IrDA器件及其应用电路设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:简要介绍IrDA红外数据传输的特征;详细说明各种常见IrDA类型器件的构成;重点阐述常用红外数据传输电路的设计及其注意事项。 关键词:红外数据传输 红外检测 IrDA 编/解码 调制/解调 引 言 红外数据传输,成本低廉、连接方便、简单易用、结构紧凑, 在小型移动设备中得到了广泛的应用。近年来,很多著名半导体厂商,如Agilent、Vishay、Sharp、Zilog、Omron等,相继推出了许多遵循同一规范的不同类型的器件。本文就IrDA红外数据传输、各种IrDA器件的构成及其不同类型的红外通信电路设计进行综合阐述。 1 红外数据传输及其规范简介   红外数据传输,使用传播介质——红外线。红外线是波长在750nm"1mm之间的电磁波,是人眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线,波长在0.75μm"25μm之间。红外数据协会成立后,为保证不同厂商的红外产品能获得最佳的通信效果,限定所用红外波长在850nm"900nm。   IrDA是国际红外数据协会的英文缩写,IrDA相继制定了很多红外通信协议,有侧重于传输速率方面的,有侧重于低功耗方面的,也有二者兼顾的。IrDA1.0协议基于异步收发器UART,最高通信速率在115.2kbps,简称SIR(Serial Infrared,串行红外协议),采用3/16 ENDEC编/解码机制。 IrDA1.1协议提高通信速率到4Mbps,简称FIR(Fast Infrared,快速红外协议),采用4PPM (Pulse Position Modulation,脉冲相位调制)编译码机制,同时在低速时保留1.0协议规定。之后,IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的协议,简称VFIR(Very Fast Infrared,特速红外协议)。   IrDA标准包括三个基本的规范和协议:红外物理层连接规范IrPHY(Infrared Physical Layer Link Specification),红外连接访问协议IrLAP (Infrared Link Access Protocol) 和红外连接管理协议IrLMP(Infrared Link Management Protocol)。IrPHY规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求;IrLAP和IrLMP为两个软件层,负责对连接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上,针对一些特定的红外通信应用领域,IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议,如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等等。[1"3]   红外传输距离在几cm到几十m,发射角度通常在0"15%26;#176;,发射强度与接收灵敏度因不同器件不同应用设计而强弱不一。使用时只能以半双工方式进行红外通信。   在此把符合IrDA红外通信协议的器件称为IrDA器件,符合SIR协议的器件称为SIR器件,符合FIR协议的器件称为FIR器件,符合VFIR协议的器件称为VFIR器件。 2 红外数据传输的基本模型 红外数据传输可用图1简单表示。 3 IrDA器件的类型划分[3"8]   根据图1所述模型,把IrDA器件划分类型,如图2所示。   根据传输速率的大小,可以把IrDA器件区分为SIR、FIR、VFIR类型。如Vishay的红外收发器,TFDU4300是SIR器件,TFDU6102是FIR器件,TFDU8108是VFIR器件。   根据应用功耗的大小,可以把IrDA器件区分为标准型和低功耗型。低功耗型器件,通常使用1.8"3.6V电源,传输距离较小(约20cm),如Agilent的红外收发器HSDL-3203。标准型器件,通常使用DC5V电源,传输距离大(在30cm"几十m),如Vishay的红外接收器TSOP12xx系列,配合其发射器TSAL5100,传输距离可达35m。   使用上述三种分类方法,可以清晰地表明一个IrDA红外器件的性能。如Agilent的SIR标准型红外收发器HSDL-3000。 4 IrDA器件的构成及其使用[3"8] 4.1 红外发送器件   红外发送器大多是使用Ga、As等材料制成的红外发射二极管,其能够通过的LED电流越大,发射角度越小,产生的发射强度就越大;发射强度越大,红外传输距离就越远,传输距离正比于发射强度的平方根。有少数厂商的红外发送器件内置有驱动电路。该类器件的构成如图3所示。   红外发送器件在使用时通常需要串联电阻,用以分压限流。 4.2 红外检测器件   红外检测器件的主要部件是红外敏感接收管件,有独立接收管构成器件的,有内含放大器的,有集成放大器与解调器的。后面两种类型的红外检测器件构成如图4所示。   接收灵敏度是衡量红检测器件的主要性能指标,接收灵敏度越高,传输距离越远,误码率越低。   内部集成有放大与解调功能的红外检测器件通常还含有带通滤波器,这类器件常用于固定载波频率(如40kHz)的应用。 4.3 红外收发器件   红外收发器件集发射与接收于一体。通常,器件的发射部分含有驱动器,接收部分含有放大器,并且内部集成有关断控制逻辑。关断控制逻辑在发送时关断接收,以避免引入干扰;不使用红外传输时,该控制逻辑通过SD引脚接受指令,关断器件电源供应,以降耗节能。使用器件时需要在LED引脚接入适当的限流电阻。大多数红外收发器件带有屏蔽层。该层不要直接接地,可以通过串联一磁珠再接地,以引入干扰影响接收灵敏度。红外收发器件的构成如图5所示。 4.4 红外编/解码器件   编/解码,英文简称ENDEC,即实现调制/解调。