紅外通訊技術及其應用
摘要：紅外通訊技術是一種新興通訊技術，因擁有成本低、傳輸速率高、安全可靠等優點而被大范圍使用在個人電腦和計算機外圍設備以及工業設備和醫療設備。本文從紅外通訊技術的基本原理出發，闡述了紅外發射技術的電路組成、數據編碼方式和紅外接收技術的電路組成以及解碼方式。且將紅外通訊技術與當下流行的藍牙技術的做以區分，明確了藍牙技術與紅外通訊技術在載體、技術特點以及應用上的不同。再對當下紅外技術應用較為廣泛的單片機通訊技術、數據通訊技術以及在紅外遙控通訊方面的應用加以介紹。
關鍵詞：紅外通訊；紅外發射；紅外接收；單片機；檢測
1.前言
紅外通訊技術是一種點對點的數據傳輸協議。是傳統設備之間連接線纜的一種替代。它的通訊距離一般在0-lm之間。傳輸速率最快可達16Mbps。紅外通訊技術通常被應用在筆記本電腦、臺式電腦和手持電腦、打印機、鍵盤鼠標等計算機外圍設備。以及電話機、移動電話、計算器、游戲機、機頂盒、手表、工業設備和醫療設備。紅外通訊技術已被全球范圍內的眾多軟硬件廠商所支持和采用。目前，各主流軟件和硬件平臺均提供了對它的支持。紅外技術已被廣泛應用在移動計算和移動通訊等設備中。而且巨大的裝機量使紅外無線通訊技術有了龐大的用戶群。在紅外通訊中，最多應用的即是在單片機、遙控技術方面的應用。
2.紅外通訊技術
2.1 紅外通訊技術原理簡介
紅外通訊以紅外線作為信息傳播的載體，也就是信息通道。紅外線是一種特定波長的電磁波，其波長在750nm到1mm之間，是一種不可見光。紅外通訊中數據傳輸利用的是紅外波段內的近紅外線，這類近紅外線的波長在0.75m到25m內。簡單的講，紅外數據傳輸的基本原理是：由發送端把二進制數字信號轉變為某一頻率的脈沖序列，再通過紅外發射管，將脈沖序列以光脈沖的形式進行發射，而接收端收到來自發射端的光脈沖信號時，再將其轉化為電信號，并經過一系列的濾波、方法處理后，將其傳輸給解調電路，轉化為二進制數字信號并實現輸出[[]]。通過其傳輸原理可以看出，紅外數據傳輸的本質是二進制數字信號與光脈沖信號之間的調制與解調，這一過程實現了以紅外線為載體的數據傳輸。
2.2 紅外發射
紅外發射電路包括以下組成部分：發光二極管、調制電路、驅動電路如圖1所示。實現紅外發射是要將傳輸數據通過編碼的方式加載到紅外信號中。通常，這種編碼主要包括頻率調制(FM)以及脈寬調制。其中，脈寬調制所采用的通訊碼結構也存在差異，主要包括以下兩種：一種是一組通訊碼發出后，就不斷發出一組高低電平的重復碼；另一種是一組通訊碼發出之后，間隔一段時間再發出重復的通訊碼。一組通訊碼主要由由引導碼、系統碼、數據碼、奇偶校驗位和結束碼這幾類部分組成[[]]，其組成格式如圖2所示。
以上各種信號的功能不同：引導碼主要用于標識信號的開始，系統碼用于區別于其他的通訊系統，數據碼用于控制各項功能操作，奇偶校驗位主要用于校對信號在傳輸過程中的錯差，結束碼用于標識信號的結束[[]]。
圖1紅外發射電路
2.3 紅外接收
紅外接收的作用是接收來自發射電路的信號，并將其通過放大、濾波、解調，轉化為原始信號，再傳輸到單片機進行后續操作。以往，紅外接收電路主要由紅外接收二極管和放大電路兩部分組成，這種接收電路體積較大，使用不夠靈活和方便。如今，紅外接收多采用PICl018SCL接頭，其作為一種小型化、高靈敏、低成本的紅外接收裝置而深受歡迎，并廣泛應用于紅外接收設計中。PICl018SCL接頭使用十分簡便，只需保證2.4V到6.5V的工作電壓，即可使之成為一個完整的紅外信號接收裝置[[]]。它具方法、選頻率和解調功能，其輸出電平兼容TTL和CMOS，有著良好的性能和廣闊的應用空間。
圖2 紅外接收電路
2.4 紅外通訊與藍牙的區別
