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1 引言 在工業和生活環境中，便攜式信息終端設備的出現加速了無線數字通信線路和局域網的引進，然而，由于無線電的局限性，使它在無線高速數據鏈路應用方面受阻。在此情況下紅外（IR）無線光通信得到人們的重視。作為一種室內短距離通信的傳輸介質，IR具有勝過無線電的顯著優點：IR有巨大的帶寬且不需許可證，可以進行高速數據傳輸；IR不穿透墻壁，因而消除了在不同房間進行通信時可能帶來的干擾，而且通信時不容易被偵聽，提高了通信的安全性；IR探測器的尺寸比IR無的波長大得多，避免了多徑衰落；IR可強度調制，IR通信設備比無線電通信設備要便宜簡單得多。 對室內無線電局域網，要求紅外數據鏈路的峰值-平均光功率比高，高峰值功率可提高系統的靈敏度，低平均功率可滿足人眼安全和低功耗的要求，脈沖位置調制（PPM）通信方式就符合這些要求，目前，PPM已被IEEE無列入無線局域網IEEE802.11標準。用純硬件設計實現PPM光發射機是比較復雜和困難的，筆者利用功能強大的AT89S52型單片機和編程軟件VC++設計了一種基于計算機串口和的紅外無線PPM發射機。AT89S52通過串口從計算機獲取數據，編碼得到脈沖寬度調制（PWM）信號后通過輸出端口輸出，輸出的PWM信號經過波形轉換電路得到PPM電脈沖信號，再通過光源驅動電路轉換為PPM光脈沖信號，從而完成紅外無線PPM發射機的設計。 2 PPM信號格式 PPM采用斷續的周期性光脈沖作為載波，調制信號受到信源二進制符號地控制，脈沖的時間位置隨之發生變化而傳遞信息，PPM信號結構如圖1所示，在數字PPM通信中，同步是至關重要的。為了實現幀同步，應在傳送信息幀之前發送一次幀同步頭，為接收端提供同步信息，同時在信息幀的前面和后面分別安排2個標志幀以表示信息的開始和結束，這樣接收機捕獲到同步信號和起始標志符后，開始解調隨后的脈沖信號，直到接收到結束標志，表明數據接收完畢。 每一個信息幀又分為信息段和保護段（由光源和信道的特性決定），共M個時隙，每個時隙的寬度為Ts，其中前Q個時隙為信息段TQ=（QTs），后D個時隙為保護段TD=（DTs）。對Q元PPM，平均光功率為Pa，光脈沖峰值功率為QPa，又一幀表示log2Q位的二進制信息，因此數據傳輸速率R為： R="log2Q"/T=log2Q/MTs=Log2Q/(Q+D)Tsbit/s （1） 其中，T為一幀的時間長度。在T不變的條件下，PPM的傳信率和峰值功率隨時隙數Q增大，但是Q值過大，也就是一幀分成的時隙數過多，會給信號的傳輸和解調帶來困難，信息和Q值成對數關系，例如，當Q=256時，一個脈沖表示8比特信息，而Q=512表示9比特信息，由此可見，Q較大時，脈沖攜帶的信息量隨Q值的增大并沒有明顯增加，綜合考慮以上情況和實際設計需要，筆者采用Q=16的PPM調制方式，時隙寬度Ts設為15μs。 3 AT89S52的特點 AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內含8KB ISP（In-system programmable）的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器、該器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造、兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構。片內集成了通用的8位CPU和ISP Flash為存儲單元，可為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、高性價比的解決方案。 TA89S52具有如下特點：40個引腳，8KB Flash片內程序存儲器，256 Bytes的隨機存儲數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，1個6向量2級中斷結構；3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路和片內時鐘振蕩器。 此外，AT89S52設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置的省電模式。