熊　慧，閆多超，韓　帥

（天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

基于KM 3x的低功耗紅外通信設(shè)計(jì)

熊慧，閆多超，韓帥

（天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

針對(duì)目前紅外無線通信距離短、功耗高、模塊設(shè)計(jì)復(fù)雜等問題，提出了一種低功耗紅外通信設(shè)計(jì).采用XBAR模塊、PWM調(diào)制技術(shù)及低功耗編程的軟件設(shè)計(jì)，有效精簡(jiǎn)了電路，降低了功耗和成本，提高了可靠性，可更有效地構(gòu)建紅外無線通信網(wǎng)絡(luò).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)在休眠時(shí)功耗為0.5 mW，正常工作時(shí)也僅為發(fā)射管工作功率的1/3左右；模塊在自然光等環(huán)境中零誤碼率通信距離達(dá)到25 m，能滿足便攜式設(shè)備、醫(yī)療電子、水下通信、工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用需求.

KM3x；紅外通信網(wǎng)絡(luò)；XBAR；低功耗

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備的高速發(fā)展及智能化，電子系統(tǒng)從簡(jiǎn)單的單機(jī)、分立式、獨(dú)立系統(tǒng)發(fā)展到復(fù)雜的設(shè)備交互、聯(lián)合式、協(xié)作系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互和通信要求也越來越高[1-2].在增強(qiáng)電子設(shè)備在日常生活和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的便捷性、穩(wěn)定性和智能化的過程中，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交互和有線通信網(wǎng)絡(luò)越來越制約其發(fā)展[2].在一些強(qiáng)電磁干擾、能耗要求高的環(huán)境中，對(duì)通信方式的要求也就比較苛刻.相比有線通信及無線電等無線通信，紅外通信更適合這些應(yīng)用環(huán)境[3]，在無線電通信泛濫使用的情況下更好地解決了電磁干擾的問題[1]，并且具有防竊聽、低信號(hào)處理復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)[4]，其應(yīng)用領(lǐng)域從家用電子迅速擴(kuò)展到醫(yī)療電子、水下通信[5]、空間通信[6]及其它工業(yè)設(shè)備.目前的紅外通信依然存在模塊復(fù)雜、成本高、功耗高等問題，在許多領(lǐng)域仍難以應(yīng)用[3].設(shè)備在等待數(shù)據(jù)通信時(shí)，雖然紅外發(fā)射管停止工作，但其他外部電路也會(huì)有較大的功耗，加大了設(shè)備的運(yùn)行負(fù)擔(dān).

本文設(shè)計(jì)了一種低功耗紅外通信模塊，以集成化的設(shè)計(jì)模式有效解決了紅外通信應(yīng)用中模塊復(fù)雜、成本高、通信距離短等問題.設(shè)計(jì)中外部電路僅包含紅外發(fā)射管和接收管電路，使模塊體積更小、擴(kuò)展性更靈活，在應(yīng)用中能適應(yīng)更廣泛的環(huán)境，降低了組建通信網(wǎng)絡(luò)的難度.通過使用多種運(yùn)行模式，在保證通信距離足夠遠(yuǎn)的前提下，使工作時(shí)功耗降低了2/3，并且使待機(jī)功耗接近于零，消除了在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)射接收電路依然工作的缺點(diǎn).

1　紅外通信電路設(shè)計(jì)

1.1紅外通信設(shè)計(jì)思路

常用的紅外通信是利用950 nm波長(zhǎng)的近紅外波段的紅外線作為信息載體，將二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制為某一頻率的脈沖序列，以驅(qū)動(dòng)紅外通信發(fā)射元件產(chǎn)生紅外信號(hào)[7-8]，調(diào)制信號(hào)的頻率以38 kHz最為普遍[8].紅外接收端接收到紅外信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過放大、濾波等處理后經(jīng)解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，最后還原成二進(jìn)制信號(hào)輸出以進(jìn)行后續(xù)處理.關(guān)于紅外通信的基本原理可參考文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[7].

