常用紅外資料傳輸電路的設計及其注意事項
摘要：簡要介紹IrDA紅外資料傳輸的特徵；詳細說明各種常見IrDA型別器件的構成；重點闡述常用紅外資料傳輸電路的設計及其注意事項。
關鍵詞：紅外資料傳輸紅外檢測IrDA編/解碼調製/解調
引言
紅外資料傳輸，成本低廉、連線方便、簡單易用、結構緊湊，在小型移動裝置中得到了廣泛的應用。近年來，很多著名半導體廠商，如Agilent、Vishay、Sharp、Zilog、Omron等，相繼推出了許多遵循同一規範的不同型別的器件。本文就IrDA紅外資料傳輸、各種IrDA器件的構成及其不同型別的紅外通訊電路設計進行綜合闡述。
1紅外資料傳輸及其規範簡介
紅外資料傳輸，使用傳播介質——紅外線。紅外線是波長在750nm~1mm之間的電磁波，是人眼看不到的光線。紅外資料傳輸一般採用紅外波段內的近紅外線，波長在0.75μm~25μm之間。紅外資料協會成立後，為保證不同廠商的紅外產品能獲得最佳的通訊效果，限定所用紅外波長在850nm~900nm。
IrDA是國際紅外資料協會的英文縮寫，IrDA相繼制定了很多紅外通訊協議，有側重於傳輸速率方面的，有側重於低功耗方面的，也有二者兼顧的。IrDA1.0協議基於非同步收發器UART，最高通訊速率在115.2kbps，簡稱SIR(SerialInfrared，序列紅外協議)，採用3/16ENDEC編/解碼機制。IrDA1.1協議提高通訊速率到4Mbps，簡稱FIR(FastInfrared，快速紅外協議)，採用4PPM(PulsePositionModulation，脈衝相位調製)編譯碼機制，同時在低速時保留1.0協議規定。之後，IrDA又推出了最高通訊速率在16Mbps的協議，簡稱VFIR(VeryFastInfrared，特速紅外協議)。
IrDA標準包括三個基本的規範和協議：紅外物理層連線規範IrPHY(InfraredPhysicalLayerLinkSpecification)，紅外連線訪問協議IrLAP(InfraredLinkAccessProtocol)和紅外連線管理協議IrLMP(InfraredLinkManagementProtocol)。IrPHY規範制定了紅外通訊硬體設計上的目標和要求；IrLAP和IrLMP為兩個軟體層，負責對連線進行設定、管理和維護。在IrLAP和IrLMP基礎上，針對一些特定的紅外通訊應用領域，IrDA還陸續釋出了一些更高級別的紅外協議，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等等。
紅外傳輸距離在幾cm到幾十m，發射角度通常在0~15°，發射強度與接收靈敏度因不同器件不同應用設計而強弱不一。使用時只能以半雙工方式進行紅外通訊。
在此把符合IrDA紅外通訊協議的器件稱為IrDA器件，符合SIR協議的器件稱為SIR器件，符合FIR協議的器件稱為FIR器件，符合VFIR協議的器件稱為VFIR器件。
2紅外資料傳輸的基本模型
紅外資料傳輸可用圖1簡單表示。
3IrDA器件的型別劃分
根據圖1所述模型，把IrDA器件劃分型別，如圖2所示。
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> 根據傳輸速率的大小，可以把IrDA器件區分為SIR、FIR、VFIR型別。如Vishay的紅外收發器，TFDU4300是SIR器件，TFDU6102是FIR器件，TFDU8108是VFIR器件。
根據應用功耗的大小，可以把IrDA器件區分為標準型和低功耗型。低功耗型器件，通常使用1.8~3.6V電源，傳輸距離較小(約20cm)，如Agilent的紅外收發器HSDL-3203。標準型器件，通常使用DC5V電源，傳輸距離大(在30cm~幾十m)，如Vishay的紅外接收器TSOP12xx系列，配合其發射器TSAL5100，傳輸距離可達35m。