由于紅外通訊和藍牙在無線短距離通訊上都有很多相似點，而容易將其兩者混為一談。首先,都作為短距離通訊技術,藍牙技術和紅外無線接入技術有著非常多的共同優點,比如安全、可靠、低功耗等,并且它們都可以傳輸數據等文件。但是在技術特點上,紅外通信技術與藍牙技術卻完全不一樣, 所以他們倆在各個方面都有著自身獨具的優點,使得他們的應用領域也不太一樣。
（1）紅外通訊與藍牙借助的載體不同：紅外通訊技術主要借助紅外線進行數據傳輸，而藍牙則是借助一定頻率的微波來進行數據傳輸。這種微波不僅可以實現信息安全的傳輸，同時還可以穿透建筑物，此外，更能夠在同一時間內實現多個通訊對象的連接[[]]。
（2）紅外通訊與藍牙借助在技術特點上的不同：紅外通信技術在實現無線的數據接受和發送上, 主要是讓數據電脈沖和紅外光脈沖相互轉換, 它是一種點對點的數據傳輸協議, 雖然代替了用線纜將設備與設備連接起來的裝置,可是并沒有改變方式點對點的傳輸方式,而且他的通訊距離在 0~1m 之間,也算是比較小的范圍了,傳輸速率最快大概能夠達到 16Mbps,紅外通訊技術發展到現在階段已經算是成熟了,也得到了在各個地方的應用。藍牙技術也是一種短距離數據通訊技術, 但是它和紅外通訊技術不一樣的地方是它采用了無線的傳輸形式,而且它不僅僅能夠點對點傳輸,還實現了一點對多點的傳輸,數據和聲音的傳輸都可以。藍牙技術的傳輸帶寬能夠達到 1Mbps。而且藍牙技術的傳輸距離能達到10m 遠,比紅外通訊技術遠了很多[[]]。
（3）紅外通訊與藍牙在應用領域上的不同：紅外線通訊技術起步和發展都比較早,它的技術已經成熟了,所以在應用上也比較全面了,除了最開始的各種電腦,現在手機、相機、游戲機、工業設備、醫療設備等都開始使用。藍牙技術大多數的應用還是在電子類產品上, 與紅外通訊技術比起來應用范圍還差得很多[[]]。
綜上所述，因為藍牙技術和紅外無線接入技術都是短距離無線通信技術, 所以在許多方面都有近似的地方。不過由于兩種技術特點的不一樣,所以在應用上還是不一樣的。比如,藍牙技術因為有穿透力,所以比較適合于有障礙物等的環境中,但是在一些特定的環境中,紅外線技術就能做到滿足技術要求的基礎上還能降低成本。所以這兩者必定在各自的領域各自發光。
3.紅外通訊技術的應用
3.1紅外通訊技術在數據通訊上的應用
目前，符合紅外通信標準要求的個人數字數據助力設備、筆記本和打印機已推向市場，然而紅外通信技術的潛力將通過個人通信系統（PCS）和全球移動通訊系統（GSM）網絡的建立而充分顯示出來。
由于紅外連接本身是數字式的。所以筆記本電腦中不需要解調器。便攜式PC機由一個任選的擴展式插槽，可插入新式PCS數據卡。PCS數據卡配電話使用，建立和保持對無線PCS系統的連接；擴展電纜的紅外端口使得在PCS電話系統和筆記本計算機之間容易實現無線通信。由于PCS、數字電話系統和筆記本之間的連接是通過標準的紅外端口實現的，所以PCS數字電話系統可在任何一種PC機上使用，包括各種新潮筆記本計算機以及手持式計算機，以提供紅外數據通訊[[ ]]。
由于該系統不要求在計算機中使用調制解調器，所以過去不可能維持高性能PC卡調制解調器運行所需要電壓的手持式計算機，現在也能以無線方式進行通信。紅外通信標準的開發者還在設想機場飯店登記點使用不行傳真機和打印機，在這些地方，掌上計算機用戶可以利用這些外設而無需電纜。銀行的ATM（柜員機）也可以采用紅外接口裝置。
3.2 紅外通訊技術在單片機通訊上的應用
紅外通信方式實現了模擬信號和數字信號的發射與接收系統，且該系統是在單片機紅外光通信的基礎上形成的。單片機間的通訊可以綜合模擬信號和數字信號，經過PWM調制放大信號然后再單獨發射，發射后的信號，經過光敏三極管接收后，再放大濾波。使用特殊設備采集測量信號，同時用單片機進行編碼，再用多路選擇器調制與載波信號再調制，綜合調制后進行發射，同樣再接收放大后的濾波，就可以解調出發射的測量信號。最后再使用單片機進行輸入捕捉，最終投顯在顯示屏上[[]]。利用單片機內部的隨機存儲器和只讀存儲器(ROM)及其引腳資源，外接紅外接收發送裝置，液晶顯示模塊(LCM)，鍵盤輸入等實現數據的處理傳輸和顯示，基本上能實現設計指標。
