一种非接触式红外通讯电路设计与实现

蒋 军（昆明船舶设备设计研究中心，昆明　650051）



一种非接触式红外通讯电路设计与实现

蒋 军
（昆明船舶设备设计研究中心，昆明650051）

摘 要：为解决水下设备连接器采用分离式水密插座在长期插拔使用过程中会出现接触不良以及在水下使用过程中会出现金属电化学腐蚀的问题，采用一种非接触式红外通讯电路设计方式。通讯电路装置由两个电路组件构成：对接电路插头和对接电路插座，它们分别密闭在一种特殊的透光材料中。数据通讯采用符合IrDA1.2低功耗物理层规范的红外收发管实现，控制芯片采用英飞凌16位单片XC164CM作为其处理器，信息触发单元由一个电磁铁和干簧管组成，电源部分采用带控制端的电源模块。硬件电路设计完成非接触式红外通讯系统，软件程序设计保证数据通讯正常运行。实验测试结果证明，在混浊水中也能满足使用要求，具有一定的实用性和应用价值。

关键词：单片机；RS232串口；CAN协议；电磁铁；红外通讯；串行存储器

1 引 言

水下设备入水前都需要装订参数和指标，因而设备连接器的性能及可靠性越发重要。目前普遍采用的是分离式水密插座，这种方式长期使用会出现接触不良的问题，严重的还会出现插针被弄弯造成无法使用，插头及插座在水下也会存在电化学腐蚀问题，因而考虑采用一种非接触式红外通讯电路设计方式。

2 总体设计方案

非接触式红外通讯电路是基于水下设备连接需求提出，以避免传统连接器应用过程中的不足，其结构采用两个完全独立密封的电路组件组成。这两个电路组件在物理上非接触，数据通讯使用红外光进行传输，采用的红外收发管符合IrDA1.2低功耗物理层规范［1］。其电路组件的外部结构件采用透光树脂材料，性，几乎不存在电化学腐蚀。非接触式红外通讯装置电路的触发采用磁耦合方式，需要进行通讯时只需由对接电路插头端通电产生一定的磁通量去触发。

3 系统硬件结构

非接触式红外通讯电路装置由两个电路组件构成：对接电路插头和对接电路插座，如图1所示。对接电路插头和对接电路插座包含磁触发单元、磁感应单元、信息存储单元、红外收发管以及相应的通讯接口电路。磁触发单元与磁接收单元完成信息触发对接，红外收发管以及相应的接口电路执行数据通讯，信息存储单元保证相关重要信息和命令记录，微处理器实现通讯信息、命令、参数的有效传输和记录。

图1 非接触式红外通讯系统结构图

非接触式红外通讯电路装置设计为满足结构体积小、数据通讯类型多样等特点，采用英飞凌16位单片CMOS微控制器系列的增强型产品XC164CM作为其中央处理器。XC164CM［2］是16位微控制器的第四代产品，在MAC单元中加入DSP功能处理数字滤波器算法，大大缩短了乘除运算的时间，大多数指令为单周期指令。可通过片上调试支持单元（OCDS）对目标系统进行调试。微控制器XC164CM体积小，采用小型PG-TQFP64封装，具有丰富的片上系统资源（内置2KB双口RAM、2KB片上程序SRAM、2KB的片上高速数据SRAM、64KB片上Flash程序存储器），同时囊括大量外设模块，具体性能如下：①两个通用定时器模块（GPT1和GPT2）；②两个异步/同步串行接口（ASC0和ASC1）；③两个高速串行接口（SSC0和SSC1）；④一个看门狗定时器；⑤一个捕获/比较单元（CAPCOM2）；⑥增强型捕获/比较单元（CAPCOM6）；⑦一个10位模数转换器（ADC）；⑧一个实时时钟（RTC）；⑨四个I/O端口，共47根I/O线；⑩LXBus是外部总线的内部标识，不支持位寻址，通过EBC访问与LXBus连接的片上资源，如同访问片外资源一样，LXBus将片上外设连接到CPU；○11TwinCAN模块，具有两个CAN节点和网关功能。

3.1对接电路插头硬件设计

对接电路插头有4个功能：①单片机XC164CM对上位机串口和红外收发管的数据进行接收及发送；②通过红外收发管对通讯数据进行收发；③电磁铁触发对接电路插座触发上电；④串行存储芯片M25P80存储相关通讯数据［3］。对接电路插头硬件电路由电源模块、单片机XC164CM、电磁铁、红外收发管、串行存储芯片M25P80以及其它相关电路构成，具体结构示意图如图2所示。

