CN102420655A

CN102420655A - 一种医用抗干扰红外通信方法及装置

Info

Publication number: CN102420655A
Application number: CN2011103592430A
Authority: CN
Inventors: 韦文鸿; 李汉青; 陈良款
Original assignee: Edan Instruments Inc
Current assignee: Edan Instruments Inc
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2012-04-18

Abstract

本发明涉及一种医用抗干扰红外通信方法及装置，通过采用载波信号与数据信号调制传输，再转换成红外光信号进行传输，具有高速通信、传输可靠、抗干扰能力强;方法简单、实现容易且实现方式灵活；兼容性好，易移植；全数字逻辑实现，容易实现单片集成方案。

Description

一种医用抗干扰红外通信方法及装置

技术领域

本发明涉及一种红外通信方法及装置，尤其涉及一种医用高速传输及抗干扰红外通信方法及装置。

背景技术

红外通信作为一种无线通信方式，由于其技术成熟以及红外收发器件本身具有低功耗、低成本等优点，已被广泛应用于遥控及数据通信领域。另外，作为一种无线通信方式，红外通信能避免因使用插接件进行连接，在多次插拔后而导致的接触不良问题。由于红外通信本身抗干扰能力弱，易受白光灯、白炽灯、太阳光等影响，在医用领域，病人监护仪又常用于高频电刀的复杂电磁环境下，为了保证红外通信的可靠性，现有技术通常采用具有检错、纠错能力的可靠性编码，但这种方式增加了冗余码，降低了传输效率且实现起来相对麻烦。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种医用抗干扰红外通信方法及装置，克服现有技术实现方式复杂且传输效率低下的技术问题。

本发明的技术方案是：提供一种医用抗干扰红外通信方法，包括如下步骤：

采集监护信号：采集人体监护信号，将采集的人体监护信号转换为待发送数据；

发送红外信号：产生第一载波信号，将第一载波信号与待发送数据信号进行调制，将调制信号转换成红外光信号进行发送；

接收红外信号：接收红外信号，产生与第一载波信号频率一样的第二载波信号，以第二载波信号对接收的红外信号进行解调后经滤波还原为原始数据信号。

本发明的进一步技术方案是：所述第一载波信号和第二载波信号为时钟方波调制后形成。

本发明的进一步技术方案是：在接收红外信号的步骤中，接收红外信号后，还包括消除红外反射信号。

本发明的技术方案是：构建一种医用抗干扰红外通信装置，包括采集人体监护信号的采集单元、发送数据的发送单元和接收数据的接收单元，所述发送单元包括产生第一载波信号的第一载波信号发生模块、对预发送数据和所述第一载波信号进行调制的调制模块、将调制后的信号转换成红外光进行发送的红外发送模块，所述接收单元包括接收红外信号的红外接收模块、产生第二载波信号的第二载波信号发生模块、以所述第二载波信号对接收的红外信号进行解调的解调模块。

本发明的进一步技术方案是：所述发送单元还包括对第一载波信号进行调制的第一脉宽调制模块，所述接收单元还包括对第二载波信号进行调制的第二脉宽调制模块。

本发明的技术方案是：构建一种医用抗干扰红外通信装置，包括采集人体监护信号的采集单元、进行发送和接收红外信号的红外收发管、产生第一载波信号和第二载波信号的载波信号发生模块、对所述第一载波信号和接收的预发送数据进行调制的调制模块、以所述第二载波信号对接收的红外信号进行解调的解调模块、进行信号处理的处理器。

本发明的进一步技术方案是：所述医用抗干扰红外通信装置还包括对第一载波信号进行调制的第一脉宽调制模块和对第二载波信号进行调制的第二脉宽调制模块，所述第一脉宽调制模块和所述第二脉宽调制模块为共用的脉宽调制模块。

