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紅外通訊技術(shù)及其應(yīng)用
摘要：紅外通訊技術(shù)是一種新興通訊技術(shù)，因擁有成本低、傳輸速率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)而被大范圍使用在個(gè)人電腦和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備以及工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。本文從紅外通訊技術(shù)的基本原理出發(fā)，闡述了紅外發(fā)射技術(shù)的電路組成、數(shù)據(jù)編碼方式和紅外接收技術(shù)的電路組成以及解碼方式。且將紅外通訊技術(shù)與當(dāng)下流行的藍(lán)牙技術(shù)的做以區(qū)分，明確了藍(lán)牙技術(shù)與紅外通訊技術(shù)在載體、技術(shù)特點(diǎn)以及應(yīng)用上的不同。再對(duì)當(dāng)下紅外技術(shù)應(yīng)用較為廣泛的單片機(jī)通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)以及在紅外遙控通訊方面的應(yīng)用加以介紹。
關(guān)鍵詞：紅外通訊；紅外發(fā)射；紅外接收；單片機(jī)；檢測(cè)
1.前言
紅外通訊技術(shù)是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。是傳統(tǒng)設(shè)備之間連接線纜的一種替代。它的通訊距離一般在0-lm之間。傳輸速率最快可達(dá)16Mbps。紅外通訊技術(shù)通常被應(yīng)用在筆記本電腦、臺(tái)式電腦和手持電腦、打印機(jī)、鍵盤鼠標(biāo)等計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備。以及電話機(jī)、移動(dòng)電話、計(jì)算器、游戲機(jī)、機(jī)頂盒、手表、工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。紅外通訊技術(shù)已被全球范圍內(nèi)的眾多軟硬件廠商所支持和采用。目前，各主流軟件和硬件平臺(tái)均提供了對(duì)它的支持。紅外技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)計(jì)算和移動(dòng)通訊等設(shè)備中。而且巨大的裝機(jī)量使紅外無(wú)線通訊技術(shù)有了龐大的用戶群。在紅外通訊中，最多應(yīng)用的即是在單片機(jī)、遙控技術(shù)方面的應(yīng)用。
2.紅外通訊技術(shù)
2.1 紅外通訊技術(shù)原理簡(jiǎn)介
紅外通訊以紅外線作為信息傳播的載體，也就是信息通道。紅外線是一種特定波長(zhǎng)的電磁波，其波長(zhǎng)在750nm到1mm之間，是一種不可見光。紅外通訊中數(shù)據(jù)傳輸利用的是紅外波段內(nèi)的近紅外線，這類近紅外線的波長(zhǎng)在0.75m到25m內(nèi)。簡(jiǎn)單的講，紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹硎牵河砂l(fā)送端把二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋活l率的脈沖序列，再通過紅外發(fā)射管，將脈沖序列以光脈沖的形式進(jìn)行發(fā)射，而接收端收到來(lái)自發(fā)射端的光脈沖信號(hào)時(shí)，再將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并經(jīng)過一系列的濾波、方法處理后，將其傳輸給解調(diào)電路，轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)并實(shí)現(xiàn)輸出[[]]。通過其傳輸原理可以看出，紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋举|(zhì)是二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)與光脈沖信號(hào)之間的調(diào)制與解調(diào)，這一過程實(shí)現(xiàn)了以紅外線為載體的數(shù)據(jù)傳輸。