图2 对接电路插头硬件结构框图

单片机XC164CM有两个串行异步接口（可设置成红外通讯模式），可以直接进行电路连接：一个与上位进行通讯，一个与红外收发管进行连接，这部分电路不作具体介绍。串行FLASH存储芯片是通过ISP接口与单片机连接，由于XC164CM的I/O电平是5V，而芯片M25P80供电为3.3V考虑电平兼容性在电路连接上需要加入电平转换芯片SN74LVC2T45。根据电磁铁的特性不能长时间通电，因而电路中加入电磁铁断电电路，具体电路图如图3所示。

图3 电磁铁断电电路图

3.2对接电路插座硬件设计

对接电路插座有5个功能：①单片机XC164CM对红外收发管和CAN通讯的数据进行接收及发送；②通过红外收发管对数据进行收发；③磁接收单元对电磁铁产生的磁场进行感应；④由串行存储芯片M25P80存储相关数据；⑤通过CAN通讯协议芯片将数据发送给相关控制器。对接电路插座硬件电路由带控制的电源模块、单片机XC164CM、磁接收单元、红外收发管、串行存储芯片M25P80以及其它相关电路构成，具体结构示意图如图4所示。

图4 对接电路插座硬件结构框图

单片机XC164CM将一个串行异步接口设置成红外通讯模式直接连接红外收发管，将TwinCAN模块的一个CAN节点与对应的CAN通讯芯片连接，配置串行FLASH存储芯片是通过ISP接口与单片机连接［4］。同样由于XC164CM的I/O电平是5V，而芯片M25P80供电为3.3V，考虑电平兼容性，在电路连接上需要加入电平转换芯片SN74LVC2T45。由于本电路组件需要待机，即没有电磁铁对其进行触发上电时，整个电路不能有电，为此需要对带控制端的电源模块进行相应的电路设计，具体电路如图5、图6所示。

图5 电源控制端电压图

图6 带控制端电源电路图

4 软件程序设计

在微处理器XC164CM软件中，采用KEIL3集成开发环境，英飞凌公司提供DAvE软件为嵌入式软件开发提供方便。DAvE软件在XC164CM嵌入式软件开发、各功能寄存器应用设置中为开发者提供各相关寄存器的设置值，并快捷生成相应的code。非接触式红外通讯电路装置是由对接电路插头和对接电路插座组成，因而其软件程序也分成对接电路插头软件程序和对接电路插座软件程序［5-7］。

4.1对接电路插头软件程序设计

对接电路插头软件具备与上位机通讯以及红外通讯功能，同时兼备指令、数据记录功能。为了方便软件维护及相关功能扩展，程序采用模块化设计，模块完成个自独立的功能，根据其功能要求可分为：初始化程序模块、上位机通讯模块、数据存储模块、红外收发模块、电磁铁断电模块。具体流程图如图7所示［8-9］。

图7 对接电路插头软件流程图

主要程序模块如下：

void ASC0_vInit（void）；//红外通讯初始化

void ASC1_vInit（void）；//上位机通讯初始化

void IO_vInit（void）；//I/O初始化

void ASC0_vReceiverOn（void）；//红外数据接收启动

void ASC1_vReceiverOn（void）；//上位机数据接收启动

void ASC0_viRx（void）；//红外数据接收

void ASC1_viRx（void）；//上位机数据接收

void DianChiTieOff（void）；//电磁铁断电

voidASC0_vSendData（uword uwData）；//红外数据发送

voidASC1_vSendData（uword uwData）；//上位机数据发送

void M25P80_SPI_Write8Data（uchar temp8）；//向m25p80写入数据，实现SPI总线的8位数据写操作，上升沿写数据

void M25P80_WriteEnable（void）；//写入写使能

void M25P80_SPI_Write24Add（long temp24）；//向m25p80写入数据，实现SPI总线的24位地址数据写操作，上升沿写数据

void M25P80_Read（void）；//从M25P80读出数据，实现SPI总线的8位数据读操作

uchar M25P80_ReadReg（void）；//读功能寄存器

void M25P80_Check（）；//检查数据是否写入完成

4.2 对接电路插座软件程序设计

对接电路插座软件具备与相关控制器CAN通讯以及红外通讯功能，同时兼备指令、数据记录功能。为了方便软件维护及相关功能扩展，程序采用模块化设计，模块完成各自独立的功能，根据其功能要求可分为：初始化程序模块、CAN通讯模块、数据存储模块、红外收发模块、电源自保持模块。具体流程图如图8所示。

