Обмен данными в инфракрасном диапазоне

Для обеспечения надежного приема и гарантированной защиты от помех использу­ется модуляция сигнала и кодирование. Передача данных производится в близком к видимому инфракрасном спектре. Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 800-950 нм. Самый простой способ избавиться от фонового шума — модулировать (заполнить) сигнал при передаче одной из стан­дартных частот: 30, 33, 36, 37, 38, 40, 56 кГц. Именно на эти частоты настроены все современные интегральные приемники.

Для обеспечения достаточной дальности при передаче кодовой последовательности необходимо сформировать мощный сигнал. Ток через ИК-светодиод может дости­гать 1 А — такие токи вполне допустимы в импульсном режиме, при этом средняя рассеиваемая мощность не должна превышать предельно допустимую, указанную в документации.

Разработано большое количество специализированных микросхем (SAA3010, GS8489, KS51840 и т. п), генерирующих готовую кодовую последовательность и потребляющих минимальный ток в ждущем режиме, что немаловажно при питании от батарей. Эти микросхемы существенно упрощают схему пультов дистанционно­го управления (ПДУ). Когда мы нажимаем кнопку пульта, микросхема передатчика активизируется и генерирует кодовую последовательность с заданным заполнени­ем. Светодиод преобразуют эти сигналы в ИК-излучение. Излученный сигнал при­нимается фотодиодом, который снова преобразует ИК-излучение в электрические импульсы. Эти импульсы усиливаются и демодулируются микросхемой приемника. Затем они подаются на декодер. Декодирование обычно осуществляется программ­но с помощью микроконтроллера.

Приемник ИК ПДУ должен восстанавливать данные с двухфазным кодированием и реагировать на большие быстрые изменения уровня сигнала независимо от помех. Ширина импульсов на выходе приемника должна отличаться от номинальной не более чем на 10 %. Приемник также должен быть нечувствительным к постоянным внешним засветкам. Удовлетворить всем этим требованиям достаточно непросто. Старые реализации приемника ИК ДУ, даже с применением специализированных микросхем, содержали десятки компонентов. Такие приемники часто использовали резонансные контуры, настроенные на частоту заполнения. Все это делало кон­струкцию сложной в изготовлении и настройке, требовало применения хорошего экранирования.

В последнее время большое распространение получили трехвыводные интегральные приемники ИК ПДУ (SFH5110-xx, TSOP17xx, TFMS5хх0 и т. п.). В одном корпусе они объединяют фотодиод, предусилитель и формирователь. На выходе формируется обычный ТТЛ-сигнал без заполнения, пригодный для дальнейшей обработки микроконтроллером. Наиболее важный параметр при выборе приемника — частота заполнения.

Внутренний усилитель интегрального приемника имеет высокий коэффициент уси­ления, поэтому для исключения самовозбуждения и устранения влияния наводок по цепям питания необходимо использовать электролитический конденсатор емкостью не менее 4,7 мкФ, подключенный максимально близко к выводу VCC.

В ПДУ используется три вида модуляции:

- двухфазное кодирование (Bi-phase coding). Фронт импульса — логическая "1", спад импульса — логический "0" (рисунок 55.1);

- модуляция длительностью пауз (Pulse Distance Modulation). Длина импульсов постоянна, паузы большей длительности — логическая "1", меньшей — логиче­ский "0" (рисунок 55.2);

- модуляция длительностью импульса (Pulse Width Modulation). Длина пауз по­стоянна, импульсы большей длительности — логическая "1", меньшей — логи­ческий "0" (рисунок 55.3).

Рисунок 55.1. Двухфазное кодирование

 

Рисунок 55.2 – Модуляция длительностью пауз

 

Рисунок 55.3- Модуляция длительностью импульса

 

Для ИК-пультов дистан­ционного управления нет единого и универсального протокола.

 

Протоколы для ИК-пультов

Наиболее распространенными протоколами для ИК-пультов дистанционного управления являются следующие:

- RC5;

- NEC;

- JVC;

- Sony.

Протокол RC5

Один из самых старых и распространенных протоколов. В свое время RC5, разра­ботанный фирмой Philips для управления бытовой аппаратурой, получил широкое употребление. Сейчас он применяется реже, и в основном любителями, из-за своей простоты и широкой доступности недорогих компонентов. Позднее фирма Philips внедрила и стала использовать улучшенный протокол RC6.

Основные характери­стики протокола RC5:

- 5-битный адрес, 6-битные команды;

- модуляция Bi-phase coding;

- сначала идут старшие биты, потом младшие (MSB first);

- частота заполнения 36 кГц.

В основном этот стандарт используется в изделиях фирмы Samsung.

Формат посылки RC5, кодирование логического "0м и логической "1" приведены на рисунках 55.4 и 55.5.

 

Рисунок 55.4 - Формат посыдки RC5

 

Два первых бита на рисунке 55.4 — это стартовые биты (всегда логическая "1"). Управ­ляющий бит T изменяется только при новом нажатии на кнопку. При удержании кнопки посылка передается с интервалом 64 такта, что составляет 113,778 мс (рисунок 55.6).