2.2 紅外發(fā)射
紅外發(fā)射電路包括以下組成部分：發(fā)光二極管、調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射是要將傳輸數(shù)據(jù)通過編碼的方式加載到紅外信號(hào)中。通常，這種編碼主要包括頻率調(diào)制(FM)以及脈寬調(diào)制。其中，脈寬調(diào)制所采用的通訊碼結(jié)構(gòu)也存在差異，主要包括以下兩種：一種是一組通訊碼發(fā)出后，就不斷發(fā)出一組高低電平的重復(fù)碼；另一種是一組通訊碼發(fā)出之后，間隔一段時(shí)間再發(fā)出重復(fù)的通訊碼。一組通訊碼主要由由引導(dǎo)碼、系統(tǒng)碼、數(shù)據(jù)碼、奇偶校驗(yàn)位和結(jié)束碼這幾類部分組成[[]]，其組成格式如圖2所示。
以上各種信號(hào)的功能不同：引導(dǎo)碼主要用于標(biāo)識(shí)信號(hào)的開始，系統(tǒng)碼用于區(qū)別于其他的通訊系統(tǒng)，數(shù)據(jù)碼用于控制各項(xiàng)功能操作，奇偶校驗(yàn)位主要用于校對(duì)信號(hào)在傳輸過程中的錯(cuò)差，結(jié)束碼用于標(biāo)識(shí)信號(hào)的結(jié)束[[]]。
圖1紅外發(fā)射電路
2.3 紅外接收
紅外接收的作用是接收來(lái)自發(fā)射電路的信號(hào)，并將其通過放大、濾波、解調(diào)，轉(zhuǎn)化為原始信號(hào)，再傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行后續(xù)操作。以往，紅外接收電路主要由紅外接收二極管和放大電路兩部分組成，這種接收電路體積較大，使用不夠靈活和方便。如今，紅外接收多采用PICl018SCL接頭，其作為一種小型化、高靈敏、低成本的紅外接收裝置而深受歡迎，并廣泛應(yīng)用于紅外接收設(shè)計(jì)中。PICl018SCL接頭使用十分簡(jiǎn)便，只需保證2.4V到6.5V的工作電壓，即可使之成為一個(gè)完整的紅外信號(hào)接收裝置[[]]。它具方法、選頻率和解調(diào)功能，其輸出電平兼容TTL和CMOS，有著良好的性能和廣闊的應(yīng)用空間。
圖2 紅外接收電路
2.4 紅外通訊與藍(lán)牙的區(qū)別
由于紅外通訊和藍(lán)牙在無(wú)線短距離通訊上都有很多相似點(diǎn)，而容易將其兩者混為一談。首先,都作為短距離通訊技術(shù),藍(lán)牙技術(shù)和紅外無(wú)線接入技術(shù)有著非常多的共同優(yōu)點(diǎn),比如安全、可靠、低功耗等,并且它們都可以傳輸數(shù)據(jù)等文件。但是在技術(shù)特點(diǎn)上,紅外通信技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)卻完全不一樣, 所以他們倆在各個(gè)方面都有著自身獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn),使得他們的應(yīng)用領(lǐng)域也不太一樣。
（1）紅外通訊與藍(lán)牙借助的載體不同：紅外通訊技術(shù)主要借助紅外線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而藍(lán)牙則是借助一定頻率的微波來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種微波不僅可以實(shí)現(xiàn)信息安全的傳輸，同時(shí)還可以穿透建筑物，此外，更能夠在同一時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)通訊對(duì)象的連接[[]]。
（2）紅外通訊與藍(lán)牙借助在技術(shù)特點(diǎn)上的不同：紅外通信技術(shù)在實(shí)現(xiàn)無(wú)線的數(shù)據(jù)接受和發(fā)送上, 主要是讓數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖相互轉(zhuǎn)換, 它是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議, 雖然代替了用線纜將設(shè)備與設(shè)備連接起來(lái)的裝置,可是并沒有改變方式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式,而且他的通訊距離在 0~1m 之間,也算是比較小的范圍了,傳輸速率最快大概能夠達(dá)到 16Mbps,紅外通訊技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在階段已經(jīng)算是成熟了,也得到了在各個(gè)地方的應(yīng)用。