编/解码机制,SIR器件多采用3/16 ENDEC,FIR器件多采用4PPM ENDEC。在此解释一下3/16 ENDEC,其它可参阅有关资料。3/16 ENDEC,即把一个有效数字位(bit)时间段,划分为16等分小时间段,以连续3个小时间段内有无脉冲表示调制/解调信息。红外编/解码器件,需要从外部接入时钟或使用自身的晶体振荡电路,进行调制或解调。   红外编/解码器件,有单独编码的集成器件,如键盘遥控红外编码器Mitsubishi的M50462AP;也有集编码/解码于一体的,这类器件较为多见,其构成如图6所示。 4.5 红外接口器件   红外接口器件,实现红外传输系统与微控制器、PC机或网络系统的连接。设计中经常使用的器件有UART串行异步收发器件、USB接口转换器件等。   USB接口器件,实现红外收发与PC机的USB连接。集成度较高的USB接口器件如SigmaTel的STIr4200。STIr4200全兼容IrDA1.3和USB1.1,IrDA速率在2.4k"4Mbps,内含有红外编/解码器和4KB的FIFO缓存,20/28脚封装,可直接相联标准的IrDA收发器件,其构成如图7所示。 5 常用红外数据传输电路设计[3"9] 5.1 家电红外遥控收发电路的设计   彩电、空调、VCD等家用电器的遥控收发,是单向传输,通信距离通常在3"5m,调制/解调的载波频率通常在36"40kHz,可用“集成键盘编码IC+带驱动的红外发射管”构成发射遥控器,用“带放大与解调功能的红外检测器”构成接收端,接收后的信息可直接送给简易单片机(如AT89C2051),由单片机通过软件进行遥控功能识别并产生相应动作。   图8是一个通用的家电遥控收发电路框图。 5.2 PC机简易红外收发装置设计   现在的笔记本电脑、掌上电脑、移动手机等,常常集成有含编/解码功能(38kHz载波)的5针红外接口;可以很容易地设计电路,给PC机配上红外收发装置,无须考虑调制/解调。   5针红外接口插座引脚定义了:一对电源脚Vcc和GND,一对收发接口IrTx(红外发射端)和IrRx(红外接收端),有一针NC未定义。   根据IrDA异步串行通信有关标准,IrTx引脚能提供 >6.0mA的输出电流,IrRx引脚在吸收<1.5 mA电流时就能对输入信号作出反应。依此可以设计出如图9(a)所示的简易红外收发装置。为进一步提高收发传输能力,可在发射端增加驱动,在接收端增加放大。这样做,分立元件过多,电路不够简洁。为简化电路,可以使用带有驱动和放大能力的红外收发器件。图9(b)就是用Zilog的红外收发器ZHX1010构成的简易收发装置。   给PC机加上红外收发装置后,需要对系统做如下设置:在BIOS中打开红外线接口,在使用时于设备管理器中启动“红外线监视器”。通常,PC机红外接口与其COM2口共用同一地址和中断,打开了红外接口,COM2口就不能再使用了。 5.3 RS232-IrDA红外收发电路设计   这种类型电路工作在异步串行通信方式下,可以直接采用“UART电平转换器件 + 红外编/解码器件 + 红外收发器件”构成。图10是一个设计举例,图中器件使用了Maxim的MAX232。MAX232完成RS232信号电平到标准数字信号电平(如5V系统)的转换,HSDL-7000是红外编/解码器。 5.4 USB-IrDA红外收发电路设计   设计这种类型的电路,最简捷的途经就是使用USB-IrDA接口器件。图11是采用SigmaTel的STIr4200接口器件的一个设计举例。STIr4200有一个可选择的外部增强性发射端口,如果要增强红外传输能力(如传输距离),可在该端口增加发射管。对于STIr4200,SigamTel提供有各种Windows版本的驱动程序,使用十分方便。 5.5 微控制器-IrDA红外收发电路设计   现在很多微控制器,内部集成有UART单元及其接口,支持IrDA标准,并可以直接与红外收发体系连接。图12是这类电路设计的一个举例。图中MCP2120是Microchip的红外可编程波特率编/解码器件。   有些微控制器,如80C51单片机,虽然内含有UART,却不支持IrDA标准或高速通信,不能直接相连红外收发体系。还有些微控制器,虽然所含的UART可以直接连接红外收发体系,但UART已用于其它目的。此时,可以选用UART接口器件。图13是80C51通过Maxim的MAX3110连接红外收发体系的,80C51单片机没有SPI接口。这里使用其I/O口,通过软件模拟SPI工作机制。MAX3110有一个收发传输中断脚,十分有利于软件编制。 6 红外数据传输电路设计的注意事项 ① 要做好红外器件的选型。要求传输快速时,可选择FIR、VFIR收发器与编/解码器。要求长距离传输时,可选择大LED电流、小发射角发射器和灵敏度高的接收检测器。低功耗场合应用时,可选取低功耗的红外器件。要注意低功耗与传输性能之间存在着矛盾:通常低功耗器件,传输距离很小。这一点在应用时应该综合考虑。 ② 红外数据传输是半双工性质的。为避免自身产生的信号干扰自身,要确保发送时不接收,接收时不发送,可以着眼于软件设计,使软件在一种状态时暂不理会另一种状态;同时要合理设置好收发之间的时间间隔,不立即从一种方式转入另一种方式。 ③ 要合理设计好各种红外器件的供电电路,选择适当的DC-DC器件,恰当地进行电磁抑制,做好电源滤波。同时还要注意尽可能减少功耗,不使用红外电路时要在软件上能够控制关闭其供电。很多厂家对自己推出的红外器件都有推荐的电路设计,要注意参考并实验。 ④ PCB设计时,要合理布局器件。滤波电感、电容等要就近器件放置,以确保滤波效果;红外器件与系统的地线要分开布置,仅在一点相连;晶体等振荡器件要靠近所供器件,以减少辐射干扰。 ⑤ 增大红外传输距离、提高收发灵敏度的方法:增加发射电路的数量,使几只发射管同时启动发送;在接收管前加装红色滤光片,以滤除其它光线的干扰;在接收管和发射管前面加凸透镜,提高其光线采集能力等等。

关键字:器件  应用  电路设计  设计

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