本发明的进一步技术方案是：所述脉宽调制模块包括定时器，所述定时器一个输入端接系统时钟、另一个输入端接载波信号，通过调节输入端的使能状态对载波信号进行脉宽调制。

本发明的进一步技术方案是：所述调制模块包括非门U6和双与门U7，所述非门U6正向端接数据输入，负向接双与门U7的一个输入端，双与门U7的另一个输入端接载波信号。

本发明的进一步技术方案是：所述解调模块包括D触发器U1、D触发器U2、D触发器U5、非门U3、与门U4，D触发器U1的输入端接数据输入、Q端接与门U4的一个输入端、清零端CLRN接非门U3的负向及D触发器U2的清零端CLRN，非门U3负向接D触发器U1的清零端CLRN和D触发器U2的清零端CLRN、正向接与门U4的输出端，所述D触发器U2和D触发器U3的输入端接载波信号，所述D触发器U2的Q端接D触发器U3的D端，所述D触发器U3输出解调信号。

本发明的进一步技术方案是：所述接收单元还包括消除红外射信号的红外反射消除模块。

本发明的进一步技术方案是：所述红外反射消除模块包括双路选择器U8，所述双路选择器U8的一个输入端接输入信号。

本发明的技术效果是：本发明医用抗干扰红外通信方法及装置，通过采用载波信号与数据信号调制传输，再转换成红外光信号进行传输，具有高速通信、传输可靠、抗干扰能力强;方法简单、实现容易且实现方式灵活；兼容性好，易移植；全数字逻辑实现，容易实现单片集成方案。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明装置发送部分结构示意图。

图3是本发明装置接收部分结构示意图。

图4是一种具体实施方式的电路简图。

图5是一种具体实施方式的实现示意图。

图6 是一种具体实施方式的调制模块电路图

图7是一种具体实施方式的解调模块电路图。

图8是一种具体实施方式的红外消除反射电路图。

图9是一种具体实施方式的载波脉宽（占空比）调制电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明的具体实施方式是：提供一种医用抗干扰红外通信方法，包括如下步骤：

步骤100：采集监护信号，即：采集人体监护信号，将采集的人体监护信号转换为待发送数据。

步骤200：发送红外信号，即：产生第一载波信号，将第一载波信号与待发送数据信号进行调制，将调制信号转换成红外光信号进行发送。具体实施例中，所述第一载波信号为系统时钟产生的方波。

步骤300：接收红外信号：接收红外信号，即：产生与第一载波信号频率一样的第二载波信号，以第二载波信号对接收的红外信号进行解调后经滤波还原为原始数据信号。具体实施例中，所述第二载波信号为系统时钟产生的方波。

本发明一种医用抗干扰红外通信方法的具体实施过程如下：首先采集人体监护信号, 将采集的人体监护信号转换为待发送数据。发送时，产生载波信号时，利用系统晶振OSC提供的时钟产生一个方波作为要发送的数字信号的载波，由于红外接收装置通常对发送或接收的脉冲宽度有要求，具体实施过程中，因此，根据红外管提供的最大速率等相关参数设置载波频率。产生第一载波信号，在某些通信速率或分频方式下，产生的载波脉宽（占空比）已经符合集成红外收发管对信号脉宽（占空比）的要求，则直接将将第一载波信号与待发送数据信号进行调制，将调制信号转换成红外光信号进行发送。接收时，产生与第一载波信号频率一样的第二载波信号，以第二载波信号对接收的红外信号进行解调后经滤波还原为原始数据信号。具体实施例中，所述第二载波信号为系统时钟产生的方波。所述第一载波信号和所述第二载波信号有占空比小于或等于50%。具体实施例中，对于载波脉宽不符合集成红外收发管对信号脉宽（占空比）要求的情况，需要对载波信号进行脉宽调制。具体实施例中，在接收红外信号的步骤中，接收红外信号后，还包括消除红外射信号。

