一種非接觸式紅外通訊電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣 軍（昆明船舶設(shè)備設(shè)計(jì)研究中心，昆明　650051）

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一種非接觸式紅外通訊電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣 軍
（昆明船舶設(shè)備設(shè)計(jì)研究中心，昆明650051）

摘 要：為解決水下設(shè)備連接器采用分離式水密插座在長期插拔使用過程中會(huì)出現(xiàn)接觸不良以及在水下使用過程中會(huì)出現(xiàn)金屬電化學(xué)腐蝕的問題，采用一種非接觸式紅外通訊電路設(shè)計(jì)方式。通訊電路裝置由兩個(gè)電路組件構(gòu)成：對接電路插頭和對接電路插座，它們分別密閉在一種特殊的透光材料中。數(shù)據(jù)通訊采用符合IrDA1.2低功耗物理層規(guī)范的紅外收發(fā)管實(shí)現(xiàn)，控制芯片采用英飛凌16位單片XC164CM作為其處理器，信息觸發(fā)單元由一個(gè)電磁鐵和干簧管組成，電源部分采用帶控制端的電源模塊。硬件電路設(shè)計(jì)完成非接觸式紅外通訊系統(tǒng)，軟件程序設(shè)計(jì)保證數(shù)據(jù)通訊正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果證明，在混濁水中也能滿足使用要求，具有一定的實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；RS232串口；CAN協(xié)議；電磁鐵；紅外通訊；串行存儲(chǔ)器

1 引 言

水下設(shè)備入水前都需要裝訂參數(shù)和指標(biāo)，因而設(shè)備連接器的性能及可靠性越發(fā)重要。目前普遍采用的是分離式水密插座，這種方式長期使用會(huì)出現(xiàn)接觸不良的問題，嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)插針被弄彎造成無法使用，插頭及插座在水下也會(huì)存在電化學(xué)腐蝕問題，因而考慮采用一種非接觸式紅外通訊電路設(shè)計(jì)方式。

2 總體設(shè)計(jì)方案

非接觸式紅外通訊電路是基于水下設(shè)備連接需求提出，以避免傳統(tǒng)連接器應(yīng)用過程中的不足，其結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)完全獨(dú)立密封的電路組件組成。這兩個(gè)電路組件在物理上非接觸，數(shù)據(jù)通訊使用紅外光進(jìn)行傳輸，采用的紅外收發(fā)管符合IrDA1.2低功耗物理層規(guī)范［1］。其電路組件的外部結(jié)構(gòu)件采用透光樹脂材料，性，幾乎不存在電化學(xué)腐蝕。非接觸式紅外通訊裝置電路的觸發(fā)采用磁耦合方式，需要進(jìn)行通訊時(shí)只需由對接電路插頭端通電產(chǎn)生一定的磁通量去觸發(fā)。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

非接觸式紅外通訊電路裝置由兩個(gè)電路組件構(gòu)成：對接電路插頭和對接電路插座，如圖1所示。對接電路插頭和對接電路插座包含磁觸發(fā)單元、磁感應(yīng)單元、信息存儲(chǔ)單元、紅外收發(fā)管以及相應(yīng)的通訊接口電路。磁觸發(fā)單元與磁接收單元完成信息觸發(fā)對接，紅外收發(fā)管以及相應(yīng)的接口電路執(zhí)行數(shù)據(jù)通訊，信息存儲(chǔ)單元保證相關(guān)重要信息和命令記錄，微處理器實(shí)現(xiàn)通訊信息、命令、參數(shù)的有效傳輸和記錄。

