42444

Устройство инфракрасного интерфейса IrDA

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Предварительные сведения Как работает IrD IrD относится к категории wireless беспроводных внешних интерфейсов однако в отличие от радиоинтерфейсов канал передачи информации создается с помощью оптических устройств. Протокол IrD Infr red Dt ssotition позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля при помощи ИКизлучения с длиной волны 880nm. Порт IrD позволяет устанавливать связь на коротком расстоянии до 1 метра в режиме точкаточка.

Русский

2013-10-29

230 KB

28 чел.

Лабораторная работа №4

1 Цель работы: ознакомление с устройством инфракрасного интерфейса IrDA и моделирование работы его приемо-передающей части с помощью программы Electronics Workbench фирмы Interactive Image Technologies Ltd.

2 Предварительные сведения

Как работает IrDA?

IrDA относится к категории wireless (беспроводных) внешних интерфейсов, однако в отличие от радио-интерфейсов, канал передачи информации создается с помощью оптических устройств. Опыт показывает, что среди других беспроводных линий передачи информации инфракрасный (ИК) открытый оптический канал является самым недорогим и удобным способом передачи данных на небольшие расстояния (до нескольких десятков метров).

Протокол IrDA (Infra red Data Assotiation) позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля при помощи ИК-излучения с длиной волны 880nm. Порт IrDA позволяет устанавливать связь на коротком расстоянии до 1 метра в режиме точка-точка. IrDA намерено не пытался создавать локальную сеть на основе ИК-излучения, поскольку сетевые интерфейсы очень сложны и требуют большой мощности, а в цели IrDA входили низкое потребление и экономичность. Интерфейс IrDA использует узкий ИК-диапазон (850-900 nm с 880nm "пиком") с малой мощностью потребления, что позволяет создать недорогую аппаратуру и не требует сертификации FCC (Федеральной Комиссии по Связи).

Устройство инфракрасного интерфейса подразделяется на два основных блока: преобразователь (модули приемника-детектора и диода с управляющей электроникой) и кодер-декодер. Блоки обмениваются данными по электрическому интерфейсу, в котором в том же виде транслируются через оптическое соединение, за исключением того, что здесь они пакуются в кадры простого формата - данные передаются 10bit символами, с 8bit данных, одним старт-битом в начале и одним стоп-битом в конце данных.

Сам порт IrDA основан на архитектуре коммуникационного СОМ-порта ПК, который использует универсальный асинхронный приемо-передатчик UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) и работает со скоростью передачи данных 2400-115200 bps.

Связь в IrDA полудуплексная, т.к. передаваемый ИК-луч неизбежно засвечивает соседний PIN-диодный усилитель приемника. Воздушный промежуток между устройствами позволяет принять ИК-энергию только от одного источника в данный момент. 

Физические основы IrDA

Передающая часть

Байт, который требуется передать, посылается в блок UART из CPU командой записи ввода-вывода. UART добавляет старт-стоп биты и передает символ последовательно, начиная с младшего значения бита. Стандарт IrDA требует, чтобы все последовательные биты кодировались таким образом: логический "О" передается одиночным ИК-импульсом длиной от 1.6ц s до 3/16 периода передачи битовой ячейки, а логическая "1" передается как отсутствие ИК-импульса. Минимальная мощность потребления гарантируется при фиксированной длине импульса 1.6ц s.

По окончании кодирования битов необходимо возбудить один или несколько ИК-светодиодов током соответствующего уровня, чтобы выработать ИК-импульс требуемой интенсивности. Стандарт IrDA требует, чтобы интенсивность излучения в конусе ± 30° была в диапазоне 40-50 ц W/Sr, причем ИК-светодиод должен иметь длину волны 880шп, как уже отмечалось ранее. Радиальная чувствительность приемника и длины связи диктуются, исходя из требований самой спецификации IrDA.

Приемная часть

Переданные ИК-импульсы поступают на PIN-диод, преобразующий импульсы света в токовые импульсы, которые усиливаются, фильтруются и сравниваются с пороговым уровнем для преобразования в логические уровни. ИК-импульс в активном состоянии генерирует "0", при отсутствии света генерируется логическая "1". Протокол IrDA требует, чтобы приемник точно улавливал ИК-импульсы мощностью от 4ц W/sm2 до 500mW/sm2 в угловом диапазоне ± 15°.

Для ИК-излучения существуют два источника интерференции (помех), основным из которых является солнечный свет, но к счастью в нем преобладает постоянная составляющая. Правильно спроектированные приемники должны компенсировать большие постоянные токи через PIN-диод. Другой источник помех - флуорисцентные лампы - часто применяются для общего освещения. Хорошо спроектированные приемники должны иметь полосовой фильтр для снижения влияния таких источников помех. Вероятность ошибок связи будет зависеть от правильного выбора мощности передатчика и чувствительности приемника. В IrDA выбраны значения, гарантирующие, что описанные выше помехи не будут влиять на качество связи.