藍(lán)牙技術(shù)也是一種短距離數(shù)據(jù)通訊技術(shù), 但是它和紅外通訊技術(shù)不一樣的地方是它采用了無(wú)線的傳輸形式,而且它不僅僅能夠點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸,還實(shí)現(xiàn)了一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳輸,數(shù)據(jù)和聲音的傳輸都可以。藍(lán)牙技術(shù)的傳輸帶寬能夠達(dá)到 1Mbps。而且藍(lán)牙技術(shù)的傳輸距離能達(dá)到10m 遠(yuǎn),比紅外通訊技術(shù)遠(yuǎn)了很多[[]]。
（3）紅外通訊與藍(lán)牙在應(yīng)用領(lǐng)域上的不同：紅外線通訊技術(shù)起步和發(fā)展都比較早,它的技術(shù)已經(jīng)成熟了,所以在應(yīng)用上也比較全面了,除了最開始的各種電腦,現(xiàn)在手機(jī)、相機(jī)、游戲機(jī)、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等都開始使用。藍(lán)牙技術(shù)大多數(shù)的應(yīng)用還是在電子類產(chǎn)品上, 與紅外通訊技術(shù)比起來(lái)應(yīng)用范圍還差得很多[[]]。
綜上所述，因?yàn)樗{(lán)牙技術(shù)和紅外無(wú)線接入技術(shù)都是短距離無(wú)線通信技術(shù), 所以在許多方面都有近似的地方。不過由于兩種技術(shù)特點(diǎn)的不一樣,所以在應(yīng)用上還是不一樣的。比如,藍(lán)牙技術(shù)因?yàn)橛写┩噶?所以比較適合于有障礙物等的環(huán)境中,但是在一些特定的環(huán)境中,紅外線技術(shù)就能做到滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上還能降低成本。所以這兩者必定在各自的領(lǐng)域各自發(fā)光。
3.紅外通訊技術(shù)的應(yīng)用
3.1紅外通訊技術(shù)在數(shù)據(jù)通訊上的應(yīng)用
目前，符合紅外通信標(biāo)準(zhǔn)要求的個(gè)人數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)助力設(shè)備、筆記本和打印機(jī)已推向市場(chǎng)，然而紅外通信技術(shù)的潛力將通過個(gè)人通信系統(tǒng)（PCS）和全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)（GSM）網(wǎng)絡(luò)的建立而充分顯示出來(lái)。
由于紅外連接本身是數(shù)字式的。所以筆記本電腦中不需要解調(diào)器。便攜式PC機(jī)由一個(gè)任選的擴(kuò)展式插槽，可插入新式PCS數(shù)據(jù)卡。PCS數(shù)據(jù)卡配電話使用，建立和保持對(duì)無(wú)線PCS系統(tǒng)的連接；擴(kuò)展電纜的紅外端口使得在PCS電話系統(tǒng)和筆記本計(jì)算機(jī)之間容易實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。由于PCS、數(shù)字電話系統(tǒng)和筆記本之間的連接是通過標(biāo)準(zhǔn)的紅外端口實(shí)現(xiàn)的，所以PCS數(shù)字電話系統(tǒng)可在任何一種PC機(jī)上使用，包括各種新潮筆記本計(jì)算機(jī)以及手持式計(jì)算機(jī)，以提供紅外數(shù)據(jù)通訊[[ ]]。
由于該系統(tǒng)不要求在計(jì)算機(jī)中使用調(diào)制解調(diào)器，所以過去不可能維持高性能PC卡調(diào)制解調(diào)器運(yùn)行所需要電壓的手持式計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在也能以無(wú)線方式進(jìn)行通信。紅外通信標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者還在設(shè)想機(jī)場(chǎng)飯店登記點(diǎn)使用不行傳真機(jī)和打印機(jī)，在這些地方，掌上計(jì)算機(jī)用戶可以利用這些外設(shè)而無(wú)需電纜。銀行的ATM（柜員機(jī)）也可以采用紅外接口裝置。
