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单片机中文网 · 更新于 2018-11-28 11:00:43

16.2 红外遥控通信原理

在实际的通信领域,发出来的信号一般有较宽的频谱,而且都是在比较低的频率段分布大量的能量,所以称之为基带信号,这种信号是不适合直接在信道中传输的。为便于传输、提高抗干扰能力和有效的利用带宽,通常需要将信号调制到适合信道和噪声特性的频率范围内进行传输,这就叫做信号调制。在通信系统的接收端要对接收到的信号进行解调,恢复出原来的基带信号。这部分通信原理的内容,大家了解一下即可。

我们平时用到的红外遥控器里的红外通信,通常是使用 38 K 左右的载波进行调制的,下面我把原理大概给大家介绍一下,先看发送部分原理。

调制:就是用待传送信号去控制某个高频信号的幅度、相位、频率等参量变化的过程,即用一个信号去装载另一个信号。比如我们的红外遥控信号要发送的时候,先经过 38 K 调制,如图16-4所示。

图16-4 红外信号调制

原始信号就是我们要发送的一个数据“0”位或者一位数据“1”位,而所谓 38 K 载波就是频率为 38 K 的方波信号,调制后信号就是最终我们发射出去的波形。我们使用原始信号来控制 38 K 载波,当信号是数据“0”的时候,38 K 载波毫无保留的全部发送出去,当信号是数据“1”的时候,不发送任何载波信号。

那在原理上,我们如何从电路的角度去实现这个功能呢?如图16-5所示。

图16-5 红外发射原理图

38 K 载波,我们可以用 455 K 晶振,经过12分频得到 37.91 K,也可以由时基电路 NE555 来产生,或者使用单片机的 PWM 来产生。当信号输出引脚输出高电平时,Q2 截止,不管 38 K 载波信号如何控制 Q1,右侧的竖向支路都不会导通,红外管 L1 不会发送任何信息。当信号输出是低电平的时候,那么 38 K 载波就会通过 Q1 释放出来,在 L1 上产生 38 K 的载波信号。这里要说明的是,大多数家电遥控器的 38 K 的占空比是1/3,也有1/2的,但是相对少一些。

正常的通信来讲,接收端要首先对信号通过监测、放大、滤波、解调等等一系列电路处理,然后输出基带信号。但是红外通信的一体化接收头 HS0038B,已经把这些电路全部集成到一起了,我们只需要把这个电路接上去,就可以直接输出我们所要的基带信号了,如图16-6所示。

图16-6 红外接收原理图

由于红外接收头内部放大器的增益很大,很容易引起干扰,因此在接收头供电引脚上必须加上滤波电容,官方手册给的值是 4.7 uF,我们这里直接用的 10 uF,手册里还要求在供电引脚和电源之间串联100欧的电阻,进一步降低干扰。

图16-6所示的电路,用来接收图16-5电路发送出来的波形,当 HS0038B 监测到有 38 K 的红外信号时,就会在 OUT 引脚输出低电平,当没有 38 K 的时候,OUT 引脚就会输出高电平。那我们把 OUT 引脚接到单片机的 IO 口上,通过编程,就可以获取红外通信发过来的数据了。

大家想想,OUT 引脚输出的数据是不是又恢复成为基带信号数据了呢?那我们单片机在接收这个基带信号数据的时候,如何判断接收到的是什么数据,应该遵循什么协议呢?像我们前边学到的 UART、I2C、SPI 等通信协议都是基带通信的通信协议,而红外的 38 K 仅仅是对基带信号进行调制解调,让信号更适合在信道中传输。

由于我们的红外调制信号是半双工的,而且同一时刻空间只能允许一个信号源,所以红外的基带信号不适合在 I2C 或者 SPI 通信协议中进行的,我们前边提到过 UART 虽然是2条线,但是通信的时候,实际上一条线即可,所以红外可以在 UART 中进行通信。当然,这个通信也不是没有限制的,比如在 HS0038B 的数据手册中标明,要想让 HS0038B 识别到 38 K 的红外信号,那么这个 38 K 的载波必须要大于10个周期,这就限定了红外通信的基带信号的比特率必须不能高于3800,那如果把串口输出的信号直接用 38 K 调制的话,波特率也就不能高于3800。当然还有很多其它基带协议可以利用红外来调制,下面我们介绍一种遥控器常用的红外通信协议——NEC 协议。