使用上述三種分類方法，可以清晰地表明一個IrDA紅外器件的效能。如Agilent的SIR標準型紅外收發器HSDL-3000。
4IrDA器件的構成及其使用
4.1紅外發送器件
紅外發送器大多是使用Ga、As等材料製成的紅外發射二極體，其能夠通過的LED電流越大，發射角度越小，產生的發射強度就越大；發射強度越大，紅外傳輸距離就越遠，傳輸距離正比於發射強度的平方根。有少數廠商的紅外發送器件內建有驅動電路。該類器件的構成如圖3所示。
紅外發送器件在使用時通常需要串聯電阻，用以分壓限流。
4.2紅外檢測器件
紅外檢測器件的主要部件是紅外敏感接收管件，有獨立接收管構成器件的，有內含放大器的，有整合放大器與解調器的。後面兩種型別的.紅外檢測器件構成如圖4所示。
接收靈敏度是衡量紅檢測器件的主要效能指標，接收靈敏度越高，傳輸距離越遠，誤位元速率越低。
內部整合有放大與解調功能的紅外檢測器件通常還含有帶通濾波器，這類器件常用於固定載波頻率(如40kHz)的應用。
4.3紅外收發器件
紅外收發器件集發射與接收於一體。通常，器件的發射部分含有驅動器，接收部分含有放大器，並且內部整合有關斷控制邏輯。關斷控制邏輯在傳送時關斷接收，以避免引入干擾；不使用紅外傳輸時，該控制邏輯通過SD引腳接受指令，關斷器件電源供應，以降耗節能。使用器件時需要在LED引腳接入適當的限流電阻。大多數紅外收發器件帶有遮蔽層。該層不要直接接地，可以通過串聯一磁珠再接地，以引入干擾影響接收靈敏度。紅外收發器件的構成如圖5所示。
4.4紅外編/解碼器件
編/解碼，英文簡稱ENDEC，即實現調製/解調。編/解碼機制，SIR器件多采用3/16ENDEC，FIR器件多采用4PPMENDEC。在此解釋一下3/16ENDEC，其它可參閱有關資料。3/16ENDEC，即把一個有效數字位(bit)時間段，劃分為16等分小時間段，以連續3個小時間段內有無脈衝表示調製/解調資訊。紅外編/解碼器件，需要從外部接入時鐘或使用自身的晶體振盪電路，進行調製或解調。
紅外編/解碼器件，有單獨編碼的整合器件，如鍵盤遙控紅外編碼器Mitsubishi的M50462AP；也有集編碼/解碼於一體的，這類器件較為多見，其構成如圖6所示。
4.5紅外介面器件
紅外介面器件，實現紅外傳輸系統與微控制器、PC機或網路系統的連線。設計中經常使用的器件有UART序列非同步收發器件、USB介面轉換器件等。
USB介面器件，實現紅外收發與PC機的USB連線。整合度較高的USB介面器件如SigmaTel的STIr4200。STIr4200全相容IrDA1.3和USB1.1，IrDA速率在2.4k~4Mbps，內含有紅外編/解碼器和4KB的FIFO快取，20/28腳封裝，可直接相聯標準的IrDA收發器件，其構成如圖7所示。
5常用紅外資料傳輸電路設計
5.1家電紅外遙控收發電路的設計
彩電、空調、VCD等家用電器的遙控收發，是單向傳輸，通訊距離通常在3~5m，調製/解調的載波頻率通常在36~40kHz，可用“整合鍵盤編碼IC+帶驅動的紅外發射管”構成發射遙控器，用“帶放大與解調功能的紅外檢測器”構成接收端，接收後的資訊可直接送給簡易微控制器(如AT89C2051)，由微控制器通過軟體進行遙控功能識別併產生相應動作。
圖8是一個通用的家電遙控收發電路框圖。
5.2PC機簡易紅外收發裝置設計
現在的膝上型電腦、掌上電腦、移動手機等，常常整合有含編/解碼功能(38kHz載波)的5針紅外介面；可以很容易地設計電路，給PC機配上紅外收發裝置，無須考慮調製/解調。
5針紅外介面插座引腳定義了：一對電源腳Vcc和GND，一對收發介面IrTx(紅外發射端)和IrRx(紅外接收端)，有一針NC未定義。