如图2、图3所示，本发明的具体实施方式是：构建一种医用抗干扰红外通信装置，包括采集人体监护信号的采集单元1、发送数据的发送单元和接收数据的接收单元2，所述发送单元2包括产生第一载波信号的第一载波信号发生模块21、对预发送数据和所述第一载波信号进行调制的调制模块24、将调制后的信号转换成红外光进行发送的红外发送模块25，所述接收单元包括接收红外信号的红外接收模块32、产生第二载波信号的第二载波信号发生模块27、以所述第二载波信号对接收的红外信号进行解调的解调模块29。

本发明的具体实施方式是：本发明中，所述接收单元还包括低通滤波模块30、数据处理单元31。首先，采集单元1采集人体监护信号, 发送数据源23将采集的人体监护信号转换为待发送数据。晶振OSC 20输出时钟连接至第一载波信号发生模块21及第一脉宽调制模块22，第一载波发生单元21产生目标频率的载波，输入到第一载波脉宽调制模块22进行载波脉宽调制，经第一载波脉宽调制模块22调制后输出符合一定脉宽要求的发射载波；该发射载波与数据源输出的发送数据一同输入调制单元24，经调制单元24调制后输出已调制的待发射信号，该待发射信号连接至红外发送模块25发送引脚，红外发送模块25以红外光的形式向接收单元发送红外信号。接收时，晶振OSC26输出时钟连接至第二载波信号发生模块27及第二脉宽调制模块28，第二载波信号发生模块27产生目标频率的载波，输入至第二脉宽调制模块28进行载波脉宽调制，经第二脉宽调制模块28调制后输出符合一定脉宽要求的接收本地载波；从红外接收管32人接收引脚输出未解调的接收信号，输出无本地发送干扰的信号，该无本地发送干扰的信号与本地载波一同输入解调模块29，从解调模块29输出的信号连接至低通滤波模块30，经低通滤波后，即还原为数据处理单元31可读取的数据。

如图2所示，本发明优选实施方式中，所述发送单元1还包括对第一载波信号进行调制的第一脉宽调制模块22，由于第一载波信号发生模块21连接第一脉宽调制模块22，第一脉宽调制模块22连接至调制单元24，用以对本地载波信号的脉宽（占空比）进行调制，该载波脉宽（占空比）调制单元22相对比较灵活，是出于兼容性设计，在某些通信速率或分频方式下，产生的载波脉宽（占空比）已经符合集成红外收发管对信号脉宽（占空比）的要求，则可以不额外使用第一脉宽调制模块22。在调制模块24中，直接采用脉宽（占空比）调制后的载波进行调制。同理，如图3所示，本发明优选实施方式中，所述接收单元还包括对第二载波信号进行调制的第二脉宽调制模块28。

如图2所示，本发明发送单元1的具体实施例中，发送数据源23，连接至调制单元22，为发送部分的数据产生源，是通信的发起者，由微控制器或外部通信子系统提供数据并由数据端口输出。第一载波发生模块21，连接至第一脉宽调制模块22，利用系统提供的时钟产生一个合适的方波作为要发送的数字信号的载波，由于红外收发管会对发送或接收的脉冲宽度有要求，这里根据红外管提供的最大速率等相关参数设置载波频率。第一脉宽调制模块22，连接至调制模块24，用以对本地载波信号的脉宽（占空比）进行调制，该第一脉宽调制模块22相对比较灵活，是出于兼容性设计，在某些通信速率或分频方式下，产生的载波脉宽（占空比）已经符合集成红外收发管对信号脉宽（占空比）的要求，则可以不额外使用载波脉宽（占空比）调制单元。在调制单元中，直接采用脉宽（占空比）调制后的载波进行调制。调制模块24，连接至红外发送模块25，这里红外发送模块25为红外发送管，用于使用脉宽（占空比）调制后的载波对原始的基带信号或红外编码后的基带信号进行调制。调制的过程就是载波和基带信号相乘的过程，使用与门实现。红外发送模块25，将已调信号转化成光信号向外发送。使用该方法实现的红外通信的最大速率理论上仅与红外管的最高速率有关，采用高速红外器件，可以实现红外高速通信。

