器可以有相同的 遙控頻率或編碼，而不會(huì)出現(xiàn)遙控信號(hào)“串門”的情況。這對(duì)于工廠的大批量生產(chǎn)以及在家電器上普及紅外遙控提供了極大的方便。正因?yàn)榧t外線通信具有成本低廉、控制簡單、實(shí)施方便、簡單易用、結(jié)構(gòu)緊湊和抗干擾能力強(qiáng)、傳輸可靠性高的特點(diǎn)，因此在小型的通信移動(dòng)設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。這些設(shè)備包括筆記本電腦、掌上電腦、機(jī)頂盒、游戲機(jī)、移動(dòng)電話、計(jì)算器、尋呼機(jī)、儀器儀表、MP3 播放機(jī)、數(shù)碼相機(jī)以及打印機(jī)之類的計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等等。試想一下，如果沒有紅外通信，連接這其中的兩個(gè)設(shè)備就必須要有一條特制的連線，如果要使它們能夠任意地兩兩互聯(lián)傳輸數(shù)據(jù)，該需要多少條連線呢？而有了紅外線通信口，這些問題就都迎刃而解了。紅外通信是以紅外線為載體來傳送數(shù)據(jù)信息，具有直觀、操作簡單、可靠性高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、便于高速應(yīng)用、空間接入靈活等優(yōu)點(diǎn)，所以越來越受到重視。紅外通信接口在手持設(shè)備中應(yīng)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(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)在中短距離內(nèi)的紅外無線通信的功能。 此通信系統(tǒng)經(jīng)過一些必要的擴(kuò)展,完全可以 實(shí)現(xiàn)通用和各種專用紅外遙控器的功能。實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)紅外通信的關(guān)鍵在于紅外接口電路的設(shè)計(jì)以及接口驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。 本論一 、紅外通信介紹（一） 紅外通信技術(shù)簡介 紅外數(shù)據(jù)通信指的是兩臺(tái)設(shè)備之間通過紅外線進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N數(shù)據(jù)傳輸方式，一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在 0.75至 25之間。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA）成立后，為了保證不同廠商的紅外產(chǎn)品能夠獲得較好的通信效果，將紅外數(shù)據(jù)通信所采用的光波波長的范圍限定在 850至 900之間。紅外通信的最大特點(diǎn)在于它替代了設(shè)備與設(shè)備之間傳統(tǒng)的線纜連接，進(jìn)而擺脫了不同平臺(tái)設(shè)備連接時(shí)對(duì)于特 制接口的要求，使得跨平臺(tái)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換簡單到只需彼此相對(duì)。 紅外通信技術(shù)的特點(diǎn)如下： 1.它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺(tái)所支持； 2.通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)；3.主要用來取代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線纜連接； 4.新的通訊標(biāo)準(zhǔn)兼容早期的通訊標(biāo)準(zhǔn)； 5.小角度、短距離、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強(qiáng)； 6.傳輸速率較高，目前4M速率的FIR技術(shù)已被廣泛使用，16M速率的VFIR技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。 紅外通信技術(shù)的缺點(diǎn)如下： 1.通信距離短，通訊過程中不能移動(dòng)，遇障礙物通信中斷； 2.目前廣泛使用的SIR標(biāo)準(zhǔn)通信速率較低（115.2kbit/s）； 3.主要用于取代線纜連接進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，功能單一，擴(kuò)展性差。 （二） 紅外通信的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 為了建立一個(gè)統(tǒng)一的紅外數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，1993年，由HP、COMPAQ、INTEL等二十多 家公司成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)Infrared Data Association，一年以后，第一個(gè)IrDA的紅 外數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，即Ir-DA1.0。Ir-DA1.0簡稱SIR Serial Infrared，它是基于HPSIR的異步、半雙工紅外通信方式。SIR以系統(tǒng)的異步通信收發(fā)器UART為依托，通過對(duì)串行數(shù)據(jù)脈沖的波形壓縮和對(duì)所接收光信號(hào)電脈沖的波形擴(kuò)展這一編碼解碼過程3/16EnDec實(shí)現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)傳輸。由于受到UART通信速率的限制，SIR的高通訊信速率只有115.2Kbps，即電腦串行端口的高速率。1996年，IrDA發(fā)布了Ir-DA1.1標(biāo)準(zhǔn)，即Fast In-fraRed，簡稱FIR。與SIR相比，由 于FIR不再依托UART，其高通信速率有了質(zhì)的飛躍，可達(dá)4Mbps。FIR采用了全新的4PPM 調(diào)制解調(diào)Pulse Position Modulation，即通過分析脈沖的相位來辨別所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信 息，其通信原理與SIR是截然不同的，但由于FIR在115.2Kbps以下速率時(shí)依舊采用SIR的 編碼解碼過程，所以它仍可以與支持SIR的低速設(shè)備進(jìn)行通信，只有在通信對(duì)方也支持 FIR時(shí)，才將通信速率提升到更高水平。