CN201489663U - 一种微功耗红外通信的无线数据采集器 - Google Patents

Abstract

一种微功耗红外通信的无线数据采集器，涉及数据采集器，其特征在于：包括分别和嵌入式微控制器(4)连接的模拟量输入电路(1)、开关量输入电路(2)、锂电池供电路(3)、红外发射电路(5)和红外接收电路(6)，红外发射电路(5)包括多个串联的红外发射管。本实用新型所述的微功耗红外通信的无线数据采集器，利用940nm近红外波段的红外光为传递信息的载体，采用多个发射管串联同时发送通信，使得数据通信的覆盖方位角增大，通信距离变远，最远可以达到8米左右。

Description

一种微功耗红外通信的无线数据采集器

技术领域

本实用新型涉及数据采集器，具体的说是一种微功耗红外通信的无线数据采集器。

背景技术

目前大多数的无线数据采集通信采用传统的无线电磁波传输方式，该方式功耗大，相应带来电磁干扰和电磁兼容性的问题，在某些特定的场合，如电力高压系统、医院和携带心脏起搏器人员的特殊环境和人员无法使用，影响周围电气设备和人员的安全事故。

红外通信有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。目前大多数作为数据采集的终端希望通过串口或红外接口与移动设备(如掌上电脑等)进行通信，和传统的遥控器中采用的红外相比较，红外数据传输的实现方式是不同的。由于这种通信方式具有可靠性高、保密性好、设计成本低、连接方便、简单易用、结构紧凑等特点，在电子产品中具有广阔的发展潜力。目前，已被广泛应用于遥控遥测、智能仪表、计算机终端、电话机、移动电话、寻呼机、电子商务、数字照相机、工业设备和医疗设备等领域。

红外通信是利用940nm近红外波段的红外线为传递信息的载体，即通信信道。发送端用脉时调制(PPM)方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并利用该脉冲序列驱动红外线发射管以光脉冲的形式向外发射红外光，而接收端将接收到的光脉冲信号转换成电信号，在经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原成二进制数字电信号后输出。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输，而红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。红外通讯采用点对点的数据传输协议，是目前国际上普遍采用的无线传输技术。它采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间，通讯距离一般在0到1米之间，它的频率高于微波而低于可见光。

但是普通的红外数据采集和通信具有以下不足和缺点：

1、通信距离短，不能满足实际中技术要求。

2、通信的指向性比较强，不利于可靠的通信。

3、普通数据采集系统的功耗大，不适合电池供电。

4、普通数据采集系统体积大，不适合便携和移动的数据采集。

实用新型内容

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种微功耗红外通信的无线数据采集器，解决通信距离短、通信的指向性比较强、功耗大、体积大的缺点。

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种微功耗红外通信的无线数据采集器，其特征在于：包括分别和嵌入式微控制器4连接的模拟量输入电路1、开关量输入电路2、锂电池供电路3、红外发射电路5和红外接收电路6，红外发射电路5包括多个串联的红外发射管。

在上述技术方案的基础上，红外发射电路5包括3个呈品字形分布的红外发射管。

在上述技术方案的基础上，红外发射电路5包括4个呈矩形分布的红外发射管。

在上述技术方案的基础上，红外发射电路5包括5个以上呈扇形分布的红外发射管。

在上述技术方案的基础上，红外发射电路5包括9个按3×3矩阵分布的红外发射管。

在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器4中包括至少一个用于连接PC机的RS232串口。

在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器4的型号为C8051F350。

本实用新型所述的微功耗红外通信的无线数据采集器，利用940nm近红外波段的红外光为传递信息的载体，采用多个发射管串联同时发送通信，使得数据通信的覆盖方位角增大，通信距离变远，最远可以达到8米左右。嵌入式微控制器C8051F350带有模拟/数字转换器A/D，程序可以动态地改变自身工作的晶体振荡器地频率，因此可采用改变工作频率的方式，使得微控制器的功耗低，供电电压在3.6V时，在不通信时3～5mA，通信时瞬时电流在15mA。

附图说明

本实用新型有如下附图：

图1微功耗红外通信的无线数据采集器的结构框图

图2红外发射电路实施例

图3锂电池供电路实施例

图4嵌入式微控制器实施例

图5红外数据接收装置的结构框图实施例

图6红外数据通信的接收电路和PC上位机通信接口电路实施例

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型所述的微功耗红外通信的无线数据采集器，包括分别和嵌入式微控制器4连接的模拟量输入电路1、开关量输入电路2、锂电池供电路3、红外发射电路5和红外接收电路6，红外发射电路5包括多个串联的红外发射管。每个红外发射管的指向不同方位，可同时多方位的发送通信，增大了发射方位角，克服因为接收管和发射管因对不准而造成的通信不可靠的问题。上述技术方案中所述的电路均可采用现有技术实现。红外发射电路5包括至少3个红外发射管。本实用新型采用多个红外线发射管的发射电路/单个红外接收管FT002的电路的方式，从而解决现有的红外线接收/发射装置通信时接收方向角度小技术问题。

