CN107437333B - 一种超高速红外无线信息传递装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高速红外无线信息传递装置，本发明的超高速红外无线信息传递装置，立足于快速输出触点信号，已有的红外通讯方式难以满足系统的要求，为此本发明在对比现有技术的情况下，选择高速红外信号的信息作为传送，并利用电路完成对红外信号的接收和处理，能保证红外信号在一定的距离之间信号稳定，可以将信号在极短的时间内发送出去。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线信息传递装置。
背景技术
在一些应用场合中，由于物理位置和工作方式的原因，传统的有线连接方式难以开展，需要依赖无线的方式来进行数据传输。对于无线传输的过程中，目前常见的无线形式有很多，如红外、433M的通讯、蓝牙、wifi、zigbee等，形式多种多样，特别是红外的方式，由于其价格低、实现简单，在家电等领域应用极广。但对于普通的红外而言，大多采用38K 传输，并遵循一定的协议，现有的红外通讯包括两种方式：PWM（脉冲宽度调制）和PPM（脉冲位置调制）。两种形式编码的代表分别为NEC和PHILIPS的RC-5、RC-6以及将来的RC-7。PWM（脉冲宽度调制）：以发射红外载波的占空比代表“0”和“1”。为了节省能量，一般情况下，发射红外载波的时间固定，通过改变不发射载波的时间来改变占空比。例如常用的电视遥控器，使用NEC upd6121，其“0”为载波发射0.56ms,不发射0.56ms；其“1”为载波发射0.56ms,不发射1.68ms；此外，为了解码的方便，还有引导码，upd6121的引导码为载波发射9ms，不发射4.5ms。upd6121总共的编码长度为108ms。
但并不是所有的编码器都是如此，比如TOSHIBA的TC9012，其引导码为载波发射4.5ms，不发射4.5ms，其“0”为载波发射0.52ms,不发射0.52ms,其“1”为载波发射0.52ms,不发射1.04ms。PPM（脉冲位置调制）：以发射载波的位置表示“0”和“1”。从发射载波到不发射载波为“0”，从不发射载波到发射载波为“1”。其发射载波和不发射载波的时间相同，都为0.68ms，也就是每位的时间是固定的。综述上面的情况，可以发现红外的一个信号的发送都是在毫秒（ms）级别，不适合于一些高速的应用情况。
发明内容
本发明提供一种超高速红外无线信息传递装置，可以将信号在极短的时间内发送出去。
本发明提供的技术方案是：
一种超高速红外无线信息传递装置，包括红外发射端和红外接收端，红外发射端内置无线信号发射电路板，无线信号发射电路板设置成6面形式，每个面都安置有红外发射电路，接收端内置无线接收电路板，无线接收电路板电路包含红外线信号采集模块、信号放大模块、信号比较整形模块，红外线信号采集模块包括红外接收管D2、电阻R3、R4，红外接收管D2阴极接5V电压，并且并联一个电阻R3，红外接收管D2和电阻R3串联电阻R4，电阻R4的另一端接地，红外接收管D2接收到的信号通过其阳极输出到后面的调理电路，即该模块的信号输出端口SignalOut1，信号放大模块包括运算放大器LM324N，电容C1、电容C2，电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12，运算放大器LM324N的4端口接5V电压，11端口接地，为运算放大器提供电源，红外线信号采集模块的信号输出端SignalOut1即为信号放大模块的信号输入端SignalIn1，SignalIn1串接电容C1，以隔除信号中的直流信号，运算放大器的端口2接一个电阻R5，电阻R5的另一端串接电容C1，完成信号输入到运放的反相输入端口2，运放的反相输入端口2