什么是IrDA及其应用?
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- 2021-10-03 00:09
什么是IrDA及其应用?
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IrDA器件及其应用电路设计
摘要：简要介绍IrDA红外数据传输的特征；详细说明各种常见IrDA类型器件的构成；重点阐述常用红外数据传输电路的设计及其注意事项。
本文就IrDA红外数据传输、各种IrDA器件的构成及其不同类型的红外通信电路设计进行综合阐述。
1 红外数据传输及其规范简介
红外数据传输，使用传播介质——红外线。红外线是波长在750nm~1mm之间的电磁波，是人眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75μm~25μm之间。红外数据协会成立后，为保证不同厂商的红外产品能获得最佳的通信效果，限定所用红外波长在850nm~900nm。
IrDA是国际红外数据协会的英文缩写，IrDA相继制定了很多红外通信协议，有侧重于传输速率方面的，有侧重于低功耗方面的，也有二者兼顾的。IrDA1.0协议基于异步收发器UART，最高通信速率在115.2kbps，简称SIR(Serial Infrared，串行红外协议)，采用3/16 ENDEC编/解码机制。 IrDA1.1协议提高通信速率到4Mbps，简称FIR(Fast Infrared，快速红外协议)，采用4PPM (Pulse Position Modulation，脉冲相位调制)编译码机制，同时在低速时保留1.0协议规定。之后，IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的协议，简称VFIR(Very Fast Infrared，特速红外协议)。
IrDA标准包括三个基本的规范和协议：红外物理层连接规范IrPHY(Infrared Physical Layer Link Specification)，红外连接访问协议IrLAP (Infrared Link Access Protocol) 和红外连接管理协议IrLMP(Infrared Link Management Protocol)。IrPHY规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求；IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对连接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等等。[1~3]
红外传输距离在几cm到几十m，发射角度通常在0~15°，发射强度与接收灵敏度因不同器件不同应用设计而强弱不一。使用时只能以半双工方式进行红外通信。
在此把符合IrDA红外通信协议的器件称为IrDA器件，符合SIR协议的器件称为SIR器件，符合FIR协议的器件称为FIR器件，符合VFIR协议的器件称为VFIR器件。
2 红外数据传输的基本模型
红外数据传输可用图1简单表示。
3 IrDA器件的类型划分[3~8]
根据图1所述模型，把IrDA器件划分类型，如图2所示。
根据传输速率的大小，可以把IrDA器件区分为SIR、FIR、VFIR类型。如Vishay的红外收发器，TFDU4300是SIR器件，TFDU6102是FIR器件，TFDU8108是VFIR器件。
根据应用功耗的大小，可以把IrDA器件区分为标准型和低功耗型。低功耗型器件，通常使用1.8~3.6V电源，传输距离较小(约20cm)，如Agilent的红外收发器HSDL-3203。标准型器件，通常使用DC5V电源，传输距离大(在30cm~几十m)，如Vishay的红外接收器TSOP12xx系列，配合其发射器TSAL5100，传输距离可达35m。
使用上述三种分类方法，可以清晰地表明一个IrDA红外器件的性能。如Agilent的SIR标准型红外收发器HSDL-3000。
4 IrDA器件的构成及其使用[3~8]
4.1 红外发送器件
红外发送器大多是使用Ga、As等材料制成的红外发射二极管，其能够通过的LED电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大；发射强度越大，红外传输距离就越远，传输距离正比于发射强度的平方根。有少数厂商的红外发送器件内置有驱动电路。该类器件的构成如图3所示。
