《红外发射机的设计方案与实现》课程大学论文

摘要红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、准确度高、速度快的特点，因而广泛应用于工业、医疗、家用电器等设备的开启和关闭控制，也可用于手机、计算机、PDA等的信息传输和对多种工作状态进行控制。工业设备中,在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控补紧完全可靠而且能有效地格力电气干扰.本设计以TC9012芯片为核心器件，重点介绍了利用TC9012实现红外发射电路的设计方法.TC9012是一块用于东芝系列红外遥控系统中的专用发射集成电路，采用CMOS工艺制造。它可外接32个按键,提供8种用户编码，另外还具有3种双重按键功能。TC9012的管脚设置和外围应用线路都进行了高度优化，以配合PCB的布图和低成本的要求。发射电路采用TC9012将待发送的二进制信号编码调制为38KHz脉冲信号通过红外发射管发射红外信号,来实现以红外线为传送信息媒介的短距离无线遥控控制电路，较好地满足了现代生活、生产和科研的需要。关键词:红外通信红外发射TC9012ABSTRACTTheinfraredremotecontrolisthemostwidelyusedmeansofacommunicationandremotecontrol。Fortheinfraredremotecontroldevicewithsmallsize，lowpowerconsumption,strongfunction，highaccuracyandfastspeed，Itisnotonlywidelyusedinindustrial，medical，homeappliancesandotherequipmentforopeningandcloseingcontrol，butalsousedininformationtransmissionandcontrolofavarietyofworkingconditionssuchasmobilephones，computers,PDA.Amongtheindustrialequipment，usingtheinfraredremotecontrolcanisolateElectricalinterferenceinhighpressure，radiation,toxicgases,dustandotherenvironmentsreliablyandeffectively。ThisdesignusingtheTC9012chipasthecorecomponent，focusonhowtouseTC9012toachieveinfraredemissioncircuitdesignmethods.TC9012，createdwithCMOStechnology,isaninfraredremotecontrolsystemfortheToshibaseriesofspeciallaunchintegratedcircuit。Itcanadd32buttonswhileproviding8usercodesand3dualkeyfunctions.TC9012pinsettingsandexternalapplicationlinesarehighlyoptimizedtomeetthePCB’slayoutandlowcost.ThetransmittercircuitusesTC9012tobinarysignaltobesentout38KHzpulsecodemodulationsignalthroughtheinfraredemissioninfraredemissioncontrolsignaltotheinfraredasthetransmissionofinformationtoachieveashort—mediumrangewirelessremotecontrolcircuit,whichcansatisfiestheneedsofmodernlife,productionandresearch。Keyword:InfraredcommunicationInfraredemissionTC9012目录1引言 11.1红外通信的背景 11。2红外通信技术简介及其发展前景 11.2。1红外无线通信的特点 11。2。2IrDA无线通信协议简介 31。2.3红外无线技术的发展前景 31.3红外辐射 41。4红外控制器 42红外发射系统的设计 63结束语 15致谢参考文献附录第1章引言1.1红外通信的背景随着电子技术的发展，无线通信得到了越来越广泛的应用，市场上许多无线通信产品都是基于无线电技术的。然而，无线电信号的频率范围已经非常拥挤，并且各个国家对无线电频谱范围管理都比较严格，可提供的频率范围已经非常短缺。因此，希望找到有一种能够适合各个国家规范要求的无线通信手段。另一方面，电磁波谱的光学范围在全球市场上没有严格管制,并且不需要认证.