ИК приёмник на основе микроконтроллера Atmel

 

Введение

 

Развитие микроэлектроники и широкое  применение ее изделий в промышленности, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и  процессами, является в настоящее время одним из основных  направлений научно-технического прогресса.

Использование микроэлектронных средств  в изделиях производственного и  бытового назначения не только приводит к повышению технико-экономических  показателей изделий (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки «морального старения» изделий, но и придает им принципиально новые потребительские качества (расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность и т.д.).

За последние два десятилетия увеличилось количество всевозможной техники, созданной в помощь человеку. В связи с этим начало бурно развиваться направление управления этой техникой (интерфейсы). Для удобного интерфейса в технике стали использоваться пульты дистанционного управления. А это означает, что для управления устройством не обязательно находится в зоне прямого доступа к нему, теперь его можно расположить в местах трудно доступных для человека и осуществлять управление с помощью пульта дистанционного управления (ПДУ).

ПДУ по типу передачи информации классифицируются на световые, радоиоуправляемые, проводные и звуковые. Из этих четырех видов связи в быту человека чаще всего используется пульт со световым методом передачи данных.

Целью данной работы поставлено создание устройства для тестирования работоспособности ПДУ использующих инфракрасный световой диапазон для передачи данных, получение некоторых технических характеристик работы ПДУ и возможность дистанционного управления работой ЭВМ при помощи ПДУ.

 

 

 

1 Системотехническое проектирование

 

 

1.1 Типы ПДУ и их устройство

 

Пульт ДУ или ПДУ, пульт дистанционного (удалённого) управления — устройство для управления другим устройством на расстоянии. ПДУ применяются для управления системами и механизмами на мобильных объектах (самолёты, космические корабли, суда и т. д.), управления производственными процессами, системами связи, военными объектами, а также в быту для посылки телевизорам, звуковым проигрывателям, DVD-проигрывателям команд переключения телеканалов, звуковых дорожек, управления громкостью и т. п. Бытовой ПДУ представляет из себя небольшое устройство с кнопками, питающееся от батареек и посылающее команды посредством инфракрасного излучения. Большинство образцов современной бытовой электроники содержат ограниченный набор средств управления на своем корпусе и полный набор на пульте ДУ [1].

Своеобразные пульты ДУ бывают у автомобильных сигнализаций и некоторых цифровых фотоаппаратов. Бывают также пульты ДУ для управления роботами, авиамоделями и др.

Модуляция инфракрасного  светодиода изменяется в зависимости от нажатой кнопки.

Большинство пультов  ДУ для электроники используют светодиод, испускающий пучок инфракрасного  излучения с длиной волны 0,75—1,4 микрон, который достигнет устройства. Этот свет невидим для человеческого  глаза, но распознаётся устройством, так же как и матрицей цифрового фотоаппарата или видеокамеры. В основе большинства пультов дистанционного управления обычно лежит одна бескорпусная микросхема помещенная прямо на печатную плату. Сверху микросхема покрыта компаундом, что предотвращает её повреждение.

 

1.2 Кодирование данных. Модуляция

 

Модуляция сигнала - процесс изменения  одного сигнала в соответствии с  формой другого сигнала [2].

Модуляция осуществляется для передачи данных с помощью электромагнитного  или светового излучения. Обычно, модификации подвергается синусоидальный сигнал (несущая). Различают: амплитудную модуляцию, частотную модуляцию, фазовую модуляцию, импульсно-кодовую модуляцию,  спектральную модуляцию, поляризационную модуляцию.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными                                                                                                                                                                                                                                                                               между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи, так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Передача сигнала осуществляется мерцанием светодиода с соответствующей частотой. Несколько таких модулированных передач и гашений формируют кодированную посылку. Приёмники инфракрасного сигнала (ИК) в своём составе обычно имеют частотный детектор (или подобную схему) детектирующую наличие или отсутствие мерцания заданной частоты. Пример фото приёмников: TSOP1736 — настроен на частоту 36 кГц, TSOP1738 — 38 кГц (производитель Vishay Telefunken), BRM1020 — 38 кГц.

