基于红外线通信的数据采集与网络控制

第２５卷第４期 黑 龙 江 工 程 学 院 学 报（自然科学版） Ｖｏｌ．２５ №．４ ２０１１年１２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｃ．，２０１１
基于红外线通信的数据采集与网络控制
图 ５ 红 外 线 通 信 主 节 点 程 序 流 程
成符合红外线发送到从机的格式。先向从机发送启 动 码 ，９ｍｓ时 长 的３８ｋＨｚ脉 冲 信 号 ，再 发 送４．５ｍｓ 的低电平。３８ｋＨｚ信号 由 定 时 器 ＴＩＭＥＲ４ 的 中 断 产生，每次中 断 Ｐ１．４ 取 反，每 １３ｕｓ产 生 一 次 中 断， ＴＩＭＥＲ４中断子程序的流程见图 ６。 当发送红外线 信号的 高 电 平 时，送 出 ３８ｋＨｚ 信 号，低 电 平 时 不 送。 接 着 发 送 ３２ 位 数 据 信 号，信 号 是 ０ 时， ０．５６ ｍｓ时 长 送 ３８ｋＨｚ脉 冲 ，０．５６ ｍｓ送 出 低 电 平 ； 信 号 是 １ 时 ，０．５６ ｍｓ时 长 送 ３８ｋＨｚ脉 冲 ，１．６８ ｍｓ 送出 低 电 平。 然 后，等 待 从 节 点 发 来 的 数 据。 当
３ 红外线无线通信原理及网络通信协 议
红外线数据通信的时序如图３所示。启动码由 ａ＋ｂ 组 成 ，ａ＝９ ｍｓ，ｂ＝４．５ ｍｓ。 二 进 制 的０ 由ｃ＋ｃ 组成，ｃ＝０．５６ｍｓ；１由ｃ＋ｄ 组成，ｄ＝１．６８ ｍｓ。 为 了减小功耗和增大 通 信 距 离，红 外 线 通 信 采 用 将 发 送的二 进 制 ０ 和 １ 进 行 编 码 调 制，高 电 平 调 制 在 ３８ｋＨｚ的 载 波 上 ，再 通 过 电 流 放 大 电 路 后 驱 动 红 外 ＬＥＤ 发 送 出 去。 在 接 收 端 恢 复 出 编 码 信 号 以 供 ＣＰＵ 解码。注意，接收端信号与发送端反相。 目 前 广泛采用 的 一 体 化 红 外 接 收 头 能 直 接 输 出 解 调 信 号。实际上，这个接收 头 是 一 个 集 成 电 路，它 封 装 了红外光电管、前 置 放 大 器、限 幅 放 大 器、带 通 滤 波 器 、检 波 和 比 较 、积 分 器 和 整 形 电 路 。 本 红 外 线 通 信 系统的数据格式如 图 ４ 所 示。 它 由 ４ 字 节 ３２ 位 二 进 制 码 组 成 ，第 １ 字 节 高 ４ 位 是 设 备 码 ，低 ４ 位 是 设 备码 的 反 码。４ 位 有 １６ 种 编 码，编 码 ０ 作 为 广 播 码，其余１５种编 码 分 配 给 １５ 个 从 设 备。 设 备 码 的 反码用于对设备码进行校验。第２字节的高４位是 命 令 码 ，作 为 主 机 和 从 机 交 换 数 据 的 命 令 ，低 ４ 位 开 关量作为主机发送给从机的开关量和从机发送给主 机的从 机 的 状 态。模 拟 量 高 低 两 字 节 既 是 从 机 ＡＤＣ 采集的数 据，也 是 主 机 送 给 从 机 ＤＡＣ 的 模 拟 量。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ａｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｉｔｈ Ｃ８０５１Ｆ３５０ ＭＣＵ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄａｔａ
ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ｆｏｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｅｎｃｏｄｉｎｇ，ｄｅｃｏｄｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｓｅｒｖｉｃｅ．Ｔｈｅ ｓｌａｖｅ ｎｏｄｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｃａｐｔｕｒｅ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎａｌｏｇ ａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｖａｌｕｅ，ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｄａｔａ ｔｏ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｎｅｃｔｓ ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ ｎｏｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｃｏｍｍａｎｄｓ ｆｒｏｍ
韩 旭 ，于 小 亿
（兰州大学 信息科学与工程学院，甘肃 兰州 ７３００００）
摘 要：介绍利用 Ｃ８０５１Ｆ３５０单片机进行数据采集和红外线通信技术，进而实现对设备 进 行 控 制 的 方 法。 论 述 该 红 外线通信系统的组成结构、硬件原理和软件流程，包括红外线通信 协 议、编 码、解 码 及 中 断 服 务 程 序 设 计 。 该 系 统 从 节点可以高精度地采集现场的模 拟 量 和 数 字 量，通 过 主 从 式 红 外 线 无 线 网 络 将 数 据 传 送 到 主 节 点 连 接 的 上 位 机。 上位机的控制命令通过红外线网络传送给 从 节 点 实 现 控 制 功 能。 该 系 统 结 构 简 单，抗 电 磁 干 扰 能 力 强，成 本 低 廉， 便于在数据采集与控制中应用。 关 键 词 ：数 据 采 集 ；红 外 线 通 信 ；Ｃ８０５１Ｆ３５０；主 从 式 网 络 ；抗 电 磁 干 扰 ；通 信 协 议 中图分类号：ＴＮ９２９．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－４６７９（２０１１）０４－００６３－０４