本設(shè)計(jì)的總體方案為:MCU采用飛思卡爾半導(dǎo)體的Kinetis KM3x系列ARM Cortex-M0+，內(nèi)核為32位的低功耗微控制器，其內(nèi)部集成有紅外調(diào)制和解調(diào)模塊[9]，載波調(diào)制信號(hào)可由引腳外接信號(hào)、四定時(shí)器模塊（Quad Timer，TMR）、周期定時(shí)器模塊（periodic interrupt timer，PIT）等多種方式產(chǎn)生，選擇載波調(diào)制信號(hào)的信號(hào)源和所發(fā)送信號(hào)的數(shù)據(jù)源通過內(nèi)部集成的外設(shè)間交叉開關(guān)模塊（XBAR）完成.本設(shè)計(jì)將TMR產(chǎn)生的38 kHz載波信號(hào)和所要發(fā)送的通用異步收發(fā)器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）信號(hào)在內(nèi)部進(jìn)行調(diào)制后，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號(hào).在接收管接收到數(shù)據(jù)后，可解調(diào)讀取，也可直接讀取原始數(shù)據(jù)后通過KM3x解調(diào).通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1　System block diagram

本設(shè)計(jì)基本電路和模塊都是集成在MCU中，這樣不僅使外部硬件電路變得非常精簡(jiǎn)，而且功耗也非常低.除此之外，應(yīng)用集成的模塊使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性也得到了很大的提高，在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)靈活性更高.同時(shí)KM3x的能量管理模塊對(duì)MCU的運(yùn)行模式進(jìn)行配置，在空閑時(shí)設(shè)置為休眠模式.總體的設(shè)計(jì)比其它的紅外通信設(shè)計(jì)節(jié)省了外部電路功耗和工作功耗.

1.2發(fā)送和接收電路

由于所有的模塊都使用內(nèi)部集成模塊，本設(shè)計(jì)只需使用兩個(gè)外部引腳:紅外信號(hào)輸出和輸入.其外圍電路也非常簡(jiǎn)單，僅需要紅外信號(hào)發(fā)射管和接收管電路，其中接收管可以使用分立的，并且不需要放大電路[10]，也可以使用集成接收管.電路圖如圖2所示.

圖2　KM 3x紅外通信電路Fig.2　Circuit of KM 3x infrared communication

紅外通信是兩個(gè)或多個(gè)近距離獨(dú)立設(shè)備間的無線通信[11]，在通信過程中具有很高的獨(dú)立性，同環(huán)境間不會(huì)存在過多的干擾，保證設(shè)備間的交互和隔離.

所使用的紅外通信模塊以其精簡(jiǎn)的外部電路設(shè)計(jì)能很好地進(jìn)行通信擴(kuò)展，只需增添僅包含紅外發(fā)射接收管的小巧通信模塊，就能快捷地?cái)U(kuò)展成高效的通信網(wǎng)絡(luò)，滿足基本紅外通信的要求和工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信，并有效地解決了在便攜式設(shè)備應(yīng)用中模塊體積和功耗的問題.

2　紅外通信系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

為了提高通信數(shù)據(jù)的可靠性和抗干擾性，通常按照紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（infrared data association，IrDA）協(xié)議對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和調(diào)制[12].接收裝置對(duì)調(diào)制后的紅外信號(hào)比較敏感，能有效地濾除環(huán)境干擾信號(hào)[13].調(diào)制后紅外通信的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，通信的可靠性也得到保障.

