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，并指出在實施過程中應注意的一些問題。

    關鍵詞：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遙控的方式，來完成電度表用電量的抄錄、設置表底數、電度表校時等工作。紅外通信具有控制簡單、實施方便、傳輸可靠性高的特點，是一種較為常用的通信方式。實現單片機系統紅外通信的關鍵在于紅外接口電路的設計以及接口驅動程序的設計。

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作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發送端采用脈時調制（PPM）方式，將二進制數字信號調制成某一頻率的脈沖序列，并驅動紅外發射管以光脈沖的形式發送出去；接收端將接收到的光脈轉換成電信號，再經過放大、濾波等處理后送給解調電路進行解調，還原為二進制數字信號后輸出。

　　簡而言之，紅外通信的實質就是對二進制數字信號進行調制與解調，以便利用紅外信道進行傳輸；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射和接收電路，組成一個應用于單片機系統的紅外串行通信接口，如圖1所示。

2.1 紅外發送器

　　紅外發送器電路包括脈沖振蕩器、驅動管T1和T2、紅外發射管D1和D2等部分。其中脈沖振蕩器由NE555定時器、電阻（R1、R2）和電容（C1、C2）組成，用以產生38kHz的脈沖序列作為載波信號；紅外發射管D1和D2選用Vishay公司生產的TSAL6238，用來向外發射950nm的紅外光束。

　　紅外發送器的工作原理為：串行數據由單片機的串行輸出端TXD送出并驅動T1管，數位“0”使T1管導通，通過T2管調制成38kHz的載波信號，并利用兩個紅外發射管D1和D2以光脈沖的形式向外發送。數位“1”使T1管截止，紅外發射管D1和D2不發射紅外光。若傳送的波特率設為1200bps，則每個數位“0”對應32個載波脈沖調制信號的時序，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3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，通過帶通濾波器和進行濾波，濾波后的信號由解調電路進行解調。最后，由輸出級電路進行反向放大輸出。

　　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，要選用精密元件并保證電源電壓穩定。再有，發送的數位“0”至少要對應14個載波脈沖，這就要求傳送的波特率不能超過2400bps。利用上述紅外收發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，在全雙工方式下發送的信號也可能會被本身接收，因此紅外通信需采用異步半雙工方式，即通信的某一方發送和接收是交替進行的。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；片內定時器T1作為波特率發生器，選擇傳送的波特率為1200bps，則定時器T1的初值應設置為TL1=TH1=E8H，另外應禁止定時器T1中斷，以免因定時器T1溢出而產生不必要的中斷。

3.2 通信協議

　　進行紅外通信之前，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議，然后才能編寫相應的通信程序。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格式的通信協議。

表1 抄表系統的通信協議

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的，因此它采用實時性的中斷方式進行接收。在系統初始化程序中依據如前所述的通信方式，對串行口和定時器T1進行相應的設置。

　　在中斷程序程序中按字節形式進行接收，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。接收過程中若發現校驗錯誤，則停止接收并調用錯誤處理子程序，發送接收出錯的信息，要求發送端重新發送。串行口中斷服務程序的流程如圖4所示。

3.4 手持抄表器通信程序

　　在紅外通信過程中，手持抄表器是通信的發起者，其發送和接收都是主動的。它的具體工作過程為：CPU不斷掃描鍵盤，若發現有命令鍵按下，則調用發送子程序發送相應的操作命令；發送結束后即啟動接收子程序，以接收電度表回送的信息，然后對接收到的信息進行后續處理。

結語

　　本文介紹的應用于單片機系統的紅外串行通信接口，具有硬件電路簡單、成本低廉、編程方便、通信可靠性高的特點，實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合。