圖1 非接觸式紅外通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

非接觸式紅外通訊電路裝置設(shè)計(jì)為滿足結(jié)構(gòu)體積小、數(shù)據(jù)通訊類型多樣等特點(diǎn)，采用英飛凌16位單片CMOS微控制器系列的增強(qiáng)型產(chǎn)品XC164CM作為其中央處理器。XC164CM［2］是16位微控制器的第四代產(chǎn)品，在MAC單元中加入DSP功能處理數(shù)字濾波器算法，大大縮短了乘除運(yùn)算的時(shí)間，大多數(shù)指令為單周期指令?？赏ㄟ^片上調(diào)試支持單元（OCDS）對目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。微控制器XC164CM體積小，采用小型PG-TQFP64封裝，具有豐富的片上系統(tǒng)資源（內(nèi)置2KB雙口RAM、2KB片上程序SRAM、2KB的片上高速數(shù)據(jù)SRAM、64KB片上Flash程序存儲(chǔ)器），同時(shí)囊括大量外設(shè)模塊，具體性能如下：①兩個(gè)通用定時(shí)器模塊（GPT1和GPT2）；②兩個(gè)異步/同步串行接口（ASC0和ASC1）；③兩個(gè)高速串行接口（SSC0和SSC1）；④一個(gè)看門狗定時(shí)器；⑤一個(gè)捕獲/比較單元（CAPCOM2）；⑥增強(qiáng)型捕獲/比較單元（CAPCOM6）；⑦一個(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；⑧一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）；⑨四個(gè)I/O端口，共47根I/O線；⑩LXBus是外部總線的內(nèi)部標(biāo)識(shí)，不支持位尋址，通過EBC訪問與LXBus連接的片上資源，如同訪問片外資源一樣，LXBus將片上外設(shè)連接到CPU；○11TwinCAN模塊，具有兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)功能。

3.1對接電路插頭硬件設(shè)計(jì)

對接電路插頭有4個(gè)功能：①單片機(jī)XC164CM對上位機(jī)串口和紅外收發(fā)管的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收及發(fā)送；②通過紅外收發(fā)管對通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)；③電磁鐵觸發(fā)對接電路插座觸發(fā)上電；④串行存儲(chǔ)芯片M25P80存儲(chǔ)相關(guān)通訊數(shù)據(jù)［3］。對接電路插頭硬件電路由電源模塊、單片機(jī)XC164CM、電磁鐵、紅外收發(fā)管、串行存儲(chǔ)芯片M25P80以及其它相關(guān)電路構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 對接電路插頭硬件結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)XC164CM有兩個(gè)串行異步接口（可設(shè)置成紅外通訊模式），可以直接進(jìn)行電路連接：一個(gè)與上位進(jìn)行通訊，一個(gè)與紅外收發(fā)管進(jìn)行連接，這部分電路不作具體介紹。串行FLASH存儲(chǔ)芯片是通過ISP接口與單片機(jī)連接，由于XC164CM的I/O電平是5V，而芯片M25P80供電為3.3V考慮電平兼容性在電路連接上需要加入電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC2T45。根據(jù)電磁鐵的特性不能長時(shí)間通電，因而電路中加入電磁鐵斷電電路，具體電路圖如圖3所示。

圖3 電磁鐵斷電電路圖

3.2對接電路插座硬件設(shè)計(jì)

對接電路插座有5個(gè)功能：①單片機(jī)XC164CM對紅外收發(fā)管和CAN通訊的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收及發(fā)送；②通過紅外收發(fā)管對數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)；③磁接收單元對電磁鐵產(chǎn)生的磁場進(jìn)行感應(yīng)；④由串行存儲(chǔ)芯片M25P80存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)；⑤通過CAN通訊協(xié)議芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送給相關(guān)控制器。對接電路插座硬件電路由帶控制的電源模塊、單片機(jī)XC164CM、磁接收單元、紅外收發(fā)管、串行存儲(chǔ)芯片M25P80以及其它相關(guān)電路構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 對接電路插座硬件結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)XC164CM將一個(gè)串行異步接口設(shè)置成紅外通訊模式直接連接紅外收發(fā)管，將TwinCAN模塊的一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)的CAN通訊芯片連接，配置串行FLASH存儲(chǔ)芯片是通過ISP接口與單片機(jī)連接［4］。同樣由于XC164CM的I/O電平是5V，而芯片M25P80供電為3.3V，考慮電平兼容性，在電路連接上需要加入電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC2T45。由于本電路組件需要待機(jī)，即沒有電磁鐵對其進(jìn)行觸發(fā)上電時(shí)，整個(gè)電路不能有電，為此需要對帶控制端的電源模塊進(jìn)行相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，具體電路如圖5、圖6所示。

圖5 電源控制端電壓圖

圖6 帶控制端電源電路圖

4 軟件程序設(shè)計(jì)