Практически все ИК приёмники производимые серийно имеют ИК светофильтр (и выглядят тёмными). Встроенная схема состоящая из нескольких каскадов усилителей и демодулятора (частотного детектора) чувствительна к сигналу до    −90 дБ (большинство радиолюбительских схем имеют чувствительность до −60 дБ). Также практически все ИК приёмники имеют всего три вывода: Питание, Земля, Выход данных (показывающий наличие или отсутствие модулированного сигнала на входе фото приёмника. Использование приёмника не совпадающей с частотой модуляции пульта не означает что он не будет принимать.. он будет принимать, но его чувствительность может очень сильно упасть. Для приёма сигнала от пульта ДУ также существует демодулятор без встроенного ИК фото приёмника — микросхема фирмы Sony CXA1511l, по своей сути — высококачественный частотный детектор, позволяющий сделать пульт например не на светодиодах ИК диапазона а на УФ.

 

1.3 Методы кодирования данных

 

Сейчас преимущественно используются следующие две схемы кодирования передаваемых данных. Первая в пультах ДУ стала применяться фирмой Philips (протокол RC5, Манчестерское кодирование): Передача 0 дополнялась единицей, а передача 1 — нулём. То есть 001 передавалась бы как 01 01 10. Соответственно посылка считывается последовательно, и в эфир подаётся модулированный сигнал только когда встречается единица. Авторство второй схемы кодирования приписывается фирме Sony. Сначала всегда передаётся «1» модулированным сигналом, а потом «0» пауза. Временной размер единицы всегда одинаковый, а временной размер 0 — это кодированные передаваемые данные. Длинная пауза — передача единицы, короткая пауза — передача нуля [3].

Перед посылкой кодированных данных пульт всегда посылает одну или несколько  синхропосылок для того, чтобы  фото приёмник настроил приёмную цепь (синхронизировался с пультом  по чувствительности и фазе).

Производители пультов не склонны  придерживаться каких-либо общих стандартных  протоколов кодирования данных и  вправе разрабатывать и применять  для своей техники всё новые  и новые протоколы. Более полный список протоколов: NEC (repetitive pulse), NEC (repetitive data), RC5, RC6, RCMM, RECS-80, R-2000 (33 kHz), Thomson RCA (56.7 kHz), Toshiba Micom Format (similar NEC), Sony 12 Bit, Sony 15 Bit, Sony 20 Bit, Kaseikyo Matsushita (36.7 kHz), Mitsubishi (38 kHz, preburst 8 ms, 16 bit), Ruwido r-map, Ruwido r-step, Continuous transmission 4000 bps и Continuous transmission 1000 bps.

 

1.4 Формат RC5

Наибольшее распространение получила система RC-5. Эта система используется во многих телевизорах, в том числе  и отечественных (например, выпускаемых  ПО «Горизнт»).  Минское ПО «Интеграл» выпускает специализированную микросхему передатчика RC-5 типа INA3010 (аналог SAA3010), причем есть вариант и в корпусе SOIC. Она доступна и стоит несколько дешевле импортного аналога. Применение специализированой микросхемы передатчика резко уменьшает необходимое количество компонентов, а в случае SMD монтажа позволяет разместить ИК передатчик в брелке небольшого размера. Кроме того, в таких микросхемах решен вопрос низкого потребления в режиме ожидания, что делает эксплуатацию пульта очень удобной: нет необходимости в отдельном выключателе питания. Схема переходит в активный режим при нажатии любой кнопки и возвращается в режим микропотребления при ее отпускании [4].