圖3 以單片機為核心的紅外收發裝置示意圖
3.3 紅外通訊技術在遙控方面的應用
隨著時代的發展，在各種無線遙控中，紅外遙控以其體積小，功耗低，功能強，成本低等特點，而成為目前使用最為廣泛的一種遙控手段，同時也廣泛應用于各種家用電器產品、金融和商業設施中。此外，在有高壓、輻射、有毒氣體和粉塵等環境下的工業設備中，紅外遙控也以其可靠和隔離電氣干擾等特性而深受設計者的喜愛。
紅外遙控系統是由紅外遙控信號編碼發送器、紅外信號接收器和外圍電路等三部分組成。紅外遙控信號編碼發送器有 8 鍵、32 鍵、64 鍵輸入等多種型號。實際使用中常用 10 個左右的按鍵輸入，因為采用 32 鍵以上的紅外遙控信號編碼發送器具有價格高、功耗大、芯片外型尺寸大等缺點。8 鍵輸入的風扇發射芯片電路經過改造后，可方便地用于 10 鍵輸入[[]]。
在接收紅外線中，線大都采用成品的紅外接頭，HS0038是用于紅外遙控接收的小型一體化接收頭。集成紅外線的接收、放大、解調，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收輸出與TTL電瓶信號兼容的所有工作。而體積和普通的塑封三極管大小一樣。它適合于各種紅外遙控和紅外數據傳輸，中心頻率38.0kHz[[]]。
4.總結
紅外連接能適應不同的操作系統和大范圍的傳輸速率紅外連接比有線連接更安全可靠。它避免了因線纜和連接器磨損和斷裂造成的檢修。通常兩個紅外設備必須在視線上直接對準，才能進行數據交換，這就提供了一個固有的安全品質保證。不像無線電頻率。紅外光不會穿墻而過，因而在一個封閉的區域內，紅外光是一種安全的傳輸的媒介。而近年來，紅外技術持續發展，其在通訊，醫療，工業等方面的應用也是越來越廣泛。而在紅外通訊中，最多應用的即是在單片機、遙控技術方面的應用。
參考文獻
[1]呂波.紅外通訊技術[J].環球市場信息導報,2014,(23):237.
[2]鄭志聰.淺談紅外通訊技術[J].中國高新技術企業,2008,(9):114-120.
[3]張健.紅外通信技術淺析[J].信息與電腦(理論版),2012,(2):169.
[4]吳揚,游松,梁陽.淺析紅外通信技術在數據通訊中的作用[J].中國新技術新產品, 2015,(1): 18.
[5]曾智剛,賈東耀,汪仁惶.一種紅外遙控信號的發送與接收[J].國外電子元器件,2OO3,(2):17-18.
[6]劉娜.紅外通訊技術與藍牙區別解析[J].信息系統工程,2012,(1):26-27.
[7]武敏.紅外通訊技術與藍牙技術比較[J].通信世界,2016,(11):96-97.
[8]朱高中.基于單片機的紅外遙控解碼電路設計[J].計算技術與自動化,2011,(2):68-69.
[9]許保彬.基于AT89C52單片機的紅外發射與接收系統的研究[J].通訊技術，2008，(9):75-76.
[10]Naoto Takahashi MD, PhD, Hiroshi Nimura MD, PhD.Detection of Sentinel Node by Fluorescence and Infrared Ray Imaging System in Gastric Cancer[J].Annals of Surgical Oncology,2009,(16):1720.
[11]Zhengming Yi,Hui Xiao,Jialin Song.An alumina rotary kiln monitoring system based on infrared ray scanning[J].Measurement,2013,(7):2051. |
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