在空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時計數器、串行口、外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，禁止電路的其他功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該電路還具有PDIP、TQFP和PLCC等封裝形式，以適應不同產品的設計要求。 4 硬件設計 紅外線PPM發射機由AT89S52型單片機與計算機的串行通信電路，PWM到PPM波形轉換電路和光源驅動電路構成，其系統結構框圖如圖2所示。 4.1 串行通信電路 為了能使單片機和計算機通信，必須使其遵循相同的通信協議，AT89C51的串行口輸入/輸出為TTL邏輯電平，抗干擾性較差，而計算機的串行接口是符合EIA RS-232C規范的外部總線標準接口，具有較強的抗干擾性，為了解決電平不一致的矛盾，該系統設計選用了Maxim公司的MAX232型電平轉換器實現電平轉換，MAX232屬于通用串行接收/發送驅動器，其外圍電路非常簡單，只需外接4個0.1μF的電容器。 AT89S52具有串行通信接口（SCI），SCI是能與計算機等外設通信的全雙工異步系統，AT89S52與計算機采用RS-232C接口方式，這種方式下，SCI采用標準的不歸零（NRZ）格式，開始是1位起始位，以邏輯“0”表示，接著是8位數據位，最后是1位停止位，以邏輯“1”表示故一次傳送據長度為10比特，計算機發送數據，AT89S52接收數據，AT89S52將接收到的數據進行PWM編碼，得到幀周期固定，而脈沖寬度隨外部信號不斷變化的PWM信號，然后通過P1.0端口輸出。 4.2 波形轉換電路 經過單片機編碼輸出的PWM信號經過一個下降沿觸發器即可得到PPM脈沖信號，波形轉換如圖3所示。當P1.0端口輸出的信號由高電平變為低電平時，觸發器的輸出端產生所需的PPM脈沖信號，其脈沖寬度由外部定時電路決定。 4.3 驅動電路 對于無線紅外通信系統來說，半導體發光二極管（LED）是可以選用的最佳光源，筆者采用帶有溫度補償特性的射極耦合LED驅動電路，該電路看上去像一個線性差分放大器，實際上是一個電流開關電路，PPM信號加在驅動電路的輸入端，當PPM信號的電位低于設定的參考電位時，LED無脈沖電流通過，LED不發光；反之，脈沖電流通過LED而使LED發光。如圖4所示，注入電流IF相等的條件下，LED的輸出光功率P隨著溫度的上升而下降，所以設計中采用溫度補償電路進行溫度補償，當溫度升高時，LED的注入電流也隨之增加，從而補償LED的功率變化。 5 軟件設計 5.1 計算機軟件編程 計算機的主要作用是通過串口傳送源數據給單片機。 利用Visual C++編制串行通信程序一般有3種方法：調用Microsoft Win32應用程序接口（API）提供的串行通信函數，利用VC++的MFC類庫函數實現；用Active X通信控件（MSComm）開發串口通信程序，筆者利用VC++提供的MSComm控件來實現計算機與單片機之間的串行通信，利用VC++的通信控件MSComm進行軟件設計只需對串口進行簡單的設置即可。程序實現非常簡單，結構清晰，在Windows環境下，串口是系統資源的一部分，應用程序要使用串口進行通信，必須在使用之前向系統提出資源申請要求（打開串口），通信完成后必須釋放資源（關閉串口）。 5.2 單片機軟件編程 單片機的主要作用是從發送端（計算機）接收數據，并對接收到的數據進行PWM編碼，然后通過輸出端口輸出，單片機部分的編程主要由串口初始化子函數，接收數據子函數和PWM信號發送子函數組成。 5.2.1 串口初始化子函數 使用串口之前，應動其進行初始化，初始化程序如下： 5.2.2 接收數據子函數 接收數據流程如圖5所示，程序如下： 5.2.3 PWM發送信號子函數 PWM信號發送包括發送PWM編碼后的同步頭、起始標志符、接收的數據和結束標志符、下面重點討論對接收的數據進行編碼及發送，其流程如圖6所示，程序如下： 6 結束語 紅外通信為構建高速寬帶室內無線局域網提供了新的選擇。PPM的脈沖峰值功率與平均功率之比很高，可以有效減小平均輻射功率和提高接收靈敏度，筆者設計的紅外無線PPM發射機利用單片機實現PPM調制，具有電路結構簡單、調試容易、可靠性高、精度高、成本低和功耗低的優點，由于設計中只采用了單只紅外LED作為光源，輸出功率不大，而且受輻射角的限制，通信具有方向性，可以考慮采用多只紅外LED構成發射陣列來增加發射功率和輻射范圍。 |