在微處理器XC164CM軟件中，采用KEIL3集成開發(fā)環(huán)境，英飛凌公司提供DAvE軟件為嵌入式軟件開發(fā)提供方便。DAvE軟件在XC164CM嵌入式軟件開發(fā)、各功能寄存器應(yīng)用設(shè)置中為開發(fā)者提供各相關(guān)寄存器的設(shè)置值，并快捷生成相應(yīng)的code。非接觸式紅外通訊電路裝置是由對接電路插頭和對接電路插座組成，因而其軟件程序也分成對接電路插頭軟件程序和對接電路插座軟件程序［5-7］。

4.1對接電路插頭軟件程序設(shè)計(jì)

對接電路插頭軟件具備與上位機(jī)通訊以及紅外通訊功能，同時(shí)兼?zhèn)渲噶?、?shù)據(jù)記錄功能。為了方便軟件維護(hù)及相關(guān)功能擴(kuò)展，程序采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊完成個(gè)自獨(dú)立的功能，根據(jù)其功能要求可分為：初始化程序模塊、上位機(jī)通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、紅外收發(fā)模塊、電磁鐵斷電模塊。具體流程圖如圖7所示［8-9］。

圖7 對接電路插頭軟件流程圖

主要程序模塊如下：

void ASC0_vInit（void）；//紅外通訊初始化

void ASC1_vInit（void）；//上位機(jī)通訊初始化

void IO_vInit（void）；//I/O初始化

void ASC0_vReceiverOn（void）；//紅外數(shù)據(jù)接收啟動(dòng)

void ASC1_vReceiverOn（void）；//上位機(jī)數(shù)據(jù)接收啟動(dòng)

void ASC0_viRx（void）；//紅外數(shù)據(jù)接收

void ASC1_viRx（void）；//上位機(jī)數(shù)據(jù)接收

void DianChiTieOff（void）；//電磁鐵斷電

voidASC0_vSendData（uword uwData）；//紅外數(shù)據(jù)發(fā)送

voidASC1_vSendData（uword uwData）；//上位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送

void M25P80_SPI_Write8Data（uchar temp8）；//向m25p80寫入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)SPI總線的8位數(shù)據(jù)寫操作，上升沿寫數(shù)據(jù)

void M25P80_WriteEnable（void）；//寫入寫使能

void M25P80_SPI_Write24Add（long temp24）；//向m25p80寫入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)SPI總線的24位地址數(shù)據(jù)寫操作，上升沿寫數(shù)據(jù)

void M25P80_Read（void）；//從M25P80讀出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)SPI總線的8位數(shù)據(jù)讀操作

uchar M25P80_ReadReg（void）；//讀功能寄存器

void M25P80_Check（）；//檢查數(shù)據(jù)是否寫入完成

4.2 對接電路插座軟件程序設(shè)計(jì)

對接電路插座軟件具備與相關(guān)控制器CAN通訊以及紅外通訊功能，同時(shí)兼?zhèn)渲噶睢?shù)據(jù)記錄功能。為了方便軟件維護(hù)及相關(guān)功能擴(kuò)展，程序采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊完成各自獨(dú)立的功能，根據(jù)其功能要求可分為：初始化程序模塊、CAN通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、紅外收發(fā)模塊、電源自保持模塊。具體流程圖如圖8所示。

圖8 對接電路插座軟件流程圖

主要程序模塊如下：

void ASC0_vInit（void）；//紅外通訊初始化

void CAN_vInit（void）；//CAN通訊初始化

void IO_vInit（void）；//I/O初始化

void ASC0_vReceiverOn（void）；//紅外數(shù)據(jù)接收啟動(dòng)

void ASC1_vReceiverOn（void）；//上位機(jī)數(shù)據(jù)接收啟動(dòng)

void ASC0_viRx（void）；//紅外數(shù)據(jù)接收

void ASC1_viRx（void）；//上位機(jī)數(shù)據(jù)接收

void DianChiTieOff（void）；//電磁鐵斷電

void ASC0_vSendData（uword uwData）；//紅外數(shù)據(jù)發(fā)送

void ASC1_vSendData（uword uwData）；//上位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送

void M25P80_SPI_Write8Data（uchar temp8）；//向m25p80寫入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)SPI總線的8位數(shù)據(jù)寫操作，上升沿寫數(shù)據(jù)