На рисунке 1 представлена принципиальная схема инфракрасного порта IrDA.

Рисунок 1. Схема инфракрасного порта IrDA

Примеры схем IrDA-интерфейса

В общем виде схема организации IrDA - канала выглядит примерно так, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Типовая блок-схема организации IrDA-канала

Канал передачи данных состоит из двух основных элементов: микросхемы, обеспечивающей
модуляцию и демодуляцию поступающего двоичного сигнала согласно определенного
алгоритма, и инфракрасного (ИК-) приемно-передающего модуля.

В  настоящей   статье   мы   рассмотрим   SIR-стандарт,   обеспечивающий   скорость   передачи

информации 115,2kb/s. В данном стандарте используется так называемая модуляция "3/16". Принцип данного вида модуляции проиллюстрирован на рисунке 3. Длительность   импульса,   подаваемого   на   приемно-передающий   модуль   равна   3/16   от длительности номинального бита данных. Кроме того, при SIR-модуляции используется инверсия бита данных. Эти преобразования обеспечиваются первым основным элементом схемы - модулирующей микросхемой. В зависимости от используемого интерфейса (шины данных) применяются различного рода чипы.

Рисунок 3. Принцип модуляции "3/16", используемый в SIR-стандарте.

3 Экспериментальная часть

3.1  Выяснить принципы работы приемо-передающей части инфракрасного порта интерфейса IrDA  на основе принципиальной схемы (Рис. 1).

3.2 С помощью программы Electronics Workbench смоделировать работу приемо-передающей части интерфейса IrDA. Убедившись в работоспособности модели, составить таблицу истинности.

3.3   Полученные результаты оформить в виде отчета.

4 Содержание отчета

4.1   Краткое описание исследуемого интерфейса.

4.2   Принципиальная схема интерфейса, смоделированная с помощью Electronics Workbench.

4.3   Выводы.

5  Контрольные вопросы

5.1   Области применения интерфейса IrDА.

5.2   Физика работы приемо-передающей части инфракрасного порта.

5.3   Ограничения в использовании интерфейса IrDA.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Инфракрасная техника

   С появлением быстродействующих инфракрасных излучателей, прежде всего - ИК диодов, быстро растет интерес к спектру электромагнитных колебаний, имеющих длину волны /.=0,8.. .1,3 мкм. Важной особенностью ИК диода является то, что он способен сконцентрировать в короткой вспышке мощность Римп, в сотни раз превышающую мощность непрерывного его излучения Рнепр. С соответствующим (в Римп /Рнепр раз) увеличением его «дальнобойности». ИК излучение может быть пространственно преобразовано, сжато в узкий пучок, сфокусировано, отражено, изогнуто и др. самыми обычными оптическими средствами -линзами, зеркалами, световодами. Важно и то, что в этом диапазоне электромагнитных излучений земная атмосфера сохраняет достаточно высокую прозрачность. ИК - свободный диапазон. Работа в нем не требует от кого-то - разрешения, кому-то -оплаты и др. В отличие от СВЧ радиодиапазонов, имеющих тот же характер распространения волн, но уже поделенных между старыми и новыми «хозяевами». Все это может оказаться существенным и при обычном, традиционном использовании электромагнитного излучения - для нужд связи, например, но особенно - в новых приложениях. Владельцы современных телевизоров, видеомагнитофонов, кондиционеров и др. уже познакомились с инфракрасной техникой: пульты дистанционного управления многими бытовыми аппаратами используют кодированное ИК излучение. Но это - лишь одно из его применений.

Устройство невидимого ИК барьера, пересечение которого будет зафиксировано охранной системой, показано на рис. 4. В него входит ИЗ - импульсный генератор-излучатель и ПР -фотоприемник, реагирующий лишь на его импульсы.

Рис. 4   ИК барьер

                         Простой ИК генератор

Принципиальная схема генератора приведена на рис. 5. На элементах DD1.1, DD1.2 собран мультивибратор, возбуждающийся на частоте F=30...35 Гц (F=1/2R2*C1). Дифференцирующая цепочка R3C2 и элементы DD1.4...DD1.6 формируют в базе нормально закрытого транзистора VT1 импульс тока длительностью tимп = 10 мкс (tимп = R3*C2), возбуждающий включенный в его коллектор ИК диод VD1. В таблице 5 приведена зависимость амплитуды тока в ИК диоде Iимп и потребляемого генератором тока Iпотр от напряжения источника питания Uпит.

В качестве примера на рис. 5  приведена зависимость относительной мощности излучения ИК диода АЛ402 от прямого импульсного тока 1пр.и.

Таблица 5

Рис. 5. Зависимость относительной мощности излучения от прямого импульсного тока

Рис.6. Генератор ИК импульсов

  1.  Выяснить принципы работы генератор ИК импульсов на основе принципиальной схемы (Рис. 6).
  2.  С помощью программы Electronics Workbench смоделировать работу генератора ИК импульсов.
  3.  Полученные результаты оформить в виде приложения к отчету.

PAGE  5