在上述技术方案的基础上，红外发射电路5包括3个呈品字形分布的红外发射管。

在上述技术方案的基础上，红外发射电路5包括4个呈矩形分布的红外发射管。

在上述技术方案的基础上，红外发射电路5包括5个以上呈扇形分布的红外发射管。

在上述技术方案的基础上，红外发射电路5包括9个按3×3矩阵分布的红外发射管。

在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器4中包括至少一个用于连接PC机的RS232串口。

在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器4的型号为C8051F350。

图2为红外发射电路5的一个具体实例，由型号为74LS02的或非门U4A、U4B、电阻R38、R18、R19、C17和电位器RW1组成38KHz的振荡电路，输出38KHz的方波信号到U4C的8脚，与来自嵌入式微控制器4的发送数据信号TXD相或非后，经过电阻R17驱动三极管Q6的基极，驱动940nm的三个红外发射管LED-1、LED-2和LED-3，R16、C15和C16组成电源退耦电路，防止红外发射管工作时的干扰纹波的影响。该电路采用三个红外发射管同时发射工作，使得通信的可靠性得到提高。由TXD来控制信号发送，当TXD信号为高电平时，禁止发送红外信号；若TXD信号为低电平时，反向后的异步串行数据调制38KHz载波，然后推动达林顿管Q6，使红外发射管发送信号。红外发射管采用HG505中功率红外二级管，峰值发射波长为940nm，辐射功率为50mW左右。

图3为锂电池供电路3的一个具体实施例，在图3所示的DC/DC变换供电电源电路中，电池或者外接电源从连接器JBATT引入，经过DC/DC变换集成电路MIC4680和相应的外围电路后，从连接器J3输出稳定的3.3V直流电源给嵌入式微控制器4供电，其中R10、R33和C8组成电源的开关使能电路。L1、D14、C9、C10、R11、R12、D15、D16、R13、C12和C13组成输出滤波和保护电路，D15起防止电源过压保护的作用，D16起防止电源接反保护的作用。图3中连接器J3连接一个大容量的法拉级的双电解层电容C11，防止发送红外信号的冲击电流对电源的影响。该电源电路具有输入电压范围宽，从4.5V到40V都可以工作，电源纹波低的特点。

图4为嵌入式微控制器的一个具体实施例，其核心是型号为C8051F350的嵌入式微控制器，C8051F350内部带有24位Δ-∑结构的A/D转换器，自带模拟切换电子开关。电阻R32～R39和电容C24～C31组成输入一阶低通滤波电路，来自连接器JAIN的8路输入模拟信号经过输入一阶低通滤波电路后，连接到C8051F350的A/D的输入端IN1～IN8进行转换成数字信号。来自连接器JI0-1和连接器JIO-2的数字开关量信号由微控制器P00和P01口(13、14引脚)读入，把相应的模拟信号和数字信号进行数组编码，组成一个需要发送的数据包。R25和C19组成复位电路，晶体振荡器1、R26、C22和C23组成微控制器C8051的工作时钟产生电路，R32、R9、C15组成红外接收器receiver的电源退耦滤波电路。该时钟频率在嵌入式微控制器内部根据功耗要求动态地分频工作，以降低嵌入式微控制器的功耗。

PC机本身并不具备红外通信接口，利用单片机W77E58的串行接口1与红外发射和接收电路组成一个与红外数据采集器的通信接口，PC机与单片机W77E58系统的红外串行通信接口，如图5所示。图5是红外数据接收装置结构框图，包括嵌入式微控制器W777E58、红外收发射电路和RS232串口通信电平转换电路，负责与上位机通信。利用单片机W77E58的一个串行接口与红外发射和接收电路组成一个红外数据采集器的通信接口，利用单片机W77E58的另一个串行接口通过RS232电平转换电路连接到PC机的RS232通信口，将红外接收电路采集的数据通过W77E58组成的接收终端发送到PC机，以便以后的数据储存和分析。W77E58的另一个串行接口还可通过RS232转USB电缆连接到PC接USB接口，将红外数据采集器的采集的数据通过W77E58的中继接收和转发到PC，以便以后的数据储存和分析。即：红外接收电路6中微控制器W77E58中包括两个串口，一个用于红外数据采集装置的红外光通信，另一个用于连接PC机的RS232串口。为满足本实用新型需要随时随地地可移动采集数据，本实用新型可以通过RS232串口相连到PC机的串口，或者通过RS232转USB的转接电缆连接到PC机的USB接口，数据可以直接存储到PC，可以实时地分析处理和存储到硬盘系统。