红外发送器件在使用时通常需要串联电阻，用以分压限流。
4.2 红外检测器件
红外检测器件的主要部件是红外敏感接收管件，有独立接收管构成器件的，有内含放大器的，有集成放大器与解调器的。后面两种类型的红外检测器件构成如图4所示。
接收灵敏度是衡量红检测器件的主要性能指标，接收灵敏度越高，传输距离越远，误码率越低。
内部集成有放大与解调功能的红外检测器件通常还含有带通滤波器，这类器件常用于固定载波频率(如40kHz)的应用。
4.3 红外收发器件
红外收发器件集发射与接收于一体。通常，器件的发射部分含有驱动器，接收部分含有放大器，并且内部集成有关断控制逻辑。关断控制逻辑在发送时关断接收，以避免引入干扰；不使用红外传输时，该控制逻辑通过SD引脚接受指令，关断器件电源供应，以降耗节能。使用器件时需要在LED引脚接入适当的限流电阻。大多数红外收发器件带有屏蔽层。该层不要直接接地，可以通过串联一磁珠再接地，以引入干扰影响接收灵敏度。红外收发器件的构成如图5所示。
4.4 红外编/解码器件
编/解码，英文简称ENDEC，即实现调制/解调。编/解码机制，SIR器件多采用3/16 ENDEC，FIR器件多采用4PPM ENDEC。在此解释一下3/16 ENDEC，其它可参阅有关资料。3/16 ENDEC，即把一个有效数字位(bit)时间段，划分为16等分小时间段，以连续3个小时间段内有无脉冲表示调制/解调信息。红外编/解码器件，需要从外部接入时钟或使用自身的晶体振荡电路，进行调制或解调。
红外编/解码器件，有单独编码的集成器件，如键盘遥控红外编码器Mitsubishi的M50462AP；也有集编码/解码于一体的，这类器件较为多见，其构成如图6所示。
4.5 红外接口器件
红外接口器件，实现红外传输系统与微控制器、PC机或网络系统的连接。设计中经常使用的器件有UART串行异步收发器件、USB接口转换器件等。
USB接口器件，实现红外收发与PC机的USB连接。集成度较高的USB接口器件如SigmaTel的STIr4200。STIr4200全兼容IrDA1.3和USB1.1，IrDA速率在2.4k~4Mbps，内含有红外编/解码器和4KB的FIFO缓存，20/28脚封装，可直接相联标准的IrDA收发器件，其构成如图7所示。
5 常用红外数据传输电路设计[3~9]
5.1 家电红外遥控收发电路的设计
彩电、空调、VCD等家用电器的遥控收发，是单向传输，通信距离通常在3~5m，调制/解调的载波频率通常在36~40kHz，可用“集成键盘编码IC+带驱动的红外发射管”构成发射遥控器，用“带放大与解调功能的红外检测器”构成接收端，接收后的信息可直接送给简易单片机(如AT89C2051)，由单片机通过软件进行遥控功能识别并产生相应动作。
图8是一个通用的家电遥控收发电路框图。
5.2 PC机简易红外收发装置设计
现在的笔记本电脑、掌上电脑、移动手机等，常常集成有含编/解码功能(38kHz载波)的5针红外接口；可以很容易地设计电路，给PC机配上红外收发装置，无须考虑调制/解调。
5针红外接口插座引脚定义了：一对电源脚Vcc和GND，一对收发接口IrTx(红外发射端)和IrRx(红外接收端)，有一针NC未定义。
根据IrDA异步串行通信有关标准，IrTx引脚能提供 >6.0mA的输出电流，IrRx引脚在吸收<1.5 mA电流时就能对输入信号作出反应。依此可以设计出如图9(a)所示的简易红外收发装置。为进一步提高收发传输能力，可在发射端增加驱动，在接收端增加放大。这样做，分立元件过多，电路不够简洁。为简化电路，可以使用带有驱动和放大能力的红外收发器件。图9(b)就是用Zilog的红外收发器ZHX1010构成的简易收发装置。
给PC机加上红外收发装置后，需要对系统做如下设置：在BIOS中打开红外线接口，在使用时于设备管理器中启动“红外线监视器”。通常，PC机红外接口与其COM2口共用同一地址和中断，打开了红外接口，COM2口就不能再使用了。
5.3 RS232-IrDA红外收发电路设计
这种类型电路工作在异步串行通信方式下，可以直接采用“UART电平转换器件 + 红外编/解码器件 + 红外收发器件”构成。图10是一个设计举例，图中器件使用了Maxim的MAX232。MAX232完成RS232信号电平到标准数字信号电平(如5V系统)的转换，HSDL-7000是红外编/解码器。
5.4 USB-IrDA红外收发电路设计
