用红外通信原理的设计与实现红外通信协议含电路图
1 引言
在电子消费领域当中，红外产品的使用较为普遍，它多用于简单的近距离控制，如家电，玩具，各种抄表系统。本文以Freescale 8位高性能、低功耗单片机MC9S08GT60为载体，详细介绍红外通信的硬件和软件设计过程及通信协议的使用。
HCS08系列的MCU是Freescale半导体公司最新推出的8位单片机，具有多种低功耗模式，更高的工作频率，并集成了片上调试器，而且资源丰富，因此采用了该系列的MC9S08GT60作为载体详细讨论了一个简单实用的红外通信开发系统。
红外通信过程主要由红外发射和红外接收两个过程，首先将数字信号送给红外发射电路，经该电路的调制转变成红外光信号在空中传输，然后红外接收电路收到该红外光信号，经过该电路的解调，将此红外光信号还原成可被单片机处理的信号，由单片机内部处理得到原来的数据编码。
2 红外通信协议
协议的目的是给收发双方一个约定，使其能够进行同步，并正确的收发数据。本设计使用了类同步协议。当红外接收器未收到信号时，不产生定时操作，否则，首先接收起始位‘0’，并触发中断，启动定时器接收数据，然后判断是否为起始位，如果是，则继续接收数据，否则将定时器复位，重新检测起始位，在接收第二个停止位时，会触发一次中断来检测第一次接收的停止位是否正确，如果不正确，则复位定时器，重新接收，否则已经正确接收该数据段。
3 红外通信的原理分析
红外通信在空中传输的是载波信号，当有载波通过时，接收端输出数字信号‘0’，反之，输出数字信号‘1’。因此在发射电路发送的功能指令码，一般采用多位二进制串行码。本文中，红外通信数据采用脉冲编码，就是将每位数据信号用一个脉冲来表示，脉宽为526 μs，两个这样的脉冲周期表示‘1’，一个这样的脉冲周期表示‘0’。这样的脉冲信号都调制在频率为38 kHz的载波上再发送出去，调制后在空中传输的信号就是具有一定时间间隔的载波信号，其占空比由数据编码决定。在红外接收端，数据处理的过程正好相反，在接收红外光信号之后，会经过整形、放大、滤波、调制等一系列处理，然后在其输出端输出一系列的单片机能够处理的数据信号。
4 红外通信硬件设计原理
4.1 发送电路的硬件设计
HCS08GT60单片机内部有两个TPM模块，每个模块有两个通道，可以用任意一个通道的PWM功能，输出38 kHz的载波信号，本文编程设计根据实验条件的要求采用了TPM1通道1中心脉宽输出功能产生
38 kHz红外载波信号。而PTA7口作为普通的输入输出口，产生一定脉宽的方波信号，作为数据编码信号输入。硬件原理图如图1所示。
原理图中，电气节点CODE跟PTA7口相连，产生数据编码；电气节点CLK跟TPM1通道1相连，产生38 kHz红外载波信号。三极管基极串接的电阻和R5起到限流保护的作用，三极管本身则具有信号放大的功能，另外两个三极管级联将编码调制在38 kHz的载波上通过红外发射器发射出去。当编码为‘1’时，Q1，Q2截止，红外发射器上无电流通过，发射低电平信号，当编码为‘0’时，Q1，Q2导通，此时载波信号通过Q2放大在发射器上体现出38 kHz的载波信号。因此在PTA7端口输入不同的数据编码，通过该发送电路，在发射器上会出现具有一定间隔的38 kHz载波信号，经发射器将该载波信号转化成光信号发射出去。载波脉冲调制信号的时序图如图2所示。
4.2 接收电路的硬件设计
红外接收电路中使用了HS0038A接收器，HS0038A的内部逻辑框图如图3所示。
由此可看出该接收器内部实现了红外接收、放大、滤波及解调功能，当收到红外载波光信号时，红外接收器输出低电平，反之红外接收器输出高电平，从而可以将时断时续的红外光信号调制成连续的方波信号，经单片机内部处理可以将其转换成原来的数据。
硬件原理图如图4所示。
由于HS0038A内置滤波并且采用环氧塑封，可以作为红外滤波器，因此电路中不需要另外增加滤波器，并且HS0038A具备较强的抗干扰能力。
红外接收器输出引脚RevData连接在TPM2通道0，使用了TPM的输入捕捉功能，在上升沿时发生输入捕捉，比较两次捕捉发生时通道寄存器TPM2C0V的值，可以得到一个周期脉冲的宽度，根据发射数据的时序图，就可知道不同的脉冲宽度对应的数据是什么，由此就可将原数据还原出来。
5 红外通信的软件设计
5.1 38 kHz红外载波设计
MC9S08GT60使用了外部4 MHz的晶振频率，通过配置ICG1=0x78，ICG2=0x30，将总线频率控制为20 MHz。MC9S08GF60内部有定时／脉冲输出模块，将TPM1的状态控制寄存器的位CPWMS置1，则TPM1工作在中心脉宽输出模式；将TPM1通道0的状态控制寄存器的ELS0B：ELS0A设置为10，控制发生输出比较时将脉冲信号置高或置低。为使TPM1C1输出38 kHz频率的载波信号，就要对20 M Hz的总线频率进行526分频，即526个20 MHz的方波周期产生一个38 kHz的方波周期，因为是中心脉宽输出模式，输出脉冲宽度是通道值寄存器TPM1C1V中值的2倍，输出脉冲周期是通道预置寄存器T PM1M0D中值的2倍，因此令TPM1C1V=131，TPM1M0D=263，启动定时器后，定时器1的计数器TP
M1CNTL在自增1计数时，当该值跟通道值寄存器TPM1C1V中值匹配时，将脉冲输出信号拉低，定时器1的计数器TPMlCNTL在计数值开始进行自减1操作时，当下降到跟通道寄存器TPMlClV时，将脉冲输出信号拉高。中心脉宽输出的时序图如图5所示。从此通道输出的方波频率通过示波器查看为37.9 kHz 或38 kHz。
5.2 数据编码的设计
MC9S08GT60单片机有36个端口，大部分端口都具有双重功能，本文使用端口PTA7，配置该端口的方向寄存器PTADD_PTADD7为1，即PTA7为输出，根据脉冲编码的规则，进行不同的延时操作，使该端口输出一定宽度的数据脉冲，通过示波器查看该端口，可看到稳定的脉冲序列。
5.3 接收端信号的输入捕捉设计
将TPM2的状态控制寄存器的位CPWMS置0，则TPM2可以工作在输入捕捉模式、输出比较模式、边沿脉冲输出模式；为使TPM2通道0工作在输入捕捉方式，需要进一步设置TPM2通道0状态控制寄存器，将TPM2C0SC的模式选择位MS0B：MS0A设置为00，选择了输入捕捉方式，此外，要设置捕捉发生在什么条件下，那么需要设置TPM2COSC中的极性选择位ELS0B：ELS0A，使其为01，目的是在该引脚出现上升沿时发生捕捉。在发生捕捉时，通道值寄存器会将定时寄存器的值进行锁存，因此比较两次输入捕捉时，通道值寄存器的内容，根据编码规则，可知道该值对应的编码是‘1’或‘0’。此外通道值寄存器是16位的，如果希望通过串口调试窗口查看比较结果，因为串口接收数据缓冲寄存器是8位的，那么可以将其分解为两个8位的数据通过串口发送。
以下是输入捕捉的中断子程序：
程序功能描述：将捕捉的数据发往串口查看，这样不管用什么发射器，都可以通过观察串口数据得到识别码，完成不同的功能。