在图6所示的红外数据通信的接收电路和PC上位机通信接口电路中，采用专用红外数据通信接收集成电路FT002T(如图-4中标号为RECEIBER器件)连接到J3的4、5和3脚，它采用3脚单列直插式塑料封装，内部包括自动偏置控制电路、前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波、积分比较和施密特整形输出电路等。它具有自动偏压控制电路(ABLC)，以均衡放大强弱不同的信号，再配合少量外接元件，能完成对红外信号遥控接收与处理的全部功能。红外信号经光敏二极管进行光电转换后，在IC内部经过两级放大、带通滤波、峰值检波和积分整形后，由第3脚输出串行数据信号RXD。FT002T是塑封一体化红外线接收器，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高电平，收到红外信号时为低电平，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。图6是图5的具体实现的电路图，由W77E58组成接收终端接收红外数据采集器的采集的数据。红外接收解调器通过连接插件CON5连接通过W77E58的串口1，或非门U5A，U5B和U5C的作用如同图-2一致，产生38KHz的红外调制信号，Q2的作用如同图-2中的Q6，控制红外发送，在CON5的2脚连接红外发送管，CON5的5脚、4脚和3脚连接红外接收解调器件，在3脚解调出数据信号送到W77E58的TXD脚。W77E58的另一个串口引脚P13和P12通JP2连接到RS232电平变换芯片MAX3232芯片，将接收到红外数据采集器的数据中继转发到PC，以便以后的数据储存和分析，该串口输出的RS232电平连接到PC串行接口。在该电路中，由变压器T1和整流桥DR1、稳压电路U8LM7805组成电源供电电路，非门U4B和U4C组成通信的接收和发送指示电路，在JLED连接发光二极管，指示发送和接收工作状态。

本实用新型利用940nm近红外波段的红外线为传递信息的载体，采用低功耗的嵌入式微控制器和红外通信技术，替代普通电磁无线通信，完成数据采集通信功能，整个采集器采用表面贴装技术，使得采集器体积小、功耗低、便携和成本低廉特点，根据需要随时随地地可移动采集数据，经过与PC机相连的接收器，通过RS232串口相连到PC机的串口，或者通过RS232转USB的转接电缆连接到PC机的USB接口，存储到PC，可以实时地分析处理和存储到硬盘系统。

综上所述，本实用新型的优点是：

1、由于采用了红外数据通信技术，相比与无线电磁波数据传输，没有电磁干扰，特别适用于电力高压系统、医院和携带心脏起搏器人员的特殊环境人员使用。本实用新型采用多个红外线发射/单个接收装置，包括多个红外线发射管、红外线接收管、红外数据发射调制电路和数据采集控制的微控制器C8051F350，从而解决现有的红外线接收/发射装置不能同时探测多个方向数据通讯的技术问题。

2、由于采用红外线传输数据，形成了数据通信设备非接触的方式，彻底隔离了雷电、冲击电压、线路短路或感应电流等的影响，真正起到了全面保护串行通信的作用，同时还能解决因环境因素或受工作制约无法采用有线通信的设备，具有一定的实用性。

应用实例

在高压回路中，经常要监控各种电力参数，如温度、电压、电流、振动和绝缘状况等，高压侧本身无法供电，也不能采取电阻和电容接地分压来供电，这样会影响系统的绝缘性能，可以采用本红外数据采集器，利用高能锂电池供电，相应的成本低，系统简单，可靠性高。由于没有与低压侧有任何电气连接，与母线采用等电位方式，不存在绝缘击穿或影响原供电系统的绝缘性能。红外传数据采集器制作简单，使用方便。

Claims (8)

1.一种微功耗红外通信的无线数据采集器，其特征在于：包括分别和嵌入式微控制器(4)连接的模拟量输入电路(1)、开关量输入电路(2)、锂电池供电路(3)、红外发射电路(5)和红外接收电路(6)，红外发射电路(5)包括多个串联的红外发射管。

2.如权利要求1所述的微功耗红外通信的无线数据采集器，其特征在于：红外发射电路(5)包括3个呈品字形分布的红外发射管。

3.如权利要求1所述的微功耗红外通信的无线数据采集器，其特征在于：红外发射电路(5)包括4个呈矩形分布的红外发射管。

4.如权利要求1所述的微功耗红外通信的无线数据采集器，其特征在于：红外发射电路(5)包括5个以上呈扇形分布的红外发射管。

5.如权利要求1所述的微功耗红外通信的无线数据采集器，其特征在于：红外发射电路(5)包括9个按3×3矩阵分布的红外发射管。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的微功耗红外通信的无线数据采集器，其特征在于：嵌入式微控制器(4)中包括至少一个用于连接PC机的RS232串口。

7.如权利要求1或2或3或4或5所述的微功耗红外通信的无线数据采集器，其特征在于：嵌入式微控制器(4)的型号为C8051F350。

8.如权利要求6所述的微功耗红外通信的无线数据采集器，其特征在于：嵌入式微控制器(4)的型号为C8051F350。

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