第 ４ 期 韩 旭 ，等 ：基 于 红 外 线 通 信 的 数 据 采 集 与 网 络 控 制
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ＩＮＴ０中断发生时，清 ０ 接 收 定 时 计 数 器，这 个 计 数 器的计数 值 是 定 时 器 ＴＩＭＥＲ３ 的 中 断 次 数，ＴＩＭ－ ＥＲ３每隔 ２６ｕｓ中 断 １ 次。 等 待 ＩＮＴ０ 中 断，当 中 断 发 生 时 ，通 过 计 数 器 的 计 数 值 ，判 断 接 收 的 是 否 是 启动码，如果两次中断的时差大约是 １３．５ ｍｓ，就找 到了启动码。ＴＩＭＥＲ３和ＩＮＴ０的中断子程序 流程 见图７ 和 图 ８。 清 ０ 计 数 器 接 收 从 机 发 来 的 ３２ 位 数据，当ＩＮＴ０ 中 断 发 生 时，通 过 计 数 器 的 计 数 值， 判断接 收 的 是 ０ 还 是 １。 将 接 收 的 完 整 ３２ 位 数 据 经串口发送到上位机。
图 ２ Ｃ８０５１Ｆ３５０ 单 片 机 的 红 外 线 发射与接收电路
４ 红外线通信系统的软件设计
本 设 计 的 软 件 程 序 由 三 部 分 组 成 ：上 位 机 、主 节 点和 从 节 点 程 序。 上 位 机 程 序 用 ＶＢ２００８ 设 计，主 要功能包括人机用户界面和与主节点的串行通信。 主节 点 主 程 序 的 流 程 如 图 ５ 所 示。 首 先 对 Ｃ８０５１Ｆ３５０ 单 片 机 的 串 行 接 口 ＵＡＲＴ、定 时 器 ＴＩＭＥＲ、系统时钟 ＣＬＯＣＫ 和ＩＯ 端 口 等 功 能 单 元 进行初始化，然后 开 中 断。 等 待 接 收 上 位 机 通 过 串 口 发 来 的 数 据 和 命 令 ，当 接 收 到 数 据 时 ，将 数 据 组 装
红外线通信技 术 由 于 其 性 能 价 格 比 高，安 全 可 靠 ，在 日 常 生 活 和 工 农 业 生 产 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 本文介绍一 种 利 用 Ｃ８０５１Ｆ３５０ 单 片 机 实 现 红 外 线 编码解码的红外线通信系统。该系统可以完成数据 采 集 、传 输 和 控 制 等 功 能 。
ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ｓｅｎｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｎｏｄｅｓ ｖｉａ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｉｎ ｇｅｎｅｒａｌ，ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｔｉ－ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒ－ ｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ｆｅａｔｕｒｅ ｑｕａｌｉｆｉｅｄ ｔｏ ｗｏｒｋ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｉｎｆｒａｒｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；Ｃ８０５１Ｆ３５０；ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ；ａｎｔｉ－ｅ－ ｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ
Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ＨＡＮ Ｘｕ，ＹＵ Ｘｉａｏ－ｙｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ）
１ 主从式红外线数据采集控制网络的 系统结构
专用的红外线遥控编码及解码集成电路虽然很
收 稿 日 期 ：２０１１－１０－２６ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （６１０７５０３９） 作者简介：韩 旭 （１９８４－），男，硕 士 研 究 生，研 究 方 向：图 像 处 理 与
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黑 龙 江 工 程 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ） 第 ２５ 卷
Байду номын сангаас
据和查询启动码。
图 １ 红 外 线 通 信 测 控 网 络 系 统 结 构
２ 红外线通信主从模块的硬件设计
红外 线 通 信 主 从 模 块 所 使 用 的 单 片 机 为 Ｃ８０５１Ｆ３５０。 该 单 片 机 是 Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌａｂ 公 司 生 产 的 增 强型５１系列单片 机，速 度 可 以 达 到 ５０ ＭＩＰＳ，集 成 有 ＵＡＲＴ、ＩＩＣ、ＳＰＩ、ＡＤＣ、ＤＡＣ 和 ＴＩＭＥＲ 等 功 能 单元电路。带有 ＰＧＡ 的８路２４位 ＡＤＣ，能够完成 高精度模拟 量 采 集，２ 路 电 流 输 出 ＤＡＣ 用 于 模 拟 量输出，异步串行接口 ＵＡＲＴ 用于主节点与上位机 通信。具有４个定时器和 ＰＣＡ 电路，用定时器１产 生 ＵＡＲＴ 时 钟 信 号，定 时 器 ４ 产 生 红 外 线 发 射 的 ３８ｋＨｚ调 制 脉 冲 信 号 ，定 时 器 ３ 用 于 红 外 线 接 收 定 时。红外线发送 通 过 Ｐ１．４引 脚 驱 动 晶 体 管 ９０１３ 实 现，晶体管连接 的 电 阻 Ｒ１ 为 ５１０Ω，Ｒ２ 为 １０Ω，红 外线发射管市售的大多数产品都可以。红外线接收 器采用一体化接收头 ＴＯＰ８１３８，只要将它的信号 输 出端接到单片机的 Ｐ１．５即可。红外线发射与 接 收 电 路的连接如图２所示。