紅外通信模塊的設計與實現

摘 要：紅外通信模塊技術在現在世界范圍內是一種被普遍應用及采用的在較短范圍內使用的無線通訊技術。紅外通訊模塊運用的數據傳輸方式是一種點對點的方式，這種方式也是現在世界上應用最為廣泛的無線傳輸技術。文章中較為全面地分析了紅外通訊模塊的運作預案理，并且介紹了紅外通訊模塊和紅外數據組織（Infrared Data Association）IRDA的使用規范及協議，完整地介紹了紅外通信接受及發射器等硬件的電路設計及他們在接受與發射信號時的工作原理，作者在文章最后畫出了紅外通信模塊程序的大概運作流程圖，同時提出了在紅外通信模塊設計時應該注意的幾點問題。文章中主要研究的紅外通信模塊運用程序主要是指在兩臺有紅外模塊的開發箱中間進行紅外通信的程序設計。本章將詳細在紅外通信模塊的基本運作原理、紅外通信模塊的基本結構及設計、上位機的程序設計和實現以及下位機的程序設計和實現等發現進行論述，詳細論述見下文。

關鍵詞：紅外通信模塊；設計；實現

中圖分類號：TP311.11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 20-0000-02

紅外通信模塊是當今國際上已經被廣泛運用的無線傳輸技術，這項技術主要是被利用在日常生活的家用電器、手機、電腦、汽車飛機顯示器或儀表、醫用儀器甚至是軍隊武器設備等等各行各業各個領域當中，這種先進的嵌入式操作系統不知不覺中開始涉及到人類的生活及工作當中，而在這種高科技嵌入式的操作系統當中紅外通信模塊技術及藍牙通信技術是被運用的最為廣泛的，文章中提到的紅外通信模塊主要是運用兩點之間數據傳輸模式，這種紅外通信模塊的紅外波段內的近紅外線，波長在0.80um至30um之間，通訊距離一般在1到3米之間，它的頻率高于微波而低于可見光，由于這種通信方式具有可靠性高、保密性好、設計成本低、連接方便、簡單易用、結構緊湊等特點，在電子產品中具有廣闊的發展潛力，紅外通信模塊程序主要是由兩部分組織而成的，它們分別是上位機程序以及下位機程序，上位機程序以及下位機程序又可以稱作為紅外通信的基礎程序與紅外通信的控制臺程序，上位機程序也就是紅外通信基礎程序一般是在PC機上進行運作的，而下位機程序也就是紅外通信控制臺則是在開發箱上進行運作的[1]。經過對Qt圖形庫的運用，并采用C++編程語言進行系統編寫，使高科技可視化的紅外通信控制臺在PC機的操作系統上完成了紅外通信基礎程序也就是上位機程序的應用。利用紅外通信模塊系統程序同時在2個平臺中操作時，是經過紅外通信模塊的基礎程序也就是上位機發射命令及資料數據的，在通過這些命令、數據進行控制下位機也就是紅外通信控制臺程序，每次操作由紅外通信模塊的兩方將紅外通信模塊制定好以后，上位機負責數據的傳送，而下位機則會把從上位機接收到數據信號經過紅外通信的硬件把信號發射出去，而另外一邊的紅外通信模塊接收器則會將在開發箱上運行的紅外通信控制臺程序之前收到的資料數據經過串口發射紅外通信基礎程序的PC機上，最后將全部數據顯示出來，紅外通信模塊就是通過完成2個開發箱中的紅外通信，從而實現全部紅外通信模塊的運行的步驟，經過以上對同外通信模塊運作的大概程序，可以得出這樣一條總結：紅外通信模塊是由半雙工的無線通訊模式進行整個運作的，每次在2臺開發箱中間進行一次完整的通信之后，并利用紅外模式轉換紅外通信基礎程序就能完成紅外通信的接受及發射雙方，最后將接受和發射方得運行模式進行轉變[2]。

一、紅外通信模塊的基本運作原理

紅外通信模塊的主要載體是采用900nm的紅外波為紅外通信息傳遞數據信息的，這樣的運作模式也被稱作為通信信道，也就是將紅外通信進行數據發射的一端用脈時調制（PPM）的方法把二進制的數字信號轉換為另一種頻率的脈沖序列號，然后采用這種被轉換來的脈沖序列號驅動用紅外通信模塊發射管得方式發射紅外脈沖信號，另一邊的接收方把接收到的紅外脈沖信號變為電信號，之后將這種電信號放大、縮小或者過濾等方式處理后傳給有調解功能的電路進行再一次調解，最后再把電信號轉換回二進制進行輸出。