随着笔记本和个人数字产品（PDA,PersonalDigitalAssistant）的增长，已经对用于个人无线传输（PWD，PersonalWirelessDelivery）系统和桌面网络(DAN，DeskAreaNetworks)系统的红外无线通信进行了大量的研究。红外无线数据通信能够满足正对放置设备的高位速率数据通信要求，并且具有巨大的、不受限制的带宽潜力。红外无线数据通信还具有较低的价格和功耗的优势。在以1Mbps的速率传输时,红外无线通信需要大约150mW的功率，而无线电通信却需要大约1W的功率。由于红外线不能穿透墙壁等不透明物体，从而使得传输信息具有很高的安全性。然而,红外无线数据通信不能实现无线电通信具有的穿透物体传输信息的功能，同时,物体对光线的反射以及外界光线会对红外无线通信产生干扰。虽然如此，但并不影响红外通信技术在室内通信中的应用，因为在室内短距离的数据通信可以满足红外无线数据通信的环境要求。红外无线通信位速率也从最初的几Kbps达到目前的几百Mbps。1.2红外通信技术简介及其发展前景1。2.1红外无线通信的特点红外无线通信采用红外线采用红外线作为通信载体,一般采用0.9μm波长左右的红外线。调制方式一般采用ASK、QPSK、PPM等，传输速率为2。4kbps～16Mbps。红外线方式是电波法适用法规以外的方式，在通信速率和调制方式方面享有充分的自由.红外线在短距离、室内应用中有较大的优势.红外通信成本低、速度快，而且带宽几乎不受限制.红外链路采用IM/DD（IntensityModulationwithDirectDetection,即亮度调制/直接探测）信道，因为载波的波长短，而且探测器面积相对较大，就能有效地避免多径衰减,所以红外链路组网简单。红外线波长与可见光接近，它不能穿透不透明的障碍物，所以红外传输范围被限制在同一个房间内，但这种局限性却使通信的安全性得到了提高，也避免了不同房间的交叉干扰。要想在多个房间之间进行通信,就得通过有线途径增加红外接入点（AccessPoint)。红外线易受环境噪声的影响，如太阳光，电灯等。红外探测器的信噪比正比于接收光功率的平方，这就意味着IM/DD链路能承受的路径损耗很小,为了提高信噪比,降低误码率,就必须增大发射功率.我们把无线电波和红外线两种传输媒介的有关参数进行了比较，可以明显地看出红外线的特点，如表1—1。表1-1无线电波通信与红外通信的比较无线电波红外线红外结论带宽限制有无无需通过认证覆盖范围小，安全性强链路设计简单有效通信距离小难以在室外使用传输功率高穿墙能力能无多路衰减有无多路失真有有路径损耗高高主要干扰源其他用户背景光线输入X（t）电流功率信噪比参数|X|X平均功率|X|X(t)|dt1。2.2IrDA无线通信协议简介美国IEEE学会的802委员会在1999年制定了适用于无线局域网的IEEE802.11协议,详细规定了无线局域网的物理层和MAC层的标准。在IEEE802。11物理层标准中,除了使用2。4GHz频率的射频以外,还包括红外媒介的有关标准。一般使用0。85～0.9μm波长的红外线，目前规定速率是1Mbit/s和2Mbit/s。调制方式采用4或16的脉冲位置调制（PPM）。由于是光通信，基本是不需要穿越墙壁的，同时传播距离也比使用电波的802.11方式短得多,所以在通信距离比较短时，作为无线连接用的IrDA开始迅速普及。IrDA即红外数据协会，全称TheInfraredDataAssociation，是1993年6月成立的一个国际性组织，专门制定和推进能共同使用的低成本红外数据互连标准，支持点对点的工作模式。IrDA的宗旨是制定以合理的代价实现的标准和协议，以推动红外通信技术的发展。IrDA1。0可支持最高115。2kbps的通信速率，而IrDA1。1可以支持的通信速率达到4Mbps。1。2。3红外无线技术的发展前景由于标准的统一和应用的广泛，更多的公司开始开发和生产符合IrDA协议的模块，技术的进步也使得模块的集成度越来越高，体积也越来越小.符合IrDA标准的红外收发器目前被集成到很多设备中，包括便携机、PDA、打印机、手机、数码相机、手表以及一些用于有线网连接的无线接入点（WirelessAccessPoint）。包括IBM、HP在内的大公司都投入了该技术的开发。该技术已经用于语音、数据通信等领域，正在发展的应用有ISDN的红外无线接入设备、分布式视频红外无线接入、计算机红外无线接入的软件支持、无线红外LAN、ATM网的红外无线接入等,目前该技术正向高带宽、高速率方向发展。目前红外无线技术领域的研究主要包括如下几个方面：红外无线通信的数学模型的建立；强背景干扰下的红外无线通信链路特性的实验研究；红外无线通信调制方式的分析；红外无线通信的均衡技术;红外无线LAN的原理及多址方式；红外无线LAN的通信协议;红外无线光接收机、光发射机的空间分集的研究等。1.3红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线.