探析紅外遙控的通信原理

在實(shí)際的通信領(lǐng)域，發(fā)出來(lái)的信號(hào)一般有較寬的頻譜，而且都是在比較低的頻率段分布大量的能量，所以稱之為基帶信號(hào)，這種信號(hào)是不適合直接在信道中傳輸?shù)摹楸阌趥鬏?、提高抗干擾能力和有效的利用帶寬，通常需要將信號(hào)調(diào)制到適合信道和噪聲特性的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸，這就叫做信號(hào)調(diào)制。在通信系統(tǒng)的接收端要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原來(lái)的基帶信號(hào)。這部分通信原理的內(nèi)容，大家了解一下即可。

我們平時(shí)用到的紅外遙控器里的紅外通信，通常是使用 38K 左右的載波進(jìn)行調(diào)制的，下面我把原理大概給大家介紹一下，先看發(fā)送部分原理。

調(diào)制：就是用待傳送信號(hào)去控制某個(gè)高頻信號(hào)的幅度、相位、頻率等參量變化的過(guò)程，即用一個(gè)信號(hào)去裝載另一個(gè)信號(hào)。比如我們的紅外遙控信號(hào)要發(fā)送的時(shí)候，先經(jīng)過(guò) 38K 調(diào)制，如圖 16-4 所示。

圖 16-4 紅外信號(hào)調(diào)制

原始信號(hào)就是我們要發(fā)送的一個(gè)數(shù)據(jù)“0”位或者一位數(shù)據(jù)“1”位，而所謂 38K 載波就是頻率為 38K 的方波信號(hào)，調(diào)制后信號(hào)就是最終我們發(fā)射出去的波形。我們使用原始信號(hào)來(lái)控制 38K 載波，當(dāng)信號(hào)是數(shù)據(jù)“0”的時(shí)候，38K 載波毫無(wú)保留的全部發(fā)送出去，當(dāng)信號(hào)是數(shù)據(jù)“1”的時(shí)候，不發(fā)送任何載波信號(hào)。

那在原理上，我們?nèi)绾螐碾娐返慕嵌热?shí)現(xiàn)這個(gè)功能呢?如圖 16-5 所示。

圖 16-5 紅外發(fā)射原理圖

38K 載波，我們可以用 455K 晶振，經(jīng)過(guò) 12 分頻得到 37.91K，也可以由時(shí)基電路 NE555來(lái)產(chǎn)生，或者使用單片機(jī)的 PWM 來(lái)產(chǎn)生。當(dāng)信號(hào)輸出引腳輸出高電平時(shí)，Q2 截止，不管38K 載波信號(hào)如何控制 Q1，右側(cè)的豎向支路都不會(huì)導(dǎo)通，紅外管 L1 不會(huì)發(fā)送任何信息。當(dāng)信號(hào)輸出是低電平的時(shí)候，那么 38K 載波就會(huì)通過(guò) Q1 釋放出來(lái)，在 L1 上產(chǎn)生 38K 的載波信號(hào)。這里要說(shuō)明的是，大多數(shù)家電遙控器的 38K 的占空比是 1/3，也有 1/2 的，但是相對(duì)少一些。

正常的通信來(lái)講，接收端要首先對(duì)信號(hào)通過(guò)監(jiān)測(cè)、放大、濾波、解調(diào)等等一系列電路處理，然后輸出基帶信號(hào)。但是紅外通信的一體化接收頭 HS0038B，已經(jīng)把這些電路全部集成到一起了，我們只需要把這個(gè)電路接上去，就可以直接輸出我們所要的基帶信號(hào)了，如圖 16-6所示。

圖 16-6 紅外接收原理圖

由于紅外接收頭內(nèi)部放大器的增益很大，很容易引起干擾，因此在接收頭供電引腳上必須加上濾波電容，官方手冊(cè)給的值是 4.7uF，我們這里直接用的 10uF，手冊(cè)里還要求在供電引腳和電源之間串聯(lián) 100 歐的電阻，進(jìn)一步降低干擾。

圖 16-6 所示的電路，用來(lái)接收?qǐng)D 16-5 電路發(fā)送出來(lái)的波形，當(dāng) HS0038B 監(jiān)測(cè)到有 38K的紅外信號(hào)時(shí)，就會(huì)在 OUT 引腳輸出低電平，當(dāng)沒(méi)有 38K 的時(shí)候，OUT 引腳就會(huì)輸出高電平。那我們把 OUT 引腳接到單片機(jī)的 IO 口上，通過(guò)編程，就可以獲取紅外通信發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)了。

大家想想，OUT 引腳輸出的數(shù)據(jù)是不是又恢復(fù)成為基帶信號(hào)數(shù)據(jù)了呢?那我們單片機(jī)在接收這個(gè)基帶信號(hào)數(shù)據(jù)的時(shí)候，如何判斷接收到的是什么數(shù)據(jù)，應(yīng)該遵循什么協(xié)議呢?像我們前邊學(xué)到的 UART、I2C、SPI 等通信協(xié)議都是基帶通信的通信協(xié)議，而紅外的 38K 僅僅是對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，讓信號(hào)更適合在信道中傳輸。

由于我們的紅外調(diào)制信號(hào)是半雙工的，而且同一時(shí)刻空間只能允許一個(gè)信號(hào)源，所以紅外的基帶信號(hào)不適合在 I2C 或者 SPI 通信協(xié)議中進(jìn)行的，我們前邊提到過(guò) UART 雖然是 2 條線，但是通信的時(shí)候，實(shí)際上一條線即可，所以紅外可以在 UART 中進(jìn)行通信。當(dāng)然，這個(gè)通信也不是沒(méi)有限制的，比如在 HS0038B 的數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)明，要想讓 HS0038B 識(shí)別到 38K的紅外信號(hào)，那么這個(gè) 38K 的載波必須要大于 10 個(gè)周期，這就限定了紅外通信的基帶信號(hào)的比特率必須不能高于 3800，那如果把串口輸出的信號(hào)直接用 38K 調(diào)制的話，波特率也就不能高于 3800。當(dāng)然還有很多其它基帶協(xié)議可以利用紅外來(lái)調(diào)制，下面我們介紹一種遙控器常用的紅外通信協(xié)議——NEC 協(xié)議。