如图3所示，本发明接收单元的具体实施例中，接收数据源33，为空间传输过来的红外光信号，主要包含发送方传递过来的红外光信号及各种环境光干扰。红外接收模块32，连接至红外反射消除单元34，用于接收发方发出的红外光，红外接收模块32将红外光信号转化为电脉冲信号，因为红外接收模块32本身具有整形功能，可消除空间环境中的红外背景光，消除直流分量，最终输出脉冲信号，具体实施例中，红外接收模块32为红外接收管。红外反射消除模块34，连接至解调模块29，该红外反射消除模块34为可选单元，如果本地的发送端与接收端相互靠近时，将会在本地发送端发送数据的同时，在红外接收端接收到本地的发送数据，产生串扰。所以一般的红外通信都是半双工通信，即在本地发送数据时，屏蔽接收端接收数据或者远端的发送方不发送数据。红外反射消除单元是采用在本地接收端屏蔽接收自身发送数据方式，消除串扰。第二载波发生模块27，连接至第二脉宽调制模块28，第二载波发生模块27的功能与发送部分的第一载波发生模块21相同，可以同发送部分共用同一模块，当发送部分与接收部分距离较远时，也可独立设计。第二脉宽调制模块28，连接至解调模块29，功能与发送部分的第一载波脉宽调制模块22相同，可以同发送部分共用同一模块，当发送部分与接收部分距离较远时，也可独立设计。解调模块29，连接至低通滤波模块30，用以将调制波形转化为基带波形。解调模块29利用鉴相器实现，将调制信号和载波信号进行比较，载波频率大于调制信号频率时输出低电平，否则输出高电平。低通滤波模块30，连接至数据处理单元31，用以消除信号经过解调单元产生的毛刺。数据处理单元31，对信号处理后的数据进行进一步处理。

如图4、图5所示，本发明的具体实施方式是：构建一种医用抗干扰红外通信装置，包括采集人体监护信号的采集单元45、进行发送和接收红外信号的红外收发管41、产生第一载波信号和第二载波信号的载波信号发生模块51、对所述第一载波信号和接收的预发送数据进行调制的调制模块24、、以所述第二载波信号对接收的红外信号进行解调的解调模块29、进行信号处理的处理器43。所述第一载波信号发生模块、调制模块24、第二载波信号发生模块、解调模块29采用所述可编程逻辑器42件设计，待发送数据经处理器43处理后，使用异步通信的方式，所述可编程逻辑器件42中进行编码、调制后，输出至所述红外收发管41的发送端，所述红外收发管41将经过调制的发送数据以红外光的方式发射出去；所述红外收发管41接收来自发送方的红外光信号，在所述可编程逻辑器42件中进行解调，将数据还原成处理器43可读取的信号。

如图4所示，本发明的具体实施过程是：整套装置由四个核心部件组成：其中，发送部分包括OSC晶振44、处理器43、可编程逻辑器件42、集成红外收发管41组成。在全双工的通信模式中，通信的一方既包含发送部分功能，也同时包含接收部分功能，一般发送数据源及接收数据处理单元可由同一块处理器承担，这里处理器可以是CPU、MCU（微控制器）、单片机、FPGA、DSP中的任意一种，通信方式一般采用异步通信的方式；收发各部分包括载波发生模块、脉宽调制模块、红外反射光消除模块、调制模块、解调模块及低通滤波模块，由数字电路实现，具体实施可采用CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件，简称“CPLD”）、FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列，“FPGA”）器件实现，其中发送部分的第一载波信号发生模块21与接收部分的第二载波信号发生单元27为一个载波信号发生模块，第一脉宽调制模块22与接收部分的第二脉宽调制模块28共用同一模块；晶振OSC提供全局时钟源；红外发送管及红外接收管可采用集成外收发红外管，内部集成红外发送驱动电路、接收电路，可简化红光外收发电路的设计，兼容红外通信标准中的低速、中速及高速模式。该装置电路集成度较高，可在较小的电路板上实现。具体实施过程如下：数据从数据源输出，数据源采用MCU实现，使用异步通信的方式，发送数据在CPLD中进行编码、调制后，输出至红外收发管的发送端，红外收发管将已经过调制的发送数据以红外光的方式发射出去。红外收发管接收来自发送方的红外光信号，在CPLD中进行解调，将数据还原成MCU可读取的信号。