IrDA1.2標(biāo)準(zhǔn)為低功耗的IrDA1.0標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已普遍應(yīng)用于手持設(shè)備。隨著移動(dòng)計(jì)算設(shè)備和移動(dòng)通信設(shè)備的日益普及，紅外數(shù)據(jù)通信已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)發(fā)展的黃金時(shí)期。自1993年IrDA成立至今，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)的會(huì)員已經(jīng)發(fā)展到150多個(gè)，當(dāng)今在IT業(yè)和通信業(yè)叱咤風(fēng)云的大公司幾乎都在其中，由此可見IrDA標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)獲得了業(yè)界的廣泛認(rèn)同和支持。目前已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)出來的具備紅外通信能力的設(shè)備已有一百種之多，紅外模塊的年裝機(jī)量已達(dá)一億五千萬套，并以每年40的速度高速增長。盡管現(xiàn)在有了同樣用于近距離無線通訊的藍(lán)牙技術(shù)，但紅外通信技術(shù)以其成本低廉和廣泛的兼容性等優(yōu)點(diǎn)，勢必會(huì)在將來很長的一段時(shí)間內(nèi)在近距離無線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域扮演重要角色。 （三） 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(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)之間的近距離保密通信和信息轉(zhuǎn)發(fā)，紅外通信的基本原理就是發(fā)送端將二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，通過驅(qū)動(dòng)LED以光脈沖的形式將信號(hào)發(fā)射出去，接收端利用光電二極管將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過放大、濾波等環(huán)節(jié)處理后送給解調(diào)電路解調(diào)，還原為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)輸出，紅外發(fā)射部分對(duì)一個(gè)紅外輻射源調(diào)制后發(fā)射紅外信號(hào)，接收部分是利用光學(xué)裝置和紅外探測儀進(jìn)行接收。 紅外發(fā)射電路是由電阻R2、三極管Q2、電阻R3與紅外發(fā)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(hào)后，經(jīng)過三極管Q1進(jìn)行一級(jí)放大，放大后的信號(hào)送入三極管Q3進(jìn)行第二級(jí)放大，通過Rx輸出就可以得到放大后的紅外接收信號(hào)，如圖2所示。二、SPCE061A介紹（一）總述SPCE061A 是繼nSP系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使nSP能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。因此，與SPCE500A相比，以nSP為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語音識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。（二）性能 16位nSP微處理器； 工作電壓(CPU) VDD為2.43.6V (I/O) VDDH為2.45.5V CPU時(shí)鐘：0.32MHz49.152MHz ； 內(nèi)置2K字SRAM； 內(nèi)置32K FLASH； 可編程音頻處理； 晶體振蕩器; 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電僅為2A3.6V； 2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)； 2個(gè)10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道； 32位通用可編程輸入/輸出端口； 14個(gè)中斷源可來自定時(shí)器A / B，時(shí)基，2個(gè)外部時(shí)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(2.4K位/秒)，能容納210秒的語音數(shù)據(jù)； 鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)； 32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘； 7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器； 聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制(AGC)功能； 具備串行設(shè)備接口； 具有低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(LVD)功能； 內(nèi)置在線仿真電路ICE（In- Circuit Emulator）接口； 具有保密能力； 具有WatchDog功能（三） 結(jié)構(gòu)概覽 SPCE061A的結(jié)構(gòu)如圖1.2所示：（四）芯片的引腳排列和說明 SPCE061A有兩種封裝片，一種為84個(gè)引腳，PLCC84封裝形式；它的排列如圖1.4所示；另一種為80個(gè)引腳，LQFP80封裝。它的排列如圖所示。（五）特性參數(shù) SPCE061A系統(tǒng)的特性參數(shù)如表1.2所示。（六）SPCE061A最小系統(tǒng) 最小系統(tǒng)接線如圖1.6所示，在OSC0、OSC1端接上晶振及諧振電容，在鎖相環(huán)壓控振蕩器的阻容輸入VCP端接上相應(yīng)的電容電阻后即可工作。其它不用的電源端和地端接上0.1F的去藕電容提高抗干擾能力。