图8 对接电路插座软件流程图

主要程序模块如下：

void ASC0_vInit（void）；//红外通讯初始化

void CAN_vInit（void）；//CAN通讯初始化

void IO_vInit（void）；//I/O初始化

void ASC0_vReceiverOn（void）；//红外数据接收启动

void ASC1_vReceiverOn（void）；//上位机数据接收启动

void ASC0_viRx（void）；//红外数据接收

void ASC1_viRx（void）；//上位机数据接收

void DianChiTieOff（void）；//电磁铁断电

void ASC0_vSendData（uword uwData）；//红外数据发送

void ASC1_vSendData（uword uwData）；//上位机数据发送

void M25P80_SPI_Write8Data（uchar temp8）；//向m25p80写入数据，实现SPI总线的8位数据写操作，上升沿写数据

void M25P80_WriteEnable（void）；//写入写使能

void M25P80_SPI_Write24Add（long temp24）；//向m25p80写入数据，实现SPI总线的24位地址数据写操作，上升沿写数据

void M25P80_Read（void）；//从M25P80读出数据，实现SPI总线的8位数据读操作

uchar M25P80_ReadReg（void）；//读功能寄存器

void M25P80_Check（）；//检查数据是否写入完成

5 结束语

装置的技术难点在于电磁铁的磁场作用距离以及其对应触发元件器的可靠性。考虑到电磁铁通电时间长会产生大量热量，因而设计了断电电路，为了保证对接电路插座在触发后电源模块能可靠供电输出，设计了电源模块的自保持电路。整个电路装置设计已研制成功，通过大量的数据测试表明该电路装置的通信数据收发正常。

参考文献：

［1］赵海兰.红外学习机的设计原理及应用［J］.电子世界，2004（12）：25-26.Zhao Hailan.The design principle of infrared learning machine and its application［J］.the electronic world，2004 （12）：25-26.

［2］Infineon Technologies AG，XC164CM DATA SHEET ［R］.（2006-03）http：//www.infineon.com.

［3］STMicroelectronics group，M25P80 DATA SHEET［R］.（2007-7-15）http：//www.st.com.

［4］孙晓华.PIC单片机与串行闪存的SPI接口设计［J］.中电网，2010（5）：33-34.Sun Xiaohua.PIC microcontroller and serial flash SPI interface design［J］.China electrified net，2010（5）：33-34.

［5］饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理及应用技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2003.Rao Yuntao，Zou Jijun，Zheng Yongyun.Field bus CAN principle and application technology［M］.Beijing：Beihang University press，2003.

［6］王黎明，夏立，邵英，等.CAN现场总线系统的设计与应用［M］.北京：国防工业出版社，2008.Wang Liming，Xia Li，Shao Ying，et al.Design and application of CAN field bus system［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2008.

［7］史久根，刘蓬，张陪仁.CAN数据传送的实时性研究及其应用［J］.信息与控制，2004（33）：342-344.Liu Peng，Zhang Peiren.CAN history Jiugen，the real-time data transmission and application of［J］.information and control，2004（33）：342-344.

［8］任哲.嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ原理及应用（第二版）［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.Ren Zhe.The principle and application of embedded real time operating system C/OS-II（Second Edition）［M］.Beijing：Beihang University press，2009.

［9］李小将，梅栾芳，师俊芳，等.基于TCM的嵌入式可信终端系统设计［J］.计算机工程与设计，2010（4）：733-735.Li Xiaojiang，Mei Luanfang，Shi Junfang，et al.based on TCM of embedded trusted terminal system design［J］.Computer engineering and design，2010（4）：733-735.

Design and Research of Non-Contact Infrared Communication Circuit

Jang Jun
（Kunming Shipbuilding Equipment Design Center，Kunming 650051，China）

Abstract：In order to solve the problems，bad contact during the underwater equipment connector using separate water tight socket and metal electrochemical corrosion under water，the non-contact infrared communication circuit is designed.It is composed of docking circuit plug and docking circuit socket，which confined in light-passing material respectively.The data communication is performed by infrared transceiver tube which conforming IrDA1.2 low power physical layer specifications.The control chip uses Infineon 16 bit single XC164CM as CPU，information trigger unit is composed of a electric magnet and reed switch and the power unit uses the control end of power module.The hardware circuit of design completes non-contact infrared communication system，and the software program of design guarantees data communication normally.The test results show that it also meets the design requirements in turbid water and has a certain practicality and application value.

Key words：Single chip；RS232 Serial port；CAN Protocol；Electro-magnets；Infrared communication；Serial memory

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.022

中图分类号：TP212.9

文献标识码：A

文章编号：1002-2279（2016）02-0086-04

作者简介：蒋军（1979-），男，四川省仁寿县人，工程师，硕士，主研方向：监测设备研制与开发。

收稿日期：2015-06-15