如图5所示，使用CPLD（复杂可编程逻辑器件）器件实现主要的功能单元，包括载波信号发生模块51、脉宽调制模块52、红外反射消除模块34、调制模块24、解调模块29及低通滤波单元30。

具体如下：

载波信号发生模块51：对全局时钟进行分频，输出与发送载波频率一致的方波信号。

脉宽调制模块52：对载波信号发生模块51输出的方波进行脉宽（占空比）调制，使之脉宽（占空比）符合红外发送管在当前载波速率下对信号脉宽（占空比）的要求。根据红外通信标准中的定义，收发信号的占空比均不会大于50%，即一般经调制后的载波占空比不会大于50%。脉宽调制电路可用定时器实现，所述脉宽调制模块包括定时器，所述定时器一个输入端接系统时钟、另一个输入端接载波信号，通过调节输入端的使能状态对载波信号进行脉宽调制。实施示意图如图9所示，该电路的工作原理如下：当定时器使能端的方波处于高电平期间，使能定时器，输出端口为1，同时对全局时钟进行计时，当计时到一定时间后，将输出端置为0并保持；当使能的方波处于低电平期间，禁止使能定时器，输出端口仍保持0；循环上述过程，即可输出脉宽与定时时间一直，频率与输入方波相同的脉宽调制载波。

调制模块24：采用FSK（Frequency-shift keying 频移键控）调制模式，实现方式见附图6。所述调制模块包括非门U6和双与门U7，所述非门U6正向端接数据输入，负向接双与门U7的一个输入端，双与门U7的另一个输入端接载波信号。串行数据输入端经非门U6取反后，连接至双与门U7的一端，输入载波连接至双与门U7的另一端，双与门U7的输出即为调制后的数据。附图6电路说明：当发送串行数据为1时，调制单元输出0；发送串行数据位为0时，调制单元直接输出载波。

红外反射消除模块34：所述红外反射消除模块包括双路选择器U8，所述双路选择器U8的一个输入端接输入信号。该单元单路是为了防止本地的红外收发管在发射红外光的同时，会将自身发送的红外光耦合至自身的接收端，因此在实际电路中我们使用红外反射消除电路屏蔽自身发射光的干扰。具体电路如图8所示，核心器件为双路选择器U8，U8的输出即为红外反射消除单元电路的输出。双路选择器U8工作原理如下：以待发送的数据为控制信号，当发送数据为1时，本地发送有效，则双路选择器U8输出1；当发送数据为0时，U8输出为接收信号。

解调模块24：所述解调模块包括D触发器U1、D触发器U2、D触发器U5、非门U3、与门U4，D触发器U1的输入端接数据输入、Q端接与门U4的一个输入端、清零端CLRN接非门U3的负向及D触发器U2的清零端CLRN，非门U3负向接D触发器U1的清零端CLRN和D触发器U2的清零端CLRN、正向接与门U4的输出端，所述D触发器U2和D触发器U3的输入端接载波信号，所述D触发器U2的Q端接D触发器U3的D端，所述D触发器U3输出解调信号。