void M25P80_WriteEnable（void）；//寫入寫使能

void M25P80_SPI_Write24Add（long temp24）；//向m25p80寫入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)SPI總線的24位地址數(shù)據(jù)寫操作，上升沿寫數(shù)據(jù)

void M25P80_Read（void）；//從M25P80讀出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)SPI總線的8位數(shù)據(jù)讀操作

uchar M25P80_ReadReg（void）；//讀功能寄存器

void M25P80_Check（）；//檢查數(shù)據(jù)是否寫入完成

5 結(jié)束語

裝置的技術(shù)難點(diǎn)在于電磁鐵的磁場作用距離以及其對應(yīng)觸發(fā)元件器的可靠性。考慮到電磁鐵通電時(shí)間長會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因而設(shè)計(jì)了斷電電路，為了保證對接電路插座在觸發(fā)后電源模塊能可靠供電輸出，設(shè)計(jì)了電源模塊的自保持電路。整個(gè)電路裝置設(shè)計(jì)已研制成功，通過大量的數(shù)據(jù)測試表明該電路裝置的通信數(shù)據(jù)收發(fā)正常。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙海蘭.紅外學(xué)習(xí)機(jī)的設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用［J］.電子世界，2004（12）：25-26.Zhao Hailan.The design principle of infrared learning machine and its application［J］.the electronic world，2004 （12）：25-26.

［2］Infineon Technologies AG，XC164CM DATA SHEET ［R］.（2006-03）http：//www.infineon.com.

［3］STMicroelectronics group，M25P80 DATA SHEET［R］.（2007-7-15）http：//www.st.com.

［4］孫曉華.PIC單片機(jī)與串行閃存的SPI接口設(shè)計(jì)［J］.中電網(wǎng)，2010（5）：33-34.Sun Xiaohua.PIC microcontroller and serial flash SPI interface design［J］.China electrified net，2010（5）：33-34.

［5］饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理及應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.Rao Yuntao，Zou Jijun，Zheng Yongyun.Field bus CAN principle and application technology［M］.Beijing：Beihang University press，2003.

［6］王黎明，夏立，邵英，等.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.Wang Liming，Xia Li，Shao Ying，et al.Design and application of CAN field bus system［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2008.

［7］史久根，劉蓬，張陪仁.CAN數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性研究及其應(yīng)用［J］.信息與控制，2004（33）：342-344.Liu Peng，Zhang Peiren.CAN history Jiugen，the real-time data transmission and application of［J］.information and control，2004（33）：342-344.

［8］任哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ原理及應(yīng)用（第二版）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.Ren Zhe.The principle and application of embedded real time operating system C/OS-II（Second Edition）［M］.Beijing：Beihang University press，2009.

［9］李小將，梅欒芳，師俊芳，等.基于TCM的嵌入式可信終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010（4）：733-735.Li Xiaojiang，Mei Luanfang，Shi Junfang，et al.based on TCM of embedded trusted terminal system design［J］.Computer engineering and design，2010（4）：733-735.

Design and Research of Non-Contact Infrared Communication Circuit

Jang Jun
（Kunming Shipbuilding Equipment Design Center，Kunming 650051，China）

Abstract：In order to solve the problems，bad contact during the underwater equipment connector using separate water tight socket and metal electrochemical corrosion under water，the non-contact infrared communication circuit is designed.It is composed of docking circuit plug and docking circuit socket，which confined in light-passing material respectively.The data communication is performed by infrared transceiver tube which conforming IrDA1.2 low power physical layer specifications.The control chip uses Infineon 16 bit single XC164CM as CPU，information trigger unit is composed of a electric magnet and reed switch and the power unit uses the control end of power module.The hardware circuit of design completes non-contact infrared communication system，and the software program of design guarantees data communication normally.The test results show that it also meets the design requirements in turbid water and has a certain practicality and application value.

Key words：Single chip；RS232 Serial port；CAN Protocol；Electro-magnets；Infrared communication；Serial memory

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.022

中圖分類號(hào)：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-2279（2016）02-0086-04

作者簡介：蔣軍（1979-），男，四川省仁壽縣人，工程師，碩士，主研方向：監(jiān)測設(shè)備研制與開發(fā)。

收稿日期：2015-06-15