与输出端口1并联电阻R6，电阻R7和R8并接在电压5V和地之间完成分压，电阻R7和R8公共结点接到运算放大器的正相输入端口3，为运算放大器提供参考电压，运算放大器的输出端口1串接电容C2，以隔除信号中的直流信号，运算放大器的端口6接电阻R9，电阻R9的另一端串接电容C2，完成信号输入到运放的反相输入端口6，运放的反相输入端口6输出端口7并联电阻R10，电阻R11和R12并接在电压5V和地之间完成分压，电阻R11和R12公共结点接到运算放大器的正相输入端口5，为运算放大器提供参考电压，运算放大器的输出端口7接信号输出端口SignalOut2，为后面的电路提供信号；信号比较整形模块包括电压比较器LM393P、电阻R13、电阻R14、电阻R15，电压比较器的端口8接电压5V，端口4接地，信号放大模块的红外信号输出端口SignalOut2从信号比较整形模块的信号输入端SignalIn2输入并接到电压比较器的反相输入端口2，电阻R13和电阻R14串联并并接在5V和地之间，电阻R13和电阻R14的公共端口接到电压比较器的正相输入端口3，电阻R15并接在电压比较器的端口3和输出端口1之间，电压比较器输出端口1接信号输出端口DataOut；
无线信号发射电路在接收到触点信号的时候，快速唤醒，唤醒时间在2-3us，然后由处理器产生PWM信号来驱动红外发射管，让红外管发射一定频率的信号，
信号发送以高电平开始，高电平占空比为1/3，
本发明需要传递的信息如下：
1） 触点开启信号传递
发射端在电池供电后，平时进入到低功耗状态，用于节省电量，触点是常闭状态，按照发射端的电量接法，平时处于高电平的情况；当设备的顶针被触及时，触点的状态发生改变，发射端中的处理器，接收到触点传递过来的下降沿信号，处理器被迅速唤醒，进去到活跃状态，发射端向6路红外发射管发出特定波形，
为有效区分，定义触点开启信号为：频率120khz ，占空比为30%的PWM波形，
接收端处理器将红外接收到的信号进行放大，再将模拟信号转为高低电平信号，
接收端对此信号进行接收处理，总的思路就是测量两个上升沿的间隔时间，处理过程如下：
在得到有效脉冲信号后，进行脉冲频率计算，看频率是否符合定义的频率区间，若是，则交由后级机构，否则做丢弃处理；
为提高接收的可靠性，在接收到的信号的频率界定为 100kz，+/- 2khz；
2） 电量正常信号传递
在传递完触点信号后，下一次触点信号还没到来前，传递电量正常信号；
电量正常信号频率界定为：110khz+/- 2khz；
3） 电量低状态信号传递：频率界定为100khz+/- 2khz；
4） 电量极低状态信号传递：频率界定为90khz+/- 2khz。
所述红外发射电路包括触点信号捕捉电路、低功耗处理器，在接收到触点信号的时候，快速唤醒低功耗处理器，唤醒时间在2-3us，然后由处理器产生PWM信号来驱动红外发射管，让红外管发射一定频率的信号，为了达到快速通讯的要求，PWM 的功率会限定在100k-150K之间，在发射完触点信号后，处理器在一定的间隔时间后发送电量信息，而后进入到低功耗状态。
本发明的超高速红外无线信息传递装置，立足于快速输出触点信号，已有的红外通讯方式难以满足系统的要求，为此本发明在对比现有技术的情况下，选择高速红外信号的信息作为传送，并利用电路完成对红外信号的接收和处理，能保证红外信号在一定的距离之间信号稳定，可以将信号在极短的时间内发送出去。
附图说明
图1是本发明的设备工作示意图。
图2是本发明的无线信号发射电路板结构示意图一。
图3是本发明的无线信号发射电路板结构示意图二。
图4是本发明的无线信号发射电路板展开结构示意图。
图5是本发明的无线信号发射电路结构示意图。
图6是本发明的无线信号接收电路结构示意图。
图7是本发明的红外线信号采集模块示意图。
图8是本发明的信号放大模块示意图。
