簡要介紹了IrDA紅外數據傳輸的特點。詳細介紹了各種常見IrDA設備的組成。本文重點介紹常用紅外數據傳輸電路的設計及註意事項。
本文全面闡述了IrDA的紅外數據傳輸、各種IrDA設備的組成以及不同類型紅外通信電路的設計。
1紅外數據傳輸及其規範介紹
紅外數據傳輸，使用的傳輸介質是紅外線。紅外線是波長在750 nm到1 mm之間的電磁波，人眼是看不見的。紅外數據傳輸壹般采用紅外波段的近紅外，波長在0.75微米到25 μ m之間，紅外數據協會成立後，為了保證不同廠家紅外產品的最佳通信效果，使用的紅外波長被限制在850nm~900nm。
IrDA是國際紅外數據協會的縮寫。IrDA先後制定了很多紅外通信協議，有的註重傳輸速率，有的註重低功耗，有的兼顧兩者。IrDA1.0協議基於異步收發器UART，最高通信速率為115.2kbps，簡稱SIR(串行紅外協議)，采用3/16 ENDEC編解碼機制。IrDA1.1協議將通信速率提高到4Mbps，簡稱FIR(快速紅外協議)。采用4PPM(脈沖位置調制)編解碼機制，同時保留了1.0協議的低速。之後，IrDA推出了最高通信速率為16Mbps的協議，簡稱VFIR(極快速紅外)。
IrDA標準包括三個基本規範和協議:紅外物理層鏈路規範(IRPHY)、紅外鏈路接入協議(IRLAP)和紅外鏈路管理協議(IRLMP)。IrPHY規範規定了紅外通信硬件設計的目標和要求；IrLAP和IrLMP是兩個軟件層，負責設置、管理和維護連接。在IrLAP和IrLMP的基礎上，針對壹些特定的紅外通信應用，IrDA相繼發布了壹些更高級別的紅外協議，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等。[1~3]
紅外傳輸距離為幾厘米到幾十米，發射角度通常為0 ~ 15。發射強度和接收靈敏度隨著不同的設備和不同的應用設計而變化。使用時，紅外通信只能在半雙工模式下進行。
這裏，符合IrDA紅外通信協議的設備稱為IrDA設備，符合SIR協議的設備稱為SIR設備，符合FIR協議的設備稱為FIR設備，符合VFIR協議的設備稱為VFIR設備。
紅外數據傳輸的基本模型
紅外數據傳輸可以簡單的用圖1來表示。
3種irda設備[3~8]
根據圖1描述的模型，IrDA設備被分類成不同的類型，如圖2所示。
根據傳輸速率，IrDA設備可分為SIR、FIR和VFIR三種類型。比如Vishay的紅外收發器，TFDU4300是SIR器件，TFDU6102是FIR器件，TFDU8108是VFIR器件。
根據應用功耗，IrDA設備可分為標準型和低功耗型。小功率設備通常使用1.8~3.6V電源，傳輸距離較短(約20cm)，如安捷倫的紅外收發器HSDL-3203。標準設備，通常使用DC5V電源，傳輸距離較長(從30cm~到幾十米)，如Vishay的紅外接收器TSOP12xx系列，配合其發射器TSAL5100，傳輸距離可達35m。
使用上述三種分類方法，可以清楚地表明IrDA紅外設備的性能。例如安捷倫的SIR標準紅外收發器HSDL-3000。
4 IrDA裝置的組成及應用[3~8]
4.1紅外發射器
紅外發射器多為Ga、As等材料的紅外發射二極管，能通過的LED電流越大，發射角度越小，發射強度越大。發射強度越大，紅外傳輸距離越遠，傳輸距離與發射強度的平方根成正比。有少數制造商生產具有內置驅動電路的紅外發射裝置。這種裝置的結構如圖3所示。
使用紅外發射器件時，通常需要串聯電阻來分壓和限流。
4.2紅外探測裝置
紅外探測裝置的主要部件是紅外敏感接收管，包括獨立的接收管、放大器和集成的放大器和解調器。後兩種類型的紅外探測設備如圖4所示。
接收靈敏度是衡量紅光探測器件的主要性能指標。接收靈敏度越高，傳輸距離越遠，誤碼率越低。
集成放大和解調功能的紅外探測設備通常包括帶通濾波器，常用於固定載頻(如40kHz)。
4.3紅外收發器
紅外收發器集發射和接收於壹體。通常，器件的發射部分包含壹個驅動器，接收部分包含壹個放大器，相關的關斷控制邏輯集成在內部。關閉控制邏輯在發送時關閉接收，以避免引入幹擾；當不使用紅外傳輸時，控制邏輯通過SD引腳接收指令，並關閉器件的電源，以降低功耗和節約能源。使用該器件時，有必要將適當的限流電阻連接到LED引腳。大多數紅外收發器設備都有屏蔽層。該層不宜直接接地，可通過串聯壹個磁珠接地，引入幹擾，影響接收靈敏度。紅外收發器的結構如圖5所示。
4.4紅外編碼器/解碼器
編碼/解碼，英文縮寫為ENDEC，意思是實現調制/解調。SIR設備的編碼/解碼機制是3/16 ENDEC，FIR設備的編碼/解碼機制是4PPM ENDEC。此處解釋3/16 ENDEC，其他參考相關資料。3/16 ENDEC，即壹個有效比特時間周期被分成16和其他小的時間周期，調制/解調信息由三個連續的小時間周期中脈沖的有無來表示。紅外編碼器/解碼器設備需要從外部訪問時鐘，或者使用自己的晶體振蕩器電路進行調制或解調。