设计这种类型的电路，最简捷的途经就是使用USB-IrDA接口器件。图11是采用SigmaTel的STIr4200接口器件的一个设计举例。STIr4200有一个可选择的外部增强性发射端口，如果要增强红外传输能力(如传输距离)，可在该端口增加发射管。对于STIr4200，SigamTel提供有各种Windows版本的驱动程序，使用十分方便。
5.5 微控制器-IrDA红外收发电路设计
现在很多微控制器，内部集成有UART单元及其接口，支持IrDA标准，并可以直接与红外收发体系连接。图12是这类电路设计的一个举例。图中MCP2120是Microchip的红外可编程波特率编/解码器件。
有些微控制器，如80C51单片机，虽然内含有UART，却不支持IrDA标准或高速通信，不能直接相连红外收发体系。还有些微控制器，虽然所含的UART可以直接连接红外收发体系，但UART已用于其它目的。此时，可以选用UART接口器件。图13是80C51通过Maxim的MAX3110连接红外收发体系的，80C51单片机没有SPI接口。这里使用其I/O口，通过软件模拟SPI工作机制。MAX3110有一个收发传输中断脚，十分有利于软件编制。
6 红外数据传输电路设计的注意事项
① 要做好红外器件的选型。要求传输快速时，可选择FIR、VFIR收发器与编/解码器。要求长距离传输时，可选择大LED电流、小发射角发射器和灵敏度高的接收检测器。低功耗场合应用时，可选取低功耗的红外器件。要注意低功耗与传输性能之间存在着矛盾：通常低功耗器件，传输距离很小。这一点在应用时应该综合考虑。
② 红外数据传输是半双工性质的。为避免自身产生的信号干扰自身，要确保发送时不接收，接收时不发送，可以着眼于软件设计，使软件在一种状态时暂不理会另一种状态；同时要合理设置好收发之间的时间间隔,不立即从一种方式转入另一种方式。
③ 要合理设计好各种红外器件的供电电路，选择适当的DC-DC器件，恰当地进行电磁抑制，做好电源滤波。同时还要注意尽可能减少功耗，不使用红外电路时要在软件上能够控制关闭其供电。很多厂家对自己推出的红外器件都有推荐的电路设计，要注意参考并实验。
④ PCB设计时，要合理布局器件。滤波电感、电容等要就近器件放置，以确保滤波效果；红外器件与系统的地线要分开布置，仅在一点相连；晶体等振荡器件要靠近所供器件，以减少辐射干扰。
⑤ 增大红外传输距离、提高收发灵敏度的方法：增加发射电路的数量，使几只发射管同时启动发送；在接收管前加装红色滤光片，以滤除其它光线的干扰；在接收管和发射管前面加凸透镜，提高其光线采集能力等等。
摘要：简要介绍IrDA红外数据传输的特征；详细说明各种常见IrDA类型器件的构成；重点阐述常用红外数据传输电路的设计及其注意事项。
本文就IrDA红外数据传输、各种IrDA器件的构成及其不同类型的红外通信电路设计进行综合阐述。
1 红外数据传输及其规范简介
红外数据传输，使用传播介质——红外线。红外线是波长在750nm~1mm之间的电磁波，是人眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75μm~25μm之间。红外数据协会成立后，为保证不同厂商的红外产品能获得最佳的通信效果，限定所用红外波长在850nm~900nm。
IrDA是国际红外数据协会的英文缩写，IrDA相继制定了很多红外通信协议，有侧重于传输速率方面的，有侧重于低功耗方面的，也有二者兼顾的。IrDA1.0协议基于异步收发器UART，最高通信速率在115.2kbps，简称SIR(Serial Infrared，串行红外协议)，采用3/16 ENDEC编/解码机制。 IrDA1.1协议提高通信速率到4Mbps，简称FIR(Fast Infrared，快速红外协议)，采用4PPM (Pulse Position Modulation，脉冲相位调制)编译码机制，同时在低速时保留1.0协议规定。之后，IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的协议，简称VFIR(Very Fast Infrared，特速红外协议)。
IrDA标准包括三个基本的规范和协议：红外物理层连接规范IrPHY(Infrared Physical Layer Link Specification)，红外连接访问协议IrLAP (Infrared Link Access Protocol) 和红外连接管理协议IrLMP(Infrared Link Management Protocol)。IrPHY规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求；IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对连接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等等。[1~3]