图9是本发明的信号比较整形模块示意图。
图10是本发明脉冲信号识别判定流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示左侧是红外发射端，右侧是红外接收端。工作的流程如下，左侧红外发射端由电池供电，在左侧最下的顶针在触碰到的时候，红外发射端需要将触碰信号快速将状态传递出，红外接收端正接受到信号的时候，能及时作出响应。红外发射端内置无线信号发射电路板、电池。其中电路板红外发射端结构如下图2、3所示。发射端的外壳中包含透明区域，采用亚克力加工而成，位置在图1中左侧发射端的黑色部分，由于设备会发生转动，存在红外发射位置不固定的情况，因此，发射端的电路板设置成6面形式，利用贴片的红外LED发射信号，以这种方式，有效的解决了红外传输角度的问题。电路板展开后如图4所示。电路板以柔性电路板的形式存在，方便安装。电路板呈现为6面形式，每个面都安置有红外发射电路。
无线信号发射电路结构如图5所示，正常工作过程中，处理器处于低功耗的模式，消耗电流极小，在1ua 以下。在接收到触点信号的时候，快速唤醒，唤醒时间在2-3us，然后由处理器产生PWM信号来驱动红外发射管，让红外管发射一定频率的信号，为了达到快速通讯的要求，PWM 的功率会限定在100k-150K之间。
在发射完触点信号后，处理器并不马上进行休眠，而是在一定的间隔时间后发送电量信息,而后进入到低功耗状态。
无线接收电路结构如图6所示，包含红外线信号采集模块、信号放大模块、信号比较整形模块三部分，红外线信号采集模块、信号放大模块、信号比较整形模块依次串接组成了整个红外接收模块。
红外线信号采集模块如图7所示，该模块包括红外接收管D2、电阻R3、R4。红外接收管阴极接5V电压，并并联一个100K的电阻R3，D2和R3串联一个10K的电阻R4，电阻R4的另一端接地。红外接收管D2接受到的信号通过其阳极输出到后面的调理电路，即该模块的信号输出端口SignalOut1。该模块实现了红外接收管接收到的光信号与电信号的转换。
信号放大模块如图8所示，该模块包括一个运放LM324N，电容C1、C2，电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12。该模块中的运算放大器LM324N的4端口接5V电压，11端口接地，为运算放大器提供电源。图1中信号输出端SignalOut1该模块的信号输入端口SignalIn1输入，串接一个电容C1，以隔除信号中的直流信号，运算放大器的端口2接一个电阻R5，电阻R5的另一端串接电容C1，完成信号输入到运放的反相输入端口2，运放的反相输入端口2与输出端口1并联一个电阻R6，电阻R7和R8并接在电压5V和地之间完成分压，电阻R7和R8公共结点接到运算放大器的正相输入端口3，为运算放大器提供参考电压。运算放大器的输出端口1串接一个电容C2，以隔除信号中的直流信号，运算放大器的端口6接一个电阻R9，电阻R9的另一端串接电容C2，完成信号输入到运放的反相输入端口6，运放的反相输入端口6输出端口7并联一个电阻R10，电阻R11和R12并接在电压5V和地之间完成分压，电阻R11和R12公共结点接到运算放大器的正相输入端口5，为运算放大器提供参考电压。运算放大器的输出端口7接信号输出端口SignalOut2，为后面的电路提供信号。该模块实现了红外接收管接收到信号的放大。
信号比较整形模块如图9所示，该模块包括一个电压比较器LM393P、电阻R13、R14、R15，电压比较器的端口8接电压5V，端口4接地，图2的红外信号输出端口SignalOut2从该模块的信号输入端SignalIn2输入并接到电压比较器的反相输入端口2，电阻R13和R14串联并并接在5V和地之间，电阻R13和R14的公共端口接到电压比较器的正相输入端口3，电阻R15并接在电压比较器的端口3和输出端口1之间，电压比较器输出端口1接信号输出端口DataOut，该模块为一个滞回比较器，实现红外信号的比较整形输出。
