基于AT89S52型單片機的紅外無線PPM發(fā)射機設計

在工業(yè)和生活環(huán)境中，便攜式信息終端設備的出現(xiàn)加速了無線數(shù)字通信線路和局域網(wǎng)的引進，然而，由于無線電的局限性，使它在無線高速數(shù)據(jù)鏈路應用方面受阻。在此情況下紅外（ir）無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，ir具有勝過無線電的顯著優(yōu)點：ir有巨大的帶寬且不需許可證，可以進行高速數(shù)據(jù)傳輸；ir不穿透墻壁，因而消除了在不同房間進行通信時可能帶來的干擾，而且通信時不容易被偵聽，提高了通信的安全性；ir探測器的尺寸比ir無的波長大得多，避免了多徑衰落；ir可強度調制，ir通信設備比無線電通信設備要便宜簡單得多。

對室內(nèi)無線電局域網(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，脈沖位置調制（ppm）通信方式就符合這些要求，目前，ppm已被ieee無列入無線局域網(wǎng)ieee802.11標準。用純硬件設計實現(xiàn)ppm光發(fā)射機是比較復雜和困難的，筆者利用功能強大的at89s52型單片機和編程軟件vc++設計了一種基于計算機串口和的紅外無線ppm發(fā)射機。at89s52通過串口從計算機獲取數(shù)據(jù)，編碼得到脈沖寬度調制（pwm）信號后通過輸出端口輸出，輸出的pwm信號經(jīng)過波形轉換電路得到ppm電脈沖信號，再通過光源驅動電路轉換為ppm光脈沖信號，從而完成紅外無線ppm發(fā)射機的設計。

2 ppm信號格式

ppm采用斷續(xù)的周期性光脈沖作為載波，調制信號受到信源二進制符號地控制，脈沖的時間位置隨之發(fā)生變化而傳遞信息，ppm信號結構如圖1所示，在數(shù)字ppm通信中，同步是至關重要的。為了實現(xiàn)幀同步，應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，同時在信息幀的前面和后面分別安排2個標志幀以表示信息的開始和結束，這樣接收機捕獲到同步信號和起始標志符后，開始解調隨后的脈沖信號，直到接收到結束標志，表明數(shù)據(jù)接收完畢。

每一個信息幀又分為信息段和保護段（由光源和信道的特性決定），共m個時隙，每個時隙的寬度為ts，其中前q個時隙為信息段tq=（qts），后d個時隙為保護段td=（dts）。對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為一幀的時間長度。

在t不變的條件下，ppm的傳信率和峰值功率隨時隙數(shù)q增大，但是q值過大，也就是一幀分成的時隙數(shù)過多，會給信號的傳輸和解調帶來困難，信息和q值成對數(shù)關系，例如，當q=256時，一個脈沖表示8比特信息，而q=512表示9比特信息，由此可見，q較大時，脈沖攜帶的信息量隨q值的增大并沒有明顯增加，綜合考慮以上情況和實際設計需要，筆者采用q=16的ppm調制方式，時隙寬度ts設為15μs。

3 at89s52的特點

at89s52是一種低功耗、高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含8kb isp（in-system programmable）的可反復擦寫1000次的flash只讀程序存儲器、該器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造、兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結構。片內(nèi)集成了通用的8位cpu和isp flash為存儲單元，可為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、高性價比的解決方案。

ta89s52具有如下特點：40個引腳，8kb flash片內(nèi)程序存儲器，256 bytes的隨機存儲數(shù)據(jù)存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，1個6向量2級中斷結構；3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路和片內(nèi)時鐘振蕩器。

此外，at89s52設計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過軟件設置的省電模式。在空閑模式下，cpu暫停工作，而ram、定時計數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存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位。同時該電路還具有pdip、tqfp和plcc等封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的設計要求。

4 硬件設計

紅外線ppm發(fā)射機由at89s52型單片機與計算機的串行通信電路，pwm到ppm波形轉換電路和光源驅動電路構成，其系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