红外传输距离在几cm到几十m，发射角度通常在0~15°，发射强度与接收灵敏度因不同器件不同应用设计而强弱不一。使用时只能以半双工方式进行红外通信。
在此把符合IrDA红外通信协议的器件称为IrDA器件，符合SIR协议的器件称为SIR器件，符合FIR协议的器件称为FIR器件，符合VFIR协议的器件称为VFIR器件。
2 红外数据传输的基本模型
红外数据传输可用图1简单表示。
3 IrDA器件的类型划分[3~8]
根据图1所述模型，把IrDA器件划分类型，如图2所示。
根据传输速率的大小，可以把IrDA器件区分为SIR、FIR、VFIR类型。如Vishay的红外收发器，TFDU4300是SIR器件，TFDU6102是FIR器件，TFDU8108是VFIR器件。
根据应用功耗的大小，可以把IrDA器件区分为标准型和低功耗型。低功耗型器件，通常使用1.8~3.6V电源，传输距离较小(约20cm)，如Agilent的红外收发器HSDL-3203。标准型器件，通常使用DC5V电源，传输距离大(在30cm~几十m)，如Vishay的红外接收器TSOP12xx系列，配合其发射器TSAL5100，传输距离可达35m。
使用上述三种分类方法，可以清晰地表明一个IrDA红外器件的性能。如Agilent的SIR标准型红外收发器HSDL-3000。
4 IrDA器件的构成及其使用[3~8]
4.1 红外发送器件
红外发送器大多是使用Ga、As等材料制成的红外发射二极管，其能够通过的LED电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大；发射强度越大，红外传输距离就越远，传输距离正比于发射强度的平方根。有少数厂商的红外发送器件内置有驱动电路。该类器件的构成如图3所示。
红外发送器件在使用时通常需要串联电阻，用以分压限流。
4.2 红外检测器件
红外检测器件的主要部件是红外敏感接收管件，有独立接收管构成器件的，有内含放大器的，有集成放大器与解调器的。后面两种类型的红外检测器件构成如图4所示。
接收灵敏度是衡量红检测器件的主要性能指标，接收灵敏度越高，传输距离越远，误码率越低。
内部集成有放大与解调功能的红外检测器件通常还含有带通滤波器，这类器件常用于固定载波频率(如40kHz)的应用。
4.3 红外收发器件
红外收发器件集发射与接收于一体。通常，器件的发射部分含有驱动器，接收部分含有放大器，并且内部集成有关断控制逻辑。关断控制逻辑在发送时关断接收，以避免引入干扰；不使用红外传输时，该控制逻辑通过SD引脚接受指令，关断器件电源供应，以降耗节能。使用器件时需要在LED引脚接入适当的限流电阻。大多数红外收发器件带有屏蔽层。该层不要直接接地，可以通过串联一磁珠再接地，以引入干扰影响接收灵敏度。红外收发器件的构成如图5所示。
4.4 红外编/解码器件
编/解码，英文简称ENDEC，即实现调制/解调。编/解码机制，SIR器件多采用3/16 ENDEC，FIR器件多采用4PPM ENDEC。在此解释一下3/16 ENDEC，其它可参阅有关资料。3/16 ENDEC，即把一个有效数字位(bit)时间段，划分为16等分小时间段，以连续3个小时间段内有无脉冲表示调制/解调信息。红外编/解码器件，需要从外部接入时钟或使用自身的晶体振荡电路，进行调制或解调。
红外编/解码器件，有单独编码的集成器件，如键盘遥控红外编码器Mitsubishi的M50462AP；也有集编码/解码于一体的，这类器件较为多见，其构成如图6所示。
4.5 红外接口器件
红外接口器件，实现红外传输系统与微控制器、PC机或网络系统的连接。设计中经常使用的器件有UART串行异步收发器件、USB接口转换器件等。
USB接口器件，实现红外收发与PC机的USB连接。集成度较高的USB接口器件如SigmaTel的STIr4200。STIr4200全兼容IrDA1.3和USB1.1，IrDA速率在2.4k~4Mbps，内含有红外编/解码器和4KB的FIFO缓存，20/28脚封装，可直接相联标准的IrDA收发器件，其构成如图7所示。
5 常用红外数据传输电路设计[3~9]
5.1 家电红外遥控收发电路的设计