根據IrDA非同步序列通訊有關標準，IrTx引腳能提供>6.0mA的輸出電流，IrRx引腳在吸收<1.5mA電流時就能對輸入訊號作出反應。依此可以設計出如圖9(a)所示的簡易紅外收發裝置。為進一步提高收發傳輸能力，可在發射端增加驅動，在接收端增加放大。這樣做，分立元件過多，電路不夠簡潔。為簡化電路，可以使用帶有驅動和放大能力的紅外收發器件。圖9(b)就是用Zilog的紅外收發器ZHX1010構成的簡易收發裝置。
給PC機加上紅外收發裝置後，需要對系統做如下設定：在BIOS中開啟紅外線介面，在使用時於裝置管理器中啟動“紅外線監視器”。通常，PC機紅外介面與其COM2口共用同一地址和中斷，打開了紅外介面，COM2口就不能再使用了。
5.3RS232-IrDA紅外收發電路設計
這種型別電路工作在非同步序列通訊方式下，可以直接採用“UART電平轉換器件+紅外編/解碼器件+紅外收發器件”構成。圖10是一個設計舉例，圖中器件使用了Maxim的MAX232。MAX232完成RS232訊號電平到標準數字訊號電平(如5V系統)的轉換，HSDL-7000是紅外編/解碼器。
5.4USB-IrDA紅外收發電路設計
設計這種型別的電路，最簡捷的途經就是使用USB-IrDA介面器件。圖11是採用SigmaTel的STIr4200介面器件的一個設計舉例。STIr4200有一個可選擇的外部增強性發射埠，如果要增強紅外傳輸能力(如傳輸距離)，可在該埠增加發射管。對於
STIr4200，SigamTel提供有各種Windows版本的驅動程式，使用十分方便。
5.5微控制器-IrDA紅外收發電路設計
現在很多微控制器，內部整合有UART單元及其介面，支援IrDA標準，並可以直接與紅外收發體系連線。圖12是這類電路設計的一個舉例。圖中MCP2120是Microchip的紅外可程式設計波特率編/解碼器件。
有些微控制器，如80C51微控制器，雖然內含有UART，卻不支援IrDA標準或高速通訊，不能直接相連紅外收發體系。還有些微控制器，雖然所含的UART可以直接連線紅外收發體系，但UART已用於其它目的。此時，可以選用UART介面器件。圖13是80C51通過Maxim的MAX3110連線紅外收發體系的，80C51微控制器沒有SPI介面。這裡使用其I/O口，通過軟體模擬SPI工作機制。MAX3110有一個收發傳輸中斷腳，十分有利於軟體編制。
6紅外資料傳輸電路設計的注意事項
①要做好紅外器件的選型。要求傳輸快速時，可選擇FIR、VFIR收發器與編/解碼器。要求長距離傳輸時，可選擇大LED電流、小發射角發射器和靈敏度高的接收檢測器。低功耗場合應用時，可選取低功耗的紅外器件。要注意低功耗與傳輸效能之間存在著矛盾：通常低功耗器件，傳輸距離很小。這一點在應用時應該綜合考慮。
②紅外資料傳輸是半雙工性質的。為避免自身產生的訊號干擾自身，要確保傳送時不接收，接收時不傳送，可以著眼於軟體設計，使軟體在一種狀態時暫不理會另一種狀態；同時要合理設定好收發之間的時間間隔,不立即從一種方式轉入另一種方式。
③要合理設計好各種紅外器件的供電電路，選擇適當的DC-DC器件，恰當地進行電磁抑制，做好電源濾波。同時還要注意儘可能減少功耗，不使用紅外電路時要在軟體上能夠控制關閉其供電。很多廠家對自己推出的紅外器件都有推薦的電路設計，要注意參考並實驗。
④PCB設計時，要合理佈局器件。濾波電感、電容等要就近器件放置，以確保濾波效果；紅外器件與系統的地線要分開佈置，僅在一點相連；晶體等振盪器件要靠近所供器件，以減少輻射干擾。
⑤增大紅外傳輸距離、提高收發靈敏度的方法：增加發射電路的數量，使幾隻發射管同時啟動傳送；在接收管前加裝紅色濾光片，以濾除其它光線的干擾；在接收管和發射管前面加凸透鏡，提高其光線採集能力等等。