2.1XBAR模塊

XBAR即外設(shè)間交叉開關(guān)，是KM3x系列內(nèi)部集成的特色模塊，它主要用于外設(shè)間和內(nèi)部模塊間的數(shù)據(jù)線路匹配.XBAR的33對(duì)輸入輸出通道連接到不同的內(nèi)部模塊或外部引腳.通過配置相應(yīng)寄存器為選用的輸出通道連接理想的輸入通道以選取信號(hào)源或時(shí)鐘源，每個(gè)輸出通道與輸入通道間只可有一個(gè)連接.通過XBAR的應(yīng)用，使一些內(nèi)部集成模塊和外部設(shè)備間不再局限于固有的設(shè)計(jì)，可以通過不同的數(shù)據(jù)匹配使設(shè)計(jì)方案變得靈活多變.XBAR可以為多種模塊提供數(shù)據(jù)匹配，也是應(yīng)用內(nèi)部紅外數(shù)據(jù)通信必不可少的模塊.本設(shè)計(jì)通過XBAR模塊完成紅外發(fā)射和接收信號(hào)的調(diào)制解調(diào)的連接、調(diào)制信號(hào)發(fā)生源的選擇和輸入輸出的端口匹配，在設(shè)計(jì)中對(duì)XBAR的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)直接影響著總體性能.

2.2KM3x紅外信號(hào)調(diào)制和解調(diào)

紅外通信的載波信號(hào)承載著發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，在基于KM3x的設(shè)計(jì)中，可以通過多種方式產(chǎn)生載波信號(hào)，包括通過內(nèi)部模塊產(chǎn)生和引腳外部輸入，通過XBAR為紅外通信選擇數(shù)據(jù)并配置通信端口.為了精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，本文采用內(nèi)部TMR模塊產(chǎn)生38 kHz占空比可調(diào)的載波信號(hào)，圖3為本文所設(shè)計(jì)的紅外信號(hào)調(diào)制與解調(diào)原理框圖.數(shù)據(jù)通過UART主動(dòng)進(jìn)行發(fā)送，通過XBAR模塊使通信數(shù)據(jù)和載波信號(hào)匹配到內(nèi)部調(diào)制器進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送.接收紅外通信數(shù)據(jù)時(shí)，解調(diào)器將解調(diào)后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中，需要時(shí)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，不再需要其他的數(shù)據(jù)操作.

圖3　紅外信號(hào)調(diào)制和解調(diào)原理框圖Fig.3　Principle diagram of infrared signal modulation and demodulation

本設(shè)計(jì)采用脈沖寬度調(diào)制（pulse width mo-dulation，PWM）方式，它是在設(shè)定頻率下以特定或不同的占空比對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制.在紅外通信中，選用比較常用的38 kHzPWM調(diào)制信號(hào)，占空比1/2，占空比在實(shí)驗(yàn)過程中隨著實(shí)驗(yàn)需要做相應(yīng)的改變.PWM調(diào)制將載波信號(hào)和紅外通信二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行“與”或“或”運(yùn)算形成最終的通信信號(hào).對(duì)紅外通信數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制后，以載波信號(hào)的頻率周期性驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，降低了紅外發(fā)射管的總體工作時(shí)間和功率，并提高通信的可靠性.“與”和“或”調(diào)制方式的調(diào)制時(shí)序圖如圖4所示，其分別對(duì)信號(hào)“1”和“0”進(jìn)行調(diào)制，適用于不同的發(fā)送電路.

圖4　紅外調(diào)制信號(hào)時(shí)序圖Fig.4　Sequence diagram of infrared modulation signal

KM3x內(nèi)部集成的紅外通信調(diào)制模塊的調(diào)制方式采用PWM方式，可選擇“與”或“或”調(diào)制方式，在應(yīng)用中具有更方便的適用性.并且在選擇“與”調(diào)制時(shí)可選擇配置是否反轉(zhuǎn)接收數(shù)據(jù)，避免了更改外圍電路，節(jié)省設(shè)計(jì)成本和周期.

2.3通信實(shí)現(xiàn)

在紅外通信的實(shí)現(xiàn)過程中，需對(duì)TMR、UART、XBAR以及所用到的引腳進(jìn)行配置.對(duì)TMR的配置與通常的使用方式相似，將定時(shí)周期根據(jù)主頻設(shè)置到38 kHz，不對(duì)TMR進(jìn)行中斷配置.

