RS_232C串口红外数据传输系统

华中科技大学电气与电子工程学院　　　金明亮　　游大海　黄上游

摘　　　要：本文给出在ＲＳ－２３２Ｃ串口间实现红外无线数据传输的方案，载波由５５５定时器产生并实现数据调制。采用一体化集成接收电路完成数据解调，同时分析解决了误码问题，给出了详细的电路图。

关键词：ＲＳ－２３２Ｃ串口；红外传输；５５５定时器；误码ＲＳ－２３２Ｃ串口常用来实现计算机与计算机之间，计算机与其它设备及微控制器之间数据传输，特别在工业领域获得了大量的应用。但是在有些场合串口带来了很多的麻烦，而采用普通的无线通讯方式在恶劣的电磁场环境中受干扰很大，误码率很高。本文基于在电厂和变电站进行直流高压试验的需要而研制了一种红外数据传输系统，现场实验证明该系统满足通讯要求。

数据采集单元

目前５１系列单片机能在一块芯片中实现最小系统，这样数据的采集仅仅需要一块Ａ／Ｄ芯片即可完成，大大减小了ＰＣＢ板的面积，降低了受干扰的可能性。

电流先经Ｉ／Ｖ转换为电压信号，再经过程控放大，然后由Ａ／Ｄ转换为数字信号，微控制器（ＭＣＵ）经过一定的处理后经ＲＳ－２３２串口送到红外发送单元（见图１）。

红外数据发送单元

给红外管加上正的电压时，将有电流流过红外管而发出红外光。无电压时红外管截止，无电流流过，红外光消失。利用这一特点来传送数字信号：当数字信号为高电平时，红外管导通，空间有红外光传播；当数字信号为低电平时，红外管截止，空间无红外光传播。空间红外光的电磁场的干扰，是在恶劣电磁环境中有效传输数据的一种高可靠的方式。

系统实现

问题的提出

在高压设备的直流试验中需要获取流过设备的绝缘泄漏电流，在通常方案中该电流是通过地线回路来测量，但由于设备的绝缘泄漏电流只有毫安级，同时设备存在较大的对地电容，对地容性电流的存在使设备泄漏电流存在较大的误差，不能体现设备的真实绝缘性能，还容易引起其它误动作，给实验带来不必要的麻烦。如果从设备的高压端测量电流，则可大幅度减少误差。在设备高压端测量电流采用有线方式传输存在绝缘困难等不易解决的困难，一个较好的方案是采用无线数据传输。在无线传输方式中，最常用的是射频传输。但是高压绝缘在放电情况下会产生强烈的电磁波干扰，同时现场环境是一个电磁很恶劣的环境，无线电波信号在这样的环境中将受到很大的干扰。９４０　ｎｍ　波长的红外线频率恰好可以避开现场

图１　数据采样框图本文２００３年８月４日收到。金明亮：硕士研究生，研究方向为电力系统保护及安全自动装置。

ｗｗｗ．ｅｅｐｗ．ｃｏｍ．ｃｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　电子产品世界　　２００３．１２／上半月27设计天地有无对应数字信号的高低电平，也即红外能量的有无与数字电平高低相对应。这样就将数字信号的高低电平信息转化为红外光的有无信息。在数字电路中，直接采用原始高电平不足以直接驱动红外管发光，其发射的功率有限，传送距离受到限制。红外线传送的距离与发射功率成正比关系，发射功率越大，发送距离就越远。因此在应用电路中采用三极管来放大电流，以提高发射功率，增大发送距离。一般红外管的工作电流为３０—５０ｍＡ，　驱动电源为＋５Ｖ，在１００Ω的限流电阻作用下，最大电流为５０　ｍＡ。三极管采用常见的频率较宽的９０１３，基极采用５１０Ω的基极限流电阻。

本方案中采用３８ＫＨｚ的方波信号作为载波对数字信号进行载波调制，然后再通过红外发光二极管发射。其中采用３８ＫＨｚ的方波信号进行载波调制的目的在于使接收电路可以采用选频放大器来获得良好的抗环境干扰性。３８ＫＨｚ的载波信号由５５５定时器配合阻容电路产生。调制过程如下：５５５的４引脚为复位端，该引脚置低电平时５５５复位，无信号输出。将被调制