具体工作过程如下：从接收的红外光信号中解调出有效数据，基于鉴相器的原理实现。鉴相器可以实现对两路时钟信号频率的比较，并输出判断结果信号。图7所示为鉴相器的一种简洁实现方式。其中U1、U2、U5为D触发器，U3为非门，U4为与门。如附图7所示，红外接收管整形输出的接收信号与本地载波同时连接鉴相器输入端，该电路的工作原理如下：当接收信号频率小于本地载波频率时，鉴相器输出为1；当接收信号频率大于或等于本地载波频率时，鉴相器输出为0。当接收信号与本地载波频率接近时，会在D触发器U2的输出引脚U2.Q上产生大量毛刺，该信号经过本地载波驱动的D触发器同步输出最终比较结果信号，可消除组合逻辑产生的毛刺，DNout已经可以直接给MCU读取数据，但在后级增加低通滤波单元可以进一步减少毛刺。

低通滤波模块30：用鉴相器实现的解调单元，波形会产生毛刺，用一个可逆加减计数器实现的滤波器可消除毛刺，即可还原出接收数据，输出信号连接MCU接收端即可。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种医用抗干扰红外通信方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述医用抗干扰红外通信方法，其特征在于，所述第一载波信号和第二载波信号为时钟方波调制后形成。

3.根据权利要求1所述医用抗干扰红外通信方法，其特征在于，在接收红外信号的步骤中，接收红外信号后，还包括消除红外反射信号。

4.一种医用抗干扰红外通信装置，其特征在于，包括采集人体监护信号的采集单元、发送数据的发送单元和接收数据的接收单元，所述发送单元包括产生第一载波信号的第一载波信号发生模块、对预发送数据和所述第一载波信号进行调制的调制模块、将调制后的信号转换成红外光进行发送的红外发送模块，所述接收单元包括接收红外信号的红外接收模块、产生第二载波信号的第二载波信号发生模块、以所述第二载波信号对接收的红外信号进行解调的解调模块。

5.根据权利要求4所述的医用抗干扰红外通信装置，其特征在于，所述发送单元还包括对第一载波信号进行调制的第一脉宽调制模块，所述接收单元还包括对第二载波信号进行调制的第二脉宽调制模块。

6.一种医用抗干扰红外通信装置，其特征在于，包括采集人体监护信号的采集单元、进行发送和接收红外信号的红外收发管、产生第一载波信号和第二载波信号的载波信号发生模块、对所述第一载波信号和接收的预发送数据进行调制的调制模块、以所述第二载波信号对接收的红外信号进行解调的解调模块、进行信号处理的处理器。

7.根据权利要求6述的医用抗干扰红外通信装置，其特征在于，所述医用抗干扰红外通信装置还包括对第一载波信号进行调制的第一脉宽调制模块和对第二载波信号进行调制的第二脉宽调制模块，所述第一脉宽调制模块和所述第二脉宽调制模块为共用的脉宽调制模块。

8.据权利要求7的医用抗干扰红外通信装置，其特征在于，所述脉宽调制模块包括定时器，所述定时器一个输入端接系统时钟、另一个输入端接载波信号，通过调节输入端的使能状态对载波信号进行脉宽调制。

9.根据权利要求6所述的医用抗干扰红外通信装置，其特征在于，所述调制模块包括非门U6和双与门U7，所述非门U6正向端接数据输入，负向接双与门U7的一个输入端，双与门U7的另一个输入端接载波信号。

10.据权利要求6所述的医用抗干扰红外通信装置，其特征在于，所述解调模块包括D触发器U1、D触发器U2、D触发器U5、非门U3、与门U4，D触发器U1的输入端接数据输入、Q端接与门U4的一个输入端、清零端CLRN接非门U3的负向及D触发器U2的清零端CLRN，非门U3负向接D触发器U1的清零端CLRN和D触发器U2的清零端CLRN、正向接与门U4的输出端，所述D触发器U2和D触发器U3的输入端接载波信号，所述D触发器U2的Q端接D触发器U3的D端，所述D触发器U3输出解调信号。

11.根据权利要求6所述的医用抗干扰红外通信装置，其特征在于，所述接收单元还包括消除红外射信号的红外反射消除模块。

12.根据权利要求6所述的医用抗干扰红外通信装置，其特征在于，所述红外反射消除模块包括双路选择器U8，所述双路选择器U8的一个输入端接输入信号。