根據(jù)一個(gè)調(diào)制數(shù)據(jù)位的載波脈沖數(shù)量不少于6個(gè)，在對(duì)UART進(jìn)行配置時(shí)，選用傳輸波特率通常不高于2 400 bps，以滿足數(shù)據(jù)傳輸要求.KM3x有4個(gè)UART模塊，可以配置其中任意一個(gè)且只能配置一個(gè)用于紅外通信模式.

紅外調(diào)制模塊決定紅外調(diào)制后的信號(hào)，通過對(duì)紅外調(diào)制模塊的配置選用“與”或“或”調(diào)制方式并選擇通信支持的UART模塊，其紅外發(fā)送信號(hào)的調(diào)制示意圖如圖5所示.模式選擇只需要對(duì)混合控制寄存器（SIM_MISC_CTL）的相關(guān)位進(jìn)行配置即可，所需要配置的寄存器位和配置說明如表1所示.

圖5　紅外發(fā)送信號(hào)調(diào)制示意圖Fig.5　Schematic diagram of infrared signal modulation

表1　紅外調(diào)制相關(guān)寄存器配置Tab.1　Register configuration about infrared modulation

紅外調(diào)制和解調(diào)所涉及的數(shù)據(jù)全部由XBAR模塊進(jìn)行分配，通過XBAR模塊，可對(duì)多種信號(hào)通過不同的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制.XBAR為紅外通信系統(tǒng)配置和選擇數(shù)據(jù)通路，即選擇發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)和調(diào)試信號(hào)的類型和傳輸方向.在初始化配置之后，在整個(gè)紅外通信中，數(shù)據(jù)就會(huì)按照設(shè)定的模式進(jìn)行傳輸和處理.

在本設(shè)計(jì)中，XBAR模塊用到3對(duì)輸入和輸出配置，如表2所示.

表2　相關(guān)XBAR信號(hào)端口說明Tab.2　Explanation of XBAR signal port

3　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在多種測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行紅外通信實(shí)驗(yàn)，室外環(huán)境下，在接收角度30°內(nèi)通過傳輸10 000個(gè)單字節(jié)數(shù)據(jù)（重復(fù)發(fā)送1～100）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，記錄在不同通信距離情況下的傳輸誤碼率.通過選取不同的角度進(jìn)行10次測(cè)量后，對(duì)測(cè)試結(jié)果求平均，其相應(yīng)誤碼率如表3所示.

表3　不同距離下相應(yīng)傳輸誤碼率Tab.3　Transmission bit error rate of different distance

由表3可以看出，本文設(shè)計(jì)的通信模塊在保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和可靠性的同時(shí)，在接收角度小于30°時(shí)零誤碼率下的通信距離可達(dá)到25 m.選用波特率為2 400 bps時(shí)，在不同的通信條件下通信效果良好.

由于精簡(jiǎn)的外部電路結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)通信模塊的功耗主要為紅外發(fā)射管功耗，選用不同的紅外器件功耗會(huì)有所不同.在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過合理的編程設(shè)計(jì)以轉(zhuǎn)換運(yùn)行模式也在很大程度上降低了功耗.模塊在等待通信時(shí)，將工作模式配置為低功耗等待（very-lowpower wait，VLPW）模式，紅外發(fā)送管停止工作，此時(shí)整體功耗僅為0.5 mW.進(jìn)行通信時(shí)，接收管接收到數(shù)據(jù)后喚醒單片機(jī)使其在低功耗運(yùn)行（very-low-power run，VLPR）模式工作，此時(shí)單片機(jī)功耗為1 mW，整體功耗為選用紅外發(fā)射管正常功耗的1/3左右.

本文所設(shè)計(jì)模塊避免了在等待通信時(shí)多余的電路功耗，可有效解決微小控制設(shè)備、工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的通信模塊的安裝和功耗帶來的問題.