但实际上它与其他任何光线一样,也是一种客观存在的物质。任何物体,只要它的温度高于绝对零度（-273°C）,就会有红外线向周围空间辐射.红外线的波长范围大致在0.76μm到1000μm的频谱范围之内。相对应的频率大致在4×1014~3×10红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物体的吸收和散射作用,使辐射在传输过程中逐渐衰减。红外辐射在通过大气层时,有三个波段透过率高，他们是2～2.6μm、3～5μm和8~14μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测器技术特别重要，因为红外探测器一般都工作在这三个波段之内.1。4红外控制器红外控制器完成对信号的数字编码解码。据红外数据传输速度的不同按照红外通信协议（IrDA)规定进行不同的编码，编码方式依红外无线通信协议的标准。目前，TI公司的TIR1000、TIR2000，能够用于控制各种模式，最高速率可达到IrDA1.1规定的4Mbps。其他的红外控制器还有美国国家半导体（NationalSemiconductor）的PC87108、PC87109,SMC公司的FDC37C669，MICROCHIP公司的MCP2120、MCP2122等。但目前红外控制器大多只能达到高速模式.实验中使用的超速红外控制器一般采用可编程逻辑器件来实现，如CPLD和FPGA。第2章红外发射系统的设计2。1红外收发电路的硬件设计TC9012是一块用于东芝系列红外遥控系统中的专用发射集成电路，采用CMOS工艺制造。它可外接32个按键，提供8种用户编码，另外还具有3种双重按键功能。TC9012的管脚设置和外围应用线路都进行了高度优化，以配合PCB的布图和低成本的要求。主要特点低压CMOS工艺制造低功耗超小静态电流低工作电压（VDD=2.0～5.0V）32+3条指令码8种用户编码可选择TSOP—20、SOP20、COB可选的封装形式应用范围电视机、组合音响设备、录音卡座、VCD、DVD播放机结构框图管脚图管脚说明功能说明一.编码方式TC9012的一帧数据中含有32位码，包含两次8位用户码，8位数据码和8位数据码的反码及最后位的同步位。引导码由4。5ms的载波和4.5ms的载波关断波形所构成，以作为用户码、数据码以及他们的反码的先导。同步位（SY）是标志最后一位编码是“0”或“1”的标识位，它只有0。56ms的有载波信号构成。发射码的格式如下图二．用户编码选择用户编码一共有8种，是利用“SEL”脚与“KO0～KO7”TC9012共有8位用户码：其中S0,S1，S2由SEL与KO0～KO7的连接来确定；S3固定为“1”;S4,S5,S6,S7固定为“0"。三.遥控器输出波形长按键发码示意图 发码数据参数示意图“1”和“0”的区分取决于脉冲之间的时间,称之为脉冲位置调制方式(发射端输出高电平时按图5的载波波形发送,频率：38KHz;占空比：1/3。四.工作模式电路有两种工作模式：正常工作模式；低功耗模式,除非有键按下,振荡器平时是停振的,这样可以降低功耗。电路有去抖动功能，按键的时间不够长（小于32ms）,无码发出,振荡器停振.TC9012振荡频率使用455KHz的晶振。五.键数据码确定TC9012遥控器设置4个按键输入端KI0-KI3和8个按键输出端KO0-KO7，由此设置了一个4＊8的键盘,共32键。键盘矩阵如下表所示：这里共设置了32个键，所有系统的键值均按同一方式编码。键数据的编码方式如下:｛0,0，0，KO［2：0］,KI［1:0］｝。例如：当按下键K13时，其输出键值为K7～K0=00001100，当按下键K24时,其输出键值为K7~K0=00010111，当按下键K22时，其输出键值为K7~K0=00010101,当按下键K31时，其输出键值为K7～K0=00011110。键一直按着，将一帧码发完后发固定的重复码;当键松开时，等该帧码发完后进入低功耗模式。用户码和键数据码的发送均是低位在前，高位在后。六。双重按键操作TC9012的双重按键方式一共有六种：K21键与K22~K24的组合,K25键与K26～K28的组合，如下表：除这六种之处的双键或多键按下都将被视为无效按键，无发射码输出。另外，双重按键的操作是分按键先后顺序的，必须先按住K21或K25键，再按其它相应组合键K22~K24。例如：当按下K21时，系统先发出K21的键值K7~K0=00010100，然后按下K22时,系统则发出双重按键码K7～K0=00110101。参数说明极限参数（除非特别说明，Tamb=25℃推荐工作条件（除非特别说明，Tamb=25℃电气参数（除非特别说明,Tamb=25℃,VDD=3。0V参考应用电路原理图以下为遥控器布图的注意事项：1、将电源滤波电容尽可能靠近IC;电源滤波电容只需要使用104的瓷片电容即可；2、尽可能避免电源和地线走线过长或过细;3、尽可能把晶振电路放置在离芯片较近的位置；4、建议在三极管的发射极使用2欧姆的限流电阻；5、建议晶振旁