Рисунок 55.5-Кодирование логического "0" и логической "1"

протокола RC5

Рисунок 55.6 - Повторная передача

 

 

Протокол NEC

Очень распространенный, простой и универсальный протокол. Его используют многие корейские и японские производители бытовой техники — такие как Samsung, LG, NEC, Sanyo, Panasonic, Hitachi, Nokia, AverMedia. Сейчас сложно ус­тановить, кому из них принадлежит его разработка, но в Интернете он чаще всего упоминается как протокол NEC. Основные характеристики протокола:

- восьмибитные адрес и команды;

- адрес и команды дублируются с инверсией;

- модуляция Pulse Distance Modulation;

- сначала идут младшие биты, потом старшие (LSB first);

- частота заполнения 38 кГц.

Формат посылки NEC, стартовая последовательность, кодирование логического "0" и логической "1" приведены на рисунках 55.7, 55.8 и 55.9.

 

Рисунок 55.семи Формат посылки NEC

 

 

Рисунок 55.8 – Стартовая последовательность

 

 

Рисунок 55.9. Кодирование логического "0" и логической "1"

 

Основная посылка передается только один раз при нажатии на кнопку. При удер­жании кнопки передается последовательность повтора через каждые 110 мс (рисунки 55.10 и 55.11).

Рисунок 55.10 - Последовательность повтора

 

 

Рисунок 55.11 – Повторная передача

Протокол JVC

Протокол очень похож на NEC. Отличия заключаются только во временных интер­валах, отсутствии дублирования адреса команд с инверсией и способе передачи со­стояния удержания кнопки. Основные характеристики протокола:

- восьмибитные адрес и команды;

- модуляция Pulse Distance Modulation;

- сначала идут младшие биты, потом старшие (LSB first);

- частота заполнения 38 кГц.

Формат посылки JVC, стартовая последовательность, кодирование логического "0" и логической "1" приведены на рисунках 55.12, 55.13 и 55.14.

 

Рисунок 55.12 –Формат посылки JVC

 

Рисунок 55.13 – Кодирование логического «0» и логической «1»

 

Рисунок 55.14 – Стартовая последовательность

 

Основная посылка передается только один раз при нажатии на кнопку. При удер­жании кнопки передается только команда через каждые 50-60 мс, как показано на рисунке 55.15

Рисунок 55.15 – Повторная передача

 

Протокол Sony

Еще один распространенный протокол. Основные его характеристики:

- двенадцати, 15- и 20-битные варианты протокола;

- модуляция Pulse Width Modulation;

- сначала идут младшие биты, потом старшие (LSB first);

- частота заполнения 40 кГц.

В двенадцатибитном варианте: 7 битов команды и 5 битов адреса устройства. В 15-битном варианте — 8 и 7 битов соответственно. После окончания передачи удерживается состояние логического "0" до достижения интервала 45 мс с начала передачи. Фор­мат посылки Sony, стартовая последовательность, кодирование логического "0" и логической "1" приведены на рисунках 55.16, 55.17 и 55.18.

 

Рисунок 55.16 – Формат посылки Sony

 

Рисунок 55.17 – Стартовая последовательность

 

Рисунок 55.18 – Кодирование логического «0» и логической «1»

 

При удержании кнопки передается только команда через каждые 45 мс, как показано на рисунке 55.19.

 

Рисунок 55.19 – Повторная передача

 

Подключение ИК-приемника

В качестве приемника ИК ПДУ применим микросхему TSOP31236. В одном корпу­се она объединяют фотодиод, предусилитель и формирователь. На выходе форми­руется обычный ТТЛ-сигнал без заполнения, пригодный для дальнейшей обработ­ки микроконтроллером. Несущая частота 36 кГц, выход инверсный, т. е. при отсут­ствии сигнала на пин приходит логическая "1", при появлении сигнала он посылает логический "0". Внешний вид микросхемы представлен на рисунке 55.20.

 

 

Рисунок 55.20 - Микросхема TSOP31236

 

На рисунке 55.21 показано подключение приемника. Для исключения ложных срабатываний используется RC-фильтр.

 

Рисунок 55.21- Схема подключения

 

Библиотека IRremote

IRremote -  универсальная библиотека для приема и обработки кодов с любого пульта.

Для использования библиотеки в своих проектах поместить их в папку libraries каталога установки Arduino.

Скетч для получения кода и отправки в последовательный порт:

#include <IRremote.h>

int RECV_PIN = 11;

IRrecv irrecv(RECV_PIN); decode_results results;

void setup()

{

Serial.begin(9600);

irrecv.enableIRIn(); // включить приемник }

void loop()

{

if (irrecv.decode(&results))

{

Serial.println(results.value, HEX); irrecv.resume(); // получить следующее значение }

}

 

Можно и передавать ИК-команды.

Поддерживаемые протоколы: NEC, Sony SIRC, Philips RC5, Philips RC6.

Передающий ИК-светодиод должен быть подключен к pin 3, как показано на рисунке 55.22.

Рисунок 55.22-Схема для отправки ИК-кода

 

 

Скетч для отправки ИК-кода:

#include <IRremote.h>

IRsend irsend;

void setup()

{

Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

if (Serial.read()!= -1)

{

for (int i = 0; i < 3; i++)

{

irsend.sendSony(0xa90, 12); // Sony TV power code delay(100);

}

}

}