3.2 紅外通訊技術(shù)在單片機(jī)通訊上的應(yīng)用
紅外通信方式實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的發(fā)射與接收系統(tǒng)，且該系統(tǒng)是在單片機(jī)紅外光通信的基礎(chǔ)上形成的。單片機(jī)間的通訊可以綜合模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過PWM調(diào)制放大信號(hào)然后再單獨(dú)發(fā)射，發(fā)射后的信號(hào)，經(jīng)過光敏三極管接收后，再放大濾波。使用特殊設(shè)備采集測(cè)量信號(hào)，同時(shí)用單片機(jī)進(jìn)行編碼，再用多路選擇器調(diào)制與載波信號(hào)再調(diào)制，綜合調(diào)制后進(jìn)行發(fā)射，同樣再接收放大后的濾波，就可以解調(diào)出發(fā)射的測(cè)量信號(hào)。最后再使用單片機(jī)進(jìn)行輸入捕捉，最終投顯在顯示屏上[[]]。利用單片機(jī)內(nèi)部的隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器(ROM)及其引腳資源，外接紅外接收發(fā)送裝置，液晶顯示模塊(LCM)，鍵盤輸入等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理傳輸和顯示，基本上能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)。
圖3 以單片機(jī)為核心的紅外收發(fā)裝置示意圖
3.3 紅外通訊技術(shù)在遙控方面的應(yīng)用
隨著時(shí)代的發(fā)展，在各種無(wú)線遙控中，紅外遙控以其體積小，功耗低，功能強(qiáng)，成本低等特點(diǎn)，而成為目前使用最為廣泛的一種遙控手段，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于各種家用電器產(chǎn)品、金融和商業(yè)設(shè)施中。此外，在有高壓、輻射、有毒氣體和粉塵等環(huán)境下的工業(yè)設(shè)備中，紅外遙控也以其可靠和隔離電氣干擾等特性而深受設(shè)計(jì)者的喜愛。
紅外遙控系統(tǒng)是由紅外遙控信號(hào)編碼發(fā)送器、紅外信號(hào)接收器和外圍電路等三部分組成。紅外遙控信號(hào)編碼發(fā)送器有 8 鍵、32 鍵、64 鍵輸入等多種型號(hào)。實(shí)際使用中常用 10 個(gè)左右的按鍵輸入，因?yàn)椴捎?32 鍵以上的紅外遙控信號(hào)編碼發(fā)送器具有價(jià)格高、功耗大、芯片外型尺寸大等缺點(diǎn)。8 鍵輸入的風(fēng)扇發(fā)射芯片電路經(jīng)過改造后，可方便地用于 10 鍵輸入[[]]。
在接收紅外線中，線大都采用成品的紅外接頭，HS0038是用于紅外遙控接收的小型一體化接收頭。集成紅外線的接收、放大、解調(diào)，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收輸出與TTL電瓶信號(hào)兼容的所有工作。而體積和普通的塑封三極管大小一樣。它適合于各種紅外遙控和紅外數(shù)據(jù)傳輸，中心頻率38.0kHz[[]]。
4.總結(jié)
紅外連接能適應(yīng)不同的操作系統(tǒng)和大范圍的傳輸速率紅外連接比有線連接更安全可靠。它避免了因線纜和連接器磨損和斷裂造成的檢修。通常兩個(gè)紅外設(shè)備必須在視線上直接對(duì)準(zhǔn)，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這就提供了一個(gè)固有的安全品質(zhì)保證。不像無(wú)線電頻率。紅外光不會(huì)穿墻而過，因而在一個(gè)封閉的區(qū)域內(nèi)，紅外光是一種安全的傳輸?shù)拿浇椤６陙?lái)，紅外技術(shù)持續(xù)發(fā)展，其在通訊，醫(yī)療，工業(yè)等方面的應(yīng)用也是越來(lái)越廣泛。而在紅外通訊中，最多應(yīng)用的即是在單片機(jī)、遙控技術(shù)方面的應(yīng)用。
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