正常工作过程中，无线信号发射电路中处理器处于低功耗的模式，消耗电流极小，在1ua 以下。在接收到触点信号的时候，快速唤醒，唤醒时间在2-3us，然后由处理器产生PWM信号来驱动红外发射管，让红外管发射一定频率的信号，为了达到快速通讯的要求，PWM的功率会限定在100k-150K之间。
在发射完触点信号后，处理器并不马上进行休眠，而是在一定的间隔时间后发送电量信息,而后进入到低功耗状态。接收器能够及时检测到电池的电量，用户通过对电量信息进行处理，对电池电量较低的情况及时更换电池，保证系统的正常工作。
在通常的红外通讯的过程中，一般都是采用低速的红外通讯，可供选择的波形发送法师有PWM（脉冲宽度调制）和PPM（脉冲位置调制），本发明立足于快速输出触点信号，已有的红外通讯方式难以满足系统的要求，为此本发明在对比现有技术的情况下，选择高速红外信号的信息作为传送，并利用上文所述的电路完成对红外信号的接收和处理，能保证红外信号在一定的距离（0.5-2m）之间信号稳定。
观测红外信号，发现在100Khz 左右，信号在传递的过程中，尽管发送的方波波形发生了较大的畸变，但是信号传递频率稳定。
为保证信号的传输过程中的实时性，本发明对于发送的红外信号做了如下约定：
信号发送以高电平开始，高电平占空比为1/3，这样的有益效果是，红外接收电路处理后，产生的时延最小，能快速跟踪到发出的红外信号。
本发明需要传递的信息如下：
触点开启状态；
电量正常状态；
电量低状态；
电量极低状态。
具体描述过程如下：
1）触点开启信号传递：
发射端在电池供电后，平时进入到低功耗状态，用于节省电量，触点是常闭状态，按照发射端的电量接法，平时处于高电平的情况；当设备的顶针被触及时，触点的状态发生改变，发射端中的处理器，接收到触点传递过来的下降沿信号，处理器被迅速唤醒，进去到活跃状态，发射端向6路红外发射管发出特定波形。为有效区分，定义触点开启信号为：频率120khz ，占空比为30%的PWM波形。
接收端处理器按上文所述的信号接收电路，将红外接收到的信号进行放大，在将模拟信号转为高低电平。接收端对此信号进行接收处理，总的思路就是测量两个上升沿的间隔时间。处理过程如下图10所示，
在得到有效脉冲信号后，进行脉冲频率计算，看频率是否符合定义的频率区间，若是，则交由后级机构，否则做丢弃处理。
为提高接收的可靠性，在接收到的信号的频率界定为 100kz+/-2khz。
2）电量正常信号传递：
由于电量的实时性要求并不是太高，在传递的过程中，优先级可以被放的比较低，在传递完触点信号后，一般下一次触点信号还没到来前，那么可以传递该信号。
传递的过程和接受的过程与上述触点信号传递类似，不再展开。为区别信号信息，电量正常信号频率界定为：110khz+/-2khz；
3）电量低状态信号传递：频率界定为100khz+/-2khz；
4）电量极低状态信号传递：频率界定为90khz+/-2khz。
Claims (2)
1.一种超高速红外无线信息传递装置，其特征在于，包括红外发射端和红外接收端，红外发射端内置无线信号发射电路板，无线信号发射电路板设置成6面形式，每个面都安置有红外发射电路，接收端内置无线接收电路板，无线接收电路板电路包含红外线信号采集模块、信号放大模块、信号比较整形模块，红外线信号采集模块包括红外接收管D2、电阻R3、R4，红外接收管D2阴极接5V电压，并且并联一个电阻R3，红外接收管D2和电阻R3串联电阻R4，电阻R4的另一端接地，红外接收管D2接收到的信号通过其阳极输出到后面的调理电路，即该模块的信号输出端口SignalOut1，信号放大模块包括运算放大器LM324