Система инфракрасного дистанционного управления RC-5 была разработана фирмой Philips для нужд управления бытовой аппаратурой. Когда мы нажимаем кнопку пульта, микросхема передатчика активизируется и генерирует последовательность импульсов, которые имеют заполнение частотой 36 КГц. Светодиоды преобразуют эти сигналы в ИК-излучение. Излученный сигнал принимается фотодиодом, который снова преобразует ИК-излучение в электрические импульсы. Эти импульсы усиливаются и демодулируются микросхемой приемника. Затем они подаются на декодер. Декодирование обычно осуществляется программно с помощью микроконтроллера. Код RC5 поддерживает 2048 команд. Эти команды составляют 32 группы (системы) по 64 команды в каждой. Каждая система используется для управления определенным устройством, таким как телевизор, видеомагнитофон и т.д.

Передатчик генерирует 14-битное слово данных, формат которого следующий:

- 2 стартовых бита;

- 1 управляющий бит;

- 5 бит адреса системы;

- 6 бит команды.

Наглядный формат посылаемого сообщения изображен на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1 -- Формат сообщения  в формате RC5

 

Стартовые биты предназначены  для ИК приемника. Управляющий бит является признаком нового нажатия. Длительность такта составляет 1.778 мс. Пока кнопка остается нажатой, слово данных передается с интервалом 64 такта, т.е. 113.778 мс, как изображено на рисунке 1.1. Для обеспечения хорошей помехоустойчивости применяется двухфазное кодирование.

 

1.5 Устройства тестирования ПДУ

 

ИК приемник IrLink предназначен для дистанционного управления компьютером. Для этого требуются пульт дистанционного управления и приёмник его сигналов. Приемник IrLink изображен на рисунке 1.2.

Обычные инфракрасные порты  для компьютера (Irda), которые используются для связи с сотовым телефоном, например, не могут работать с пультами ДУ из-за технической несовместимости, поэтому приходится использовать специальный приёмник (свои приёмники поставляют все производители компьютерной периферии, снабжённой пультом). Представленный ИК приемник поддерживает все пульты ДУ [5].

Этот приёмник полноценно поддерживается всеми программами IRLink.3 и IRLink.Lite. Все новые версии программ работают с предыдущими моделями приёмников.

Возможности ИК приёмника IRLink:

- работает с любым пультом ДУ;

- автоматическое обнаружение приёмника программами IRLink;

- устойчивая к помехам схема обработки сигнала исключает ложные срабатывания;

- возможность настройки трёх параметров характера приёма сигналов;

- приём сигнала пульта подтверждается миганием светодиода;

- подключение к USB или COM порту.

 

Рисунок 1.2 -- Устройство тестирования ПДУ

 

 

 

2 Функциональное проектирование

 

2.1 ИК фотоприемник SFH-506-xx

 

Самым простым решением для поставленной задачи будет использование уже готового элемента приема инфракрасных сигналов, но такое решение будет иметь значительные ограничения в функциональности устройства.

Фотоприемник SFH 506 производства фирмы Siemens предназначен для приема команд дистанционного управления в инфракрасном диапазоне. Он представляет собой фотодиод, совмещенный с интегральной микросхемой. Микросхема выполняет функции автоматического регулирования уровня, усиления принимаемых ИК фотодиодом команд. Что обеспечивает высокую чувствительность. микросхема обеспечивает и приведение уровня выходного сигнала к уровням ТТЛ и КМОП микросхем. Фотодиод и микросхема имеют внутренний экран. Корпус фотоприемника выполнен из черной пластмассы, представляющей собой светофильтр высокой прозрачности для ИК  излучения с длиной волны 950 нм. Это обеспечивает защиту от внешних засветок других спектральных диапазонов. Выпускаются фотоприемники с шестью частотами несущей. Это дополнительно повышает устойчивость фотоприемника к внешним засветкам, не попадающим в заданный частотный диапазон несущей [6].

Фотоприемник питается от источника питания +5 В и имеет  малое энергопотребление. На рисунке 2.1 изображен внешний вид фотоприемника        SFH 506.

Модификации фотоприемников типа SFH 506-XX отличаются несущей частотой, которая указывается в килогерцах на месте XX и полное наименование записывается в виде SFH506-30 для несущей частоты 30кГц. Выпускаются модификации на несущие частоты 30; 33; 36; 38; 40; 56 кГц.