三、 紅外通信接口設(shè)計(jì)方案（一）硬件設(shè)計(jì) 接口電路如圖4所示，J1為紅外發(fā)射接收電路的發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)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(diào)制波，IOB8輸出TimerA PWM脈寬調(diào)制輸出。載波圖如圖3所示。 紅外信號(hào)的調(diào)制主要有兩種，一種是脈寬調(diào)制(PWM)，一種是通過脈沖串的時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制的脈時(shí)調(diào)制(PPM)，本文采用的方法是PPM。 61板是這個(gè)系統(tǒng)的控制核心，紅外發(fā)射管選用的是由Visay公司生產(chǎn)的TSAL6238，用來發(fā)射940nm的紅外光束，發(fā)射電路主要由電阻電容三極管和紅外發(fā)射管組成，串行碼的發(fā)送主要由TimerA定時(shí)器，IOB8編程為第二功能是由TimerA控制輸出占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制信號(hào)APWM0，產(chǎn)生38kHz的載波信號(hào)，如圖5是38kHz的調(diào)制波。串行數(shù)據(jù)由單片機(jī)的串行輸出端TXD送出并驅(qū)動(dòng)三極管，利用兩個(gè)紅外發(fā)射管將38kHz的載波信號(hào)以光脈沖的形式向外發(fā)送。串行碼為1時(shí)，打開輸出，為0時(shí)，關(guān)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(chǎn)的專用紅外接收模塊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(qiáng)、輸入靈敏度高、對(duì)其它波長(950nm以外)的紅外光不敏感的特點(diǎn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。TSOP1738的工作原理為：通過紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由前放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理。然后通過帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路解調(diào)。最后由輸出級(jí)電路進(jìn)行反向放大輸出。用IOB2檢測這個(gè)信號(hào)，圖6為TSOP1738的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。（二）軟件設(shè)計(jì)以一個(gè)簡單應(yīng)用多功能電能表為例，主要包括手持 抄表器主機(jī)軟件和電度表端從機(jī)軟件兩部分6，在數(shù)據(jù) 交換中, 手持單元或數(shù)據(jù)終端為主站, 費(fèi)率裝置(一般指 多功能電能表) 為從站,主站與從站同時(shí)都要具有接收和 發(fā)射兩套裝備，兩者接收發(fā)射和處理數(shù)據(jù)的程序相同。 考慮到主站與從站不能同時(shí)接收和發(fā)射信號(hào)，數(shù)據(jù)的傳 輸是雙向的，從站需要接收主站發(fā)射的信息，也需要向 主站發(fā)射信息，主站和從站都需要各有一套發(fā)射和接收 裝備，若采用的是全雙工通信方式，自身發(fā)射的信號(hào)很 可能自身能接收到，所以采用了半雙工7通信串行方式。 這里以主站的接收和發(fā)射部分為例來說明每個(gè)部分的軟 件設(shè)計(jì)以及流程圖。1.紅外發(fā)射部分的軟件設(shè)計(jì)發(fā)射部分首先是發(fā)射同步頭起始位，接著發(fā)射8位的 數(shù)據(jù)段，見圖7。在發(fā)射端，CPU不斷地掃描鍵盤，一旦發(fā) 現(xiàn)有鍵按下，就啟用發(fā)射子程序?qū)⑾鄳?yīng)的數(shù)值發(fā)射出去。2 紅外接收部分的軟件設(shè)計(jì)紅外接收部分主要是通過紅外接收模塊TSOP1738來 接收數(shù)據(jù)的，這部分程序比較簡單，利用中斷使系統(tǒng)進(jìn) 入接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在61板的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中， 這就完成了一次接收過程。四、總結(jié)本設(shè)計(jì)方案是一種簡易的紅外通信接口，該紅外通信接口電路具有電路簡單、成本低廉、編程方便、維護(hù)容易、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)達(dá)到了紅外無線遙控的目的。 在開始確定好自己的設(shè)計(jì)題目后，我認(rèn)真看了下相關(guān)單片機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的書籍。了解了系統(tǒng)建設(shè)的基本流程、總體布局設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)開發(fā)前所需的一些準(zhǔn)備工作，特別是系統(tǒng)需求分析的重要性，這樣做到了心中有數(shù)，先把網(wǎng)上管理系統(tǒng)需要的功能劃分成幾個(gè)大模塊，然后再思考進(jìn)行細(xì)分。腦子里逐步形成了系統(tǒng)的框架，開始進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)的修改才讓自己滿意，以為自己的這次設(shè)計(jì)開始順利起來時(shí)，在數(shù)據(jù)庫建表過程中又出現(xiàn)了問題，因?yàn)檫@方面的知識(shí)不夠成熟，沒有事先完整的設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)項(xiàng)就開始建立了數(shù)據(jù)關(guān)系，到后來發(fā)現(xiàn)要改時(shí)只得又重新來過，浪費(fèi)了很多時(shí)間，只好先停下來對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，才使得后面的過程得以順利進(jìn)行。由于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不夠深刻，加上需求分析做的不夠深入、不夠透徹就急于進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段導(dǎo)致后面的階段坎坎坷