綜上所述，紅外通信接口的主要標準設定，是由紅外線數據組織（Infrared Data Association），以下簡稱IRDA決定的。IRDA技術是一項完成了無線個人局域網的先進技術，這項技術現在無論是在其硬件上的發展還是軟件上的發展都已經非常成熟了，像現在人們手中用的手機、平板電腦、家用電器等等發現都廣泛的采用了IRDA技術。之所以IRDA技術會被廣泛應用是因為它具有不需要申請頻率使用權的優勢，從而無形地降低了紅外通信模塊的運行成本，而且這種IRDA移動通信設備的體積很小、能源耗損率小、使用方法簡單便捷，所以廣受消費者歡迎。而且IRDA的數據傳送能力極強，特別適合于大容量文件及多媒體的傳送，最重要的一點是IRDA在傳送數據資料的時候所需的傳送角度非常小，所起它在數據傳送上具有不可替代的安全性。當然IRDA也有設計不足的地方，例如IRDA作為一種視距傳輸工具，在進行數據傳輸時，兩個傳輸設備之間不能有阻礙，一定要將設備完全對準，并且不能進行兩臺以上的設備傳輸，這項技術不像藍牙那么方便，就算中間有阻隔物也同樣能進行多臺設備間的數據傳送，所以IRDA現在繼續面臨的問題就是要將視距傳送得距離加大并且提升其數據傳輸的效率。由此可知，紅外通信模塊的基本運行原理實際上就是完成二進制數的信號的調試和傳送，這樣就能更加方便的將紅外通信模塊的信號進行傳遞。

二、紅外通信模塊的基本結構及設計

紅外通信模塊的關鍵便是IDRA協議，這個協議將使用紅外通信模塊的兩方設定了相關的通信規范，這些協議可以將使用了紅外通信模塊進行產品加工的相關商家有一個規范的法則進行約束，這樣做的目的主要是為了可以更快、更好地加強紅外通信模塊的發展。事實上IRDA通信模塊的協議與TCP/IP的協議差不多夢都是將全部通信過程進行有序的排列和管理。紅外通信模塊一般會被分為好幾層，每一層在除了要管理好自己這一層的關系之外，好需要與其上下層保持密切地聯系，層與層之間可以通過協議相互進行轉換利用，把每一層的協議進行總結就有了最后的總協議。IRDA就是這樣一個專業的通信協議，很好地將兩點之間的紅外通信模塊進行協議。紅外通信模塊的基本機構就是不可缺少協議與可選擇協議這兩個部分。不可缺少協議中有物理層協議、紅外鏈路建立協議、紅外鏈路管理協議以及信息獲取服務等組成，根據各種特殊應用的要求進行配流傳輸協議、對象交換協議、模擬串口層和局域網訪問協議，整個紅外協議非常龐大及復雜，其原因是因為在嵌入式系統中由于微處理器速度和存儲器容量等很多限制，由于這些限制的出現導致幾乎不可能實現整個紅外協議，所以只能依照實際的需要有選擇、有目標地實現自己所需求的協議和功能就可以了，由此可知紅外通信模塊系統的應用程序主要是用紅外控制臺的上位機程序以及紅外基礎通信的下位機程序所組成，于是由全部系統應用程序上來看，每當通信兩端的上位機和下位機的程序分別運行起來之后，通過在控制臺所接收到的由下位機所傳送上來的通信提示信息，選擇紅外通信模式：一方選擇接收，另一方必須選擇發送方式[3]。當控制臺的接收端和發送端將紅外通信模板設定好以后，客戶把所需要傳送的信息資料寫進信息記錄欄當中之后，發送到客戶端控制臺，最后按回車鍵進行確認之后，控制臺的程序就會將所有數據都傳送到下位機中，下位機接收到數據之后就會把這些數據進行處理分析后全部顯示在控制臺的信息框當中，此時用戶已經可以通過各信息框的信息顯示，而準確地受到所有資料以及數據，這個通過同外通信模塊的基本結構及設計過程就是這樣的。

三、上位機的程序設計和編碼實現

想要更好地控制住下位機的通信，就需要設計出上位機的完整控制臺系統程序，這種上位機的控制臺系統程序主要是依照Linux系統的KDE桌面環境（Kool Desktop Environment）自由圖形桌面環境進行設計的，使用Qt圖形應用程序庫的資料在Qt Designer的開發設計環境下用C++語言來進行進一步的編寫、完善并完成的，它的主要功能和Window系統下的超級終端作用幾乎一模一樣，也可以說與Linux系統下的串口控制程序minicom串口通訊工具很相似，甚至在功能上還會比其他的操作系統更加簡單一點，其操作界面如圖1所示，控制臺程序的主要功能是用來設置時間的延長與退后、串口設備、握手信號、停止位或者奇偶校驗位以及數據位和波特率等等一整套數據參數，這三個顯示部件分別處在窗口的左邊，他們是用于顯示從串口收到的數據的QT extBrower部件、用來實現顯示控制臺的輸入數據的QListBox部件以及用于進行用戶輸入的QLineEdit部件，通過linux系統里攜帶的Qt Designer 軟件可以很輕松地完成上面提及的所有部件設計和實現，鑒于控制臺程序的全部都是由一個可視化的串口通信程序組成，它首先從用戶那里獲得輸入數據，然后再把數據從主機上的相對應串口通過一條與開發箱相連接的串口線發送到開發箱上，開發箱也把自己的信息通過這條串口線和相應的主機的串口回饋到控制臺上并顯示出來，全部的控制臺設計程序在整個設計的過程當中，基本上都是在解決怎么去完成和實現主機上相對應的串口設備進行所有資料及數據的輸送過程，根據以上設計步驟可以分析得知，控制臺程序的設計是有兩個重要部分共同組成的，一個是用戶界面，另一個組成部分則是用于完成與控制面板中每個GUI零部件的事件觸發槽函數的編寫，當這兩個組成部分都分別完成了之后，控制臺的所有功能就基本上能夠全部實現了[4]。