4.1 串行通信電路

為了能使單片機和計算機通信，必須使其遵循相同的通信協(xié)議，at89c51的串行口輸入/輸出為ttl邏輯電平，抗干擾性較差，而計算機的串行接口是符合eia rs-232c規(guī)范的外部總線標準接口，具有較強的抗干擾性，為了解決電平不一致的矛盾，該系統(tǒng)設計選用了maxim公司的max232型電平轉換器實現(xiàn)電平轉換，max232屬于通用串行接收/發(fā)送驅動器，其外圍電路非常簡單，只需外接4個0.1μf的電容器。

at89s52具有串行通信接口（sci），sci是能與計算機等外設通信的全雙工異步系統(tǒng)，at89s52與計算機采用rs-232c接口方式，這種方式下，sci采用標準的不歸零（nrz）格式，開始是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)長度為10比特，計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，at89s52接收數(shù)據(jù)，at89s52將接收到的數(shù)據(jù)進行pwm編碼，得到幀周期固定，而脈沖寬度隨外部信號不斷變化的pwm信號，然后通過p1.0端口輸出。

4.2 波形轉換電路

經(jīng)過單片機編碼輸出的pwm信號經(jīng)過一個下降沿觸發(fā)器即可得到ppm脈沖信號，波形轉換如圖3所示[7]。當p1.0端口輸出的信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，觸發(fā)器的輸出端產(chǎn)生所需的ppm脈沖信號，其脈沖寬度由外部定時電路決定。

4.3 驅動電路

對于無線紅外通信系統(tǒng)來說，半導體發(fā)光二極管（led）是可以選用的最佳光源，筆者采用帶有溫度補償特性的射極耦合led驅動電路[8]，該電路看上去像一個線性差分放大器，實際上是一個電流開關電路，ppm信號加在驅動電路的輸入端，當ppm信號的電位低于設定的參考電位時，led無脈沖電流通過，led不發(fā)光；反之，脈沖電流通過led而使led發(fā)光。如圖4所示，注入電流if相等的條件下，led的輸出光功率p隨著溫度的上升而下降，所以設計中采用溫度補償電路進行溫度補償，當溫度升高時，led的注入電流也隨之增加，從而補償led的功率變化。

5 軟件設計

5.1 計算機軟件編程

計算機的主要作用是通過串口傳送源數(shù)據(jù)給單片機。

利用visual c++編制串行通信程序一般有3種方法：調用microsoft win32應用程序接口（api）提供的串行通信函數(shù)，利用vc++的mfc類庫函數(shù)實現(xiàn)；用active x通信控件（mscomm）開發(fā)串口通信程序，筆者利用vc++提供的mscomm控件來實現(xiàn)計算機與單片機之間的串行通信，利用vc++的通信控件mscomm進行軟件設計只需對串口進行簡單的設置即可。程序實現(xiàn)非常簡單，結構清晰，在windows環(huán)境下，串口是系統(tǒng)資源的一部分，應用程序要使用串口進行通信，必須在使用之前向系統(tǒng)提出資源申請要求（打開串口），通信完成后必須釋放資源（關閉串口）。

5.2 單片機軟件編程

單片機的主要作用是從發(fā)送端（計算機）接收數(shù)據(jù)，并對接收到的數(shù)據(jù)進行pwm編碼，然后通過輸出端口輸出，單片機部分的編程主要由串口初始化子函數(shù)，接收數(shù)據(jù)子函數(shù)和pwm信號發(fā)送子函數(shù)組成。

5.2.1 串口初始化子函數(shù)

使用串口之前，應動其進行初始化，初始化程序如下：

5.2.2 接收數(shù)據(jù)子函數(shù)

接收數(shù)據(jù)流程如圖5所示，程序如下：

5.2.3 pwm發(fā)送信號子函數(shù)

pwm信號發(fā)送包括發(fā)送pwm編碼后的同步頭、起始標志符、接收的數(shù)據(jù)和結束標志符、下面重點討論對接收的數(shù)據(jù)進行編碼及發(fā)送，其流程如圖6所示，程序如下：

6 結束語

紅外通信為構建高速寬帶室內(nèi)無線局域網(wǎng)提供了新的選擇。ppm的脈沖峰值功率與平均功率之比很高，可以有效減小平均輻射功率和提高接收靈敏度，筆者設計的紅外無線ppm發(fā)射機利用單片機實現(xiàn)ppm調制，具有電路結構簡單、調試容易、可靠性高、精度高、成本低和功耗低的優(yōu)點，由于設計中只采用了單只紅外led作為光源，輸出功率不大，而且受輻射角的限制，通信具有方向性，可以考慮采用多只紅外led構成發(fā)射陣列來增加發(fā)射功率和輻射范圍。