彩电、空调、VCD等家用电器的遥控收发，是单向传输，通信距离通常在3~5m，调制/解调的载波频率通常在36~40kHz，可用“集成键盘编码IC+带驱动的红外发射管”构成发射遥控器，用“带放大与解调功能的红外检测器”构成接收端，接收后的信息可直接送给简易单片机(如AT89C2051)，由单片机通过软件进行遥控功能识别并产生相应动作。
图8是一个通用的家电遥控收发电路框图。
5.2 PC机简易红外收发装置设计
现在的笔记本电脑、掌上电脑、移动手机等，常常集成有含编/解码功能(38kHz载波)的5针红外接口；可以很容易地设计电路，给PC机配上红外收发装置，无须考虑调制/解调。
5针红外接口插座引脚定义了：一对电源脚Vcc和GND，一对收发接口IrTx(红外发射端)和IrRx(红外接收端)，有一针NC未定义。
根据IrDA异步串行通信有关标准，IrTx引脚能提供 >6.0mA的输出电流，IrRx引脚在吸收<1.5 mA电流时就能对输入信号作出反应。依此可以设计出如图9(a)所示的简易红外收发装置。为进一步提高收发传输能力，可在发射端增加驱动，在接收端增加放大。这样做，分立元件过多，电路不够简洁。为简化电路，可以使用带有驱动和放大能力的红外收发器件。图9(b)就是用Zilog的红外收发器ZHX1010构成的简易收发装置。
给PC机加上红外收发装置后，需要对系统做如下设置：在BIOS中打开红外线接口，在使用时于设备管理器中启动“红外线监视器”。通常，PC机红外接口与其COM2口共用同一地址和中断，打开了红外接口，COM2口就不能再使用了。
5.3 RS232-IrDA红外收发电路设计
这种类型电路工作在异步串行通信方式下，可以直接采用“UART电平转换器件 + 红外编/解码器件 + 红外收发器件”构成。图10是一个设计举例，图中器件使用了Maxim的MAX232。MAX232完成RS232信号电平到标准数字信号电平(如5V系统)的转换，HSDL-7000是红外编/解码器。
5.4 USB-IrDA红外收发电路设计
设计这种类型的电路，最简捷的途经就是使用USB-IrDA接口器件。图11是采用SigmaTel的STIr4200接口器件的一个设计举例。STIr4200有一个可选择的外部增强性发射端口，如果要增强红外传输能力(如传输距离)，可在该端口增加发射管。对于STIr4200，SigamTel提供有各种Windows版本的驱动程序，使用十分方便。
5.5 微控制器-IrDA红外收发电路设计
现在很多微控制器，内部集成有UART单元及其接口，支持IrDA标准，并可以直接与红外收发体系连接。图12是这类电路设计的一个举例。图中MCP2120是Microchip的红外可编程波特率编/解码器件。
有些微控制器，如80C51单片机，虽然内含有UART，却不支持IrDA标准或高速通信，不能直接相连红外收发体系。还有些微控制器，虽然所含的UART可以直接连接红外收发体系，但UART已用于其它目的。此时，可以选用UART接口器件。图13是80C51通过Maxim的MAX3110连接红外收发体系的，80C51单片机没有SPI接口。这里使用其I/O口，通过软件模拟SPI工作机制。MAX3110有一个收发传输中断脚，十分有利于软件编制。
6 红外数据传输电路设计的注意事项
① 要做好红外器件的选型。要求传输快速时，可选择FIR、VFIR收发器与编/解码器。要求长距离传输时，可选择大LED电流、小发射角发射器和灵敏度高的接收检测器。低功耗场合应用时，可选取低功耗的红外器件。要注意低功耗与传输性能之间存在着矛盾：通常低功耗器件，传输距离很小。这一点在应用时应该综合考虑。
② 红外数据传输是半双工性质的。为避免自身产生的信号干扰自身，要确保发送时不接收，接收时不发送，可以着眼于软件设计，使软件在一种状态时暂不理会另一种状态；同时要合理设置好收发之间的时间间隔,不立即从一种方式转入另一种方式。
③ 要合理设计好各种红外器件的供电电路，选择适当的DC-DC器件，恰当地进行电磁抑制，做好电源滤波。同时还要注意尽可能减少功耗，不使用红外电路时要在软件上能够控制关闭其供电。很多厂家对自己推出的红外器件都有推荐的电路设计，要注意参考并实验。
④ PCB设计时，要合理布局器件。滤波电感、电容等要就近器件放置，以确保滤波效果；红外器件与系统的地线要分开布置，仅在一点相连；晶体等振荡器件要靠近所供器件，以减少辐射干扰。
⑤ 增大红外传输距离、提高收发灵敏度的方法：增加发射电路的数量，使几只发射管同时启动发送；在接收管前加装红色滤光片，以滤除其它光线的干扰；在接收管和发射管前面加凸透镜，提高其光线采集能力等等。
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