4　結(jié)束語

為了降低紅外通信時(shí)的功耗及在等待通信時(shí)系統(tǒng)多余的電路功耗，設(shè)計(jì)了基于KM3x的低功耗紅外通信模塊.以低成本、低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的特性，使其能很廣泛地應(yīng)用于智能電表、智能水表等智能儀表的數(shù)據(jù)抄錄以及智能家居的遙控上.同時(shí)，本設(shè)計(jì)在工業(yè)儀器的短程通信和隔離等方面的應(yīng)用也有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，更容易構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò).隨著紅外器件的發(fā)展和技術(shù)的不斷完善，紅外通信的速率會(huì)不斷提高，以滿足更多領(lǐng)域的應(yīng)用需求.

[1]宋磊磊，楊暉，楊海馬，等.多節(jié)點(diǎn)紅外長(zhǎng)距數(shù)據(jù)通信模式設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014，28（1）:43-47.

[2]何劍鋒，方方，丁仿，等.基于嵌入式ARM-Linux的紅外通信和解碼驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].光通信技術(shù)，2011（4）:45-48.

[3]程程，洪龍.一種實(shí)用的紅外通信裝置設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（9）:129-136.

[4]涂宜鋒，范平志，袁偉娜，等.一種應(yīng)用于紅外無線通信的改進(jìn)型互補(bǔ)序列鍵控調(diào)制[J].鐵道學(xué)報(bào)，2010，32（5）:65-69.

[5]FICKENSCHER T，HOLBORN J，THIEL D V.Underwater wireless optical communication for swimmer feedback using IrDA transceiver[J].Electronics Letters，2011，47（24）:1335-1336.

[6]呂照順，吳晗平，周偉，等.近地面紅外與紫外自由空間光通信特點(diǎn)及其比較研究[J].紅外技術(shù)，2011，33（4）:207-213.

[7]王成義，郭秀梅，叢曉燕.一種可靠的紅外通信協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].激光與紅外，2009，39（10）:1070-1073.

[8]李開國(guó)，康志亮，丁武偉，等.基于TCP/IP協(xié)議的家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2011，30（7）:41-45.

[9]HEINEN dirk，RABENSTEIN Arno.High performance at a low price:Microcontroller with ARM Cortex-M0 process core[J]. Mechatronik，2013，121（3/4）:52-53.

[10]吳立成，李霞麗，鄶新凱，等.一種水上行走機(jī)器人紅外遙控器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，43（1）:116-119.

[11]梁潔玫，吳軍，衣學(xué)慧.無線技術(shù)在航天器電子設(shè)備互連中的應(yīng)用探討[J].航天器工程，2014，23（4）:99-104.

[12]齊章京，樣志家，周侗.具有紅外通信的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2013（9）:1099-1102.

[13]于小強(qiáng)，楊暉，楊海馬，等.基于無線通信的無線傳感節(jié)點(diǎn)在漏纜檢測(cè)中的應(yīng)用 [J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，27（1）: 149-152.

Design of low-power infrared communication based on KM 3x

XIONG Hui，YAN Duo-chao，HAN Shuai
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

A low power infrared communication system is presented to solve the problems of short distance，high power consumption and complicated model design in the infrared communication.XBAR model，PWM modulation technique and low power programming design are adopted to compact the circuit，reduce the power consumption and improve the reliability.Besides the infrared communication network is more easily structured due to the compact structure.The experimental results show that the power consumption in sleep mode is 0.5 mW and only 1/3 of transmitter′s in run mode.And the communication distance can reach 25 m with zero error rate in natural state，which meets the requirement of many fields such as portable devices，medical equipment，underwater communication，and industry equipment network.

KM3x；infrared communication network；XBAR；low power

TP23

A

1671－024X（2015）04－0068－04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.04.014

2015-05-04

天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11JCYBJC07000）

熊慧（1978—），女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)獒t(yī)療電子和嵌入式系統(tǒng)．E-mail:xionghui@tjpu.edu.cn