1 引言
在工業(yè)和生活環(huán)境中,便攜式信息終端設(shè)備的出現(xiàn)加速了無(wú)線數(shù)字通信線路和局域網(wǎng)的引進(jìn),然而,由于無(wú)線電的局限性,使它在無(wú)線高速數(shù)據(jù)鏈路應(yīng)用方面受阻。在此情況下紅外（IR）無(wú)線光通信得到人們的重視[1]。作為一種室內(nèi)短距離通信的傳輸介質(zhì),IR具有勝過(guò)無(wú)線電的顯著優(yōu)點(diǎn)：IR有巨大的帶寬且不需許可證,可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸;IR不穿透墻壁,因而消除了在不同房間進(jìn)行通信時(shí)可能帶來(lái)的干擾,而且通信時(shí)不容易被偵聽(tīng),提高了通信的安全性;IR探測(cè)器的尺寸比IR無(wú)的波長(zhǎng)大得多,避免了多徑衰落;IR可強(qiáng)度調(diào)制,IR通信設(shè)備比無(wú)線電通信設(shè)備要便宜簡(jiǎn)單得多。
對(duì)室內(nèi)無(wú)線電局域網(wǎng),要求紅外數(shù)據(jù)鏈路的峰值-平均光功率比高,高峰值功率可提高系統(tǒng)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(diào)制（PPM）通信方式就符合這些要求,目前,PPM已被IEEE無(wú)列入無(wú)線局域網(wǎng)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)。用純硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)PPM光發(fā)射機(jī)是比較復(fù)雜和困難的,筆者利用功能強(qiáng)大的AT89S52型單片機(jī)和編程軟件VC++設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)串口和的紅外無(wú)線PPM發(fā)射機(jī)。AT89S52通過(guò)串口從計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù),編碼得到脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)后通過(guò)輸出端口輸出,輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)波形轉(zhuǎn)換電路得到PPM電脈沖信號(hào),再通過(guò)光源驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為PPM光脈沖信號(hào),從而完成紅外無(wú)線PPM發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)。
2 PPM信號(hào)格式
PPM采用斷續(xù)的周期性光脈沖作為載波,調(diào)制信號(hào)受到信源二進(jìn)制符號(hào)地控制,脈沖的時(shí)間位置隨之發(fā)生變化而傳遞信息,PPM信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖1所示,在數(shù)字PPM通信中,同步是至關(guān)重要的。為了實(shí)現(xiàn)幀同步,應(yīng)在傳送信息幀之前發(fā)送一次幀同步頭,為接收端提供同步信息,同時(shí)在信息幀的前面和后面分別安排2個(gè)標(biāo)志幀以表示信息的開(kāi)始和結(jié)束,這樣接收機(jī)捕獲到同步信號(hào)和起始標(biāo)志符后,開(kāi)始解調(diào)隨后的脈沖信號(hào),直到接收到結(jié)束標(biāo)志,表明數(shù)據(jù)接收完畢。
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每一個(gè)信息幀又分為信息段和保護(hù)段（由光源和信道的特性決定）,共M個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙的寬度為T(mén)s,其中前Q個(gè)時(shí)隙為信息段TQ=（QTs）,后D個(gè)時(shí)隙為保護(hù)段TD=（DTs）。對(duì)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(jìn)制信息,因此數(shù)據(jù)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(shí)間長(zhǎng)度。
在T不變的條件下,PPM的傳信率和峰值功率隨時(shí)隙數(shù)Q增大,但是Q值過(guò)大,也就是一幀分成的時(shí)隙數(shù)過(guò)多,會(huì)給信號(hào)的傳輸和解調(diào)帶來(lái)困難,信息和Q值成對(duì)數(shù)關(guān)系,例如,當(dāng)Q=256時(shí),一個(gè)脈沖表示8比特信息,而Q=512表示9比特信息,由此可見(jiàn),Q較大時(shí),脈沖攜帶的信息量隨Q值的增大并沒(méi)有明顯增加,綜合考慮以上情況和實(shí)際設(shè)計(jì)需要,筆者采用Q=16的PPM調(diào)制方式,時(shí)隙寬度Ts設(shè)為15μs。
3 AT89S52的特點(diǎn)
AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī),片內(nèi)含8KB ISP（In-system programmable）的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器、該器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造、兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。片內(nèi)集成了通用的8位CPU和ISP Flash為存儲(chǔ)單元,可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高性價(jià)比的解決方案。
TA89S52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳,8KB Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器,256 Bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）,32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口,1個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu);3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口,看門(mén)狗（WDT）電路和片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。
此外,AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置的省電模式。在空閑模式下,CPU暫停工作,而RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作,掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù),禁止電路的其他功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該電路還具有PDIP、TQFP和PLCC等封裝形式,以適應(yīng)不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。
4 硬件設(shè)計(jì)
紅外線PPM發(fā)射機(jī)由AT89S52型單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串行通信電路,PWM到PPM波形轉(zhuǎn)換電路和光源驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
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4.1 串行通信電路
為了能使單片機(jī)和計(jì)算機(jī)通信,必須使其遵循相同的通信協(xié)議,AT89C51的串行口輸入/輸出為T(mén)TL邏輯電平,抗干擾性較差,而計(jì)算機(jī)的串行接口是符合EIA RS-232C規(guī)范的外部總線標(biāo)準(zhǔn)接口,具有較強(qiáng)的抗干擾性,為了解決電平不一致的矛盾,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了Maxim公司的MAX232型電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,MAX232屬于通用串行接收/發(fā)送驅(qū)動(dòng)器,其外圍電路非常簡(jiǎn)單,只需外接4個(gè)0.1μF的電容器。
AT89S52具有串行通信接口（SCI）,SCI是能與計(jì)算機(jī)等外設(shè)通信的全雙工異步系統(tǒng),AT89S52與計(jì)算機(jī)采用RS-232C接口方式,這種方式下,SCI采用標(biāo)準(zhǔn)的不歸零（NRZ）格式,開(kāi)始是1位起始位,以邏輯“0”表示,接著是8位數(shù)據(jù)位,最后是1位停止位,以邏輯“1”表示故一次傳送據(jù)長(zhǎng)度為10比特,計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),AT89S52接收數(shù)據(jù),AT89S52將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行PWM編碼,得到幀周期固定,而脈沖寬度隨外部信號(hào)不斷變化的PWM信號(hào),然后通過(guò)P1.0端口輸出。
4.2 波形轉(zhuǎn)換電路
經(jīng)過(guò)單片機(jī)編碼輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)下降沿觸發(fā)器即可得到PPM脈沖信號(hào),波形轉(zhuǎn)換如圖3所示[7]。當(dāng)P1.0端口輸出的信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí),觸發(fā)器的輸出端產(chǎn)生所需的PPM脈沖信號(hào),其脈沖寬度由外部定時(shí)電路決定。