經過上位機的詳細設計過程可以得出，針對串口通信技術而言，用戶在使用時必須要提供數據位、端口讀寫與串口設備等等的數據參考資料，這些數據當中有些數據參數時具有多種選擇的，這時候就可以采用數據庫中的多種選擇功能進行選擇，這些數據進行選擇、篩選之后全部由設計界面展現出來，這些編碼都是可以進行自己生成的，這個過程不需要人們進行操作。

四、下位機的程序設計和編碼實現

下位機紅外通信模塊系統程序主要是由五個功能模塊組成的，它們分別是：ARM開發板初始化模塊、紅外接收模式模塊、紅外發送模式模塊、串口驅動模塊、主控函數模塊，在主程序中調用函數來完成整個開發板的CPU、串口、系統時鐘和總線時鐘等相關開發硬件初始化設計，并在編寫紅外收發模式功能模塊的過程當中，依照實驗箱的具體使用說明，將紅外模式進行紅外的發送以及接收模式切換時都必須要發送和接收功能關閉，這樣做是為了避免因為配置狀態的改變影響數據的正常收發[5]。另外在配置狀態改變的時候要給予充分的時間進行改變，根據這些條件就生成了和發送代碼以及相類似的接收代碼，這種代碼通過對串行數據脈沖的波形壓縮和對所接收的光信號電脈沖的波形擴展這一編碼解碼過程，實現紅外數據傳輸[6]。根據上述步驟可以得知，在整個下機位紅外通信模塊系統設計當中，如果已經將紅外通信模式的存儲器設置好了以后，還要進一步完成有關于串口模式的各種清除操作。最后使用的客戶依照提示框的提示，把紅外通信模塊的接受和發送程序在菜單中進行詳細的選擇。

五、結束語

由上文可知，文章中提及的紅外通信模塊主要就是由兩個重要部分組織而成的，一部分叫做上位機程序，另一部分叫做下位機程序，這兩部分也可以被稱之為紅外通信的控制臺設計程序以及紅外通信的程序系統。這兩個組成部分別被應用在完全不一樣的兩個平臺之上，這兩個平臺經過上位機程序以及下位機程序的合作與協議完成全部試驗機箱和協作部分之間的紅外通信模塊信號傳輸，這種紅外通信模塊設計的誕生可以更好地達到社會發展的需要。根據問卷調查及數據顯示發現，當前這種嵌入式的高科技軟件設計行業是一個非常受熱捧的行業，但是這個行業對于設計者的入門要求極高，不僅要求軟件的開發設計者自身具備扎實的軟件以及硬件的理論知識作為指導，要要求軟件的開放設計者要有廣闊的知識積累和這類軟件開發設計的實踐經驗，所以針對大部分紅外通信模塊的設計者而言，想要設計好的一個完整的嵌入式軟件系統商品并將其進行實現還需要很長時間的積累與磨練，因為紅外模塊的設計非常具有挑戰性，屬于一般人正常生活中是不可能觸及到的高科技行業及領域。相信在不久的將來，這種攜帶方便、安全可靠、控制難度小的紅外通信模塊技術將會在全球的通信領域中得到大力的推廣及應用。

參考文獻：

[1]馬忠梅.ARMLinux嵌入式系統教程[M].北京：航天航空大學出版社，2010，43（23）：67-69.

[2]胡希明，毛德操.Linux內核源代碼情景分析[M].杭州：浙江大學出版社，2011，76（04）：92-94.

[3]張曉紅，喬為民.Sasan Saadat.紅外通信IrDA標準與應用[J].光電子技術，2013，20（11）：43-47.

[4]胡希明，毛德操.Linux內核源代碼情景分析[M].杭州：浙江大學出版社，2013，43（23）：367-369.

[5]張曉紅，Sasan Saadat，喬為民.光電子技術[J].紅外通信，2009，25（09）；126-127.

[6]邱磊，肖兵..基于IrDA協議棧的紅外通信綜述[J].無線通信技術，2012，37（14）：108-109.

[作者簡介]張少晨，西安外事學院，研究方向：電子信息工程。