紅外編碼器/解碼器設備，包括具有獨立編碼的集成設備，例如M50462AP三菱的鍵盤遙控紅外編碼器；還有集成編解碼的器件，這類器件比較常見，其組成如圖6所示。
4.5紅外數據關聯設備
紅外數據關聯設備，實現紅外傳輸系統與單片機、PC機或網絡系統的連接。設計中常用的器件包括UART串行異步收發器和USB接口轉換器。
USB接口設備實現紅外收發器與PC機的USB連接。高集成度的USB接口設備，比如SigmaTel的STIr4200。STIr4200完全兼容IrDA1.3和USB1.1。IrDA速率為2.4k～4 Mbps，包含壹個紅外編碼器/解碼器和壹個4KB FIFO緩沖器。它采用20/28引腳封裝，可以直接與標準IrDA收發器器件相連。其結構如圖7所示。
5常見紅外數據傳輸電路設計[3~9]
5.1家用電器紅外遙控收發電路設計
彩電、空調、VCD等家用電器的遙控收發機為單向傳輸，通信距離通常為3~5m，調制/解調的載波頻率通常為36~40kHz。發射端遙控器可由“集成鍵盤編碼IC+帶驅動的紅外發射管”組成，接收端可由“帶放大解調功能的紅外探測器”組成。接收到的信息可以直接發送給簡單的單片機(如AT89C2056544)。
圖8是用於家用電器的通用遙控收發器電路的框圖。
5.2 PC簡易紅外收發器設計
現在的筆記本電腦，掌上電腦，手機等。通常與具有編碼/解碼功能(38kHz載波)的5針紅外數據關聯集成在壹起；在不考慮調制/解調的情況下，很容易設計電路並為PC配備紅外收發器。
定義了5針紅外數據協會插座的管腳:壹對電源管腳Vcc和GND，壹對收發器接口IrTx(紅外發射器)和IrRx(紅外接收器)，壹個管腳NC未定義。
根據IrDA異步串行通信標準，IrTx引腳可以提供>:輸出電流為6.0mA時，IrRx引腳吸收
在PC上添加紅外收發器後，需要對系統進行如下設置:在BIOS中打開紅外接口，使用時在設備管理器中啟動“紅外監視器”。通常PC紅外數據關聯和它的COM2端口* * *使用相同的地址和中斷來打開紅外數據關聯，COM2端口不能再使用。
5.3 RS232-IRDA紅外收發電路設計
這類電路工作在異步串行通信模式，可以直接由“UART電平轉換器件+紅外編/解碼器器件+紅外收發器件”組成。圖10是壹個設計實例，圖中的器件使用的是Maxim的MAX232。MAX232完成RS232信號電平到標準數字信號電平的轉換(如5V系統)，HSDL-7000是紅外編/解碼器。
5.4 USB-irda紅外收發電路的設計
設計這類電路的最簡單方法是使用USB-IrDA接口器件。圖11是使用SigmaTel的STIr4200接口器件的設計示例。STIr4200有壹個可選的外部增強型傳輸端口。如果要增強紅外傳輸能力(比如傳輸距離)，可以在這個端口增加壹個發射管。對於STIr4200，SigamTel提供了各種Windows版本的驅動，使用起來非常方便。
5.5單片機-IrDA紅外收發電路設計
目前很多微控制器都集成了UART單元及其接口，支持IrDA標準，可以直接連接紅外收發系統。圖12是這種電路設計的壹個例子。MCP2120是微芯片上的紅外可編程波特率編/解碼器。
有些微控制器，如80C51單片機，雖然含有UART，但不支持IrDA標準或高速通信，不能直接連接紅外收發系統。還有壹些微控制器，雖然UART可以直接連接到紅外收發系統，但UART已被用於其他用途。此時，您可以選擇UART接口設備。圖13是80C51通過Maxim 3110連接到紅外收發系統。80C51單片機沒有SPI接口。這裏用它的I/O口通過軟件模擬SPI工作機制。MAX3110有壹個收發器中斷引腳，非常有利於軟件編程。
6紅外數據傳輸電路設計中的註意事項
①選擇好紅外設備。當需要快速傳輸時，可以選擇FIR、VFIR收發器和編碼器/解碼器。當需要遠距離傳輸時，可以選擇LED電流大、發射角度小的發射器和靈敏度高的接收探測器。在小功率場合應用時，可以選擇小功率紅外器件。註意低功耗和傳輸性能的矛盾:通常情況下，低功耗設備傳輸距離小。這壹點在應用中要綜合考慮。
②紅外數據傳輸是半雙工的。為了避免自身產生的信號幹擾自身，需要保證發送時不接收，接收時不發送。我們可以把重點放在軟件設計上，讓軟件在處於壹種狀態時，可以暫時忽略另壹種狀態；同時，要合理設置發送和接收的時間間隔，不需要馬上從壹種模式切換到另壹種模式。
③合理設計各種紅外設備的電源電路，選擇合適的DC-DC器件，做好電磁抑制，做好電源濾波。同時也要註意盡可能的降低功耗，不用的時候要能在軟件中控制紅外電路的供電。很多廠家都推薦了自己紅外設備的電路設計，要註意參考和實驗。
④設計PCB時，器件布局要合理。濾波電感、電容等。應放置在裝置附近，以保證過濾效果；系統的紅外裝置和地線應分開布置，只在壹點連接；晶體等振蕩器件應靠近所提供的器件，以減少輻射幹擾。
⑤增加紅外傳輸距離，提高收發靈敏度的方法:增加發射電路的數量，使幾個發射管同時開始發射；在接收管前安裝紅色濾光片，濾除其他光線的幹擾；在接收管和發射管前面加壹個凸透鏡，以提高它們的集光能力等。