N，电容C1、电容C2，电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12，运算放大器LM324N的4端口接5V电压，11端口接地，为运算放大器提供电源，红外线信号采集模块的信号输出端SignalOut1即为信号放大模块的信号输入端SignalIn1，SignalIn1串接电容C1，以隔除信号中的直流信号，运算放大器的端口2接一个电阻R5，电阻R5的另一端串接电容C1，完成信号输入到运放的反相输入端口2，运放的反相输入端口2与输出端口1并联电阻R6，电阻R7和R8并接在电压5V和地之间完成分压，电阻R7和R8公共结点接到运算放大器的正相输入端口3，为运算放大器提供参考电压，运算放大器的输出端口1串接电容C2，以隔除信号中的直流信号，运算放大器的端口6接电阻R9，电阻R9的另一端串接电容C2，完成信号输入到运放的反相输入端口6，运放的反相输入端口6输出端口7并联电阻R10，电阻R11和R12并接在电压5V和地之间完成分压，电阻R11和R12公共结点接到运算放大器的正相输入端口5，为运算放大器提供参考电压，运算放大器的输出端口7接信号输出端口SignalOut2，为后面的电路提供信号；信号比较整形模块包括电压比较器LM393P、电阻R13、电阻R14、电阻R15，电压比较器的端口8接电压5V，端口4接地，信号放大模块的红外信号输出端口SignalOut2从信号比较整形模块的信号输入端SignalIn2输入并接到电压比较器的反相输入端口2，电阻R13和电阻R14串联并并接在5V和地之间，电阻R13和电阻R14的公共端口接到电压比较器的正相输入端口3，电阻R15并接在电压比较器的端口3和输出端口1之间，电压比较器输出端口1接信号输出端口DataOut；
无线信号发射电路在接收到触点信号的时候，快速唤醒，唤醒时间在2-3us，然后由处理器产生PWM信号来驱动红外发射管，让红外管发射一定频率的信号，
信号发送以高电平开始，高电平占空比为1/3，
需要传递的信息如下：
触点开启信号传递
发射端在电池供电后，平时进入到低功耗状态，用于节省电量，触点是常闭状态，按照发射端的电量接法，平时处于高电平的情况；当设备的顶针被触及时，触点的状态发生改变，发射端中的处理器，接收到触点传递过来的下降沿信号，处理器被迅速唤醒，进去到活跃状态，发射端向6路红外发射管发出特定波形，
为有效区分，定义触点开启信号为：频率120khz ，占空比为30%的PWM波形，
接收端处理器将红外接收到的信号进行放大，再将模拟信号转为高低电平信号，
接收端对此信号进行接收处理，测量两个上升沿的间隔时间，处理过程如下：
在得到有效脉冲信号后，进行脉冲频率计算，看频率是否符合定义的频率区间，若是，则交由后级机构，否则做丢弃处理；
为提高接收的可靠性，在接收到的信号的频率界定为 100kz，+/- 2khz；
电量正常信号传递
在传递完触点信号后，下一次触点信号还没到来前，传递电量正常信号；
电量正常信号频率界定为：110khz+/- 2khz；
电量低状态信号传递：频率界定为100khz+/- 2khz；
电量极低状态信号传递：频率界定为90khz+/- 2khz。
2.根据权利要求1所述的一种超高速红外无线信息传递装置，其特征在于，所述红外发射电路包括触点信号捕捉电路、低功耗处理器，在接收到触点信号的时候，快速唤醒低功耗处理器，唤醒时间在2-3us，然后由处理器产生PWM信号来驱动红外发射管，让红外管发射一定频率的信号，为了达到快速通讯的要求，PWM 的功率会限定在100k-150K之间，在发射完触点信号后，处理器在一定的间隔时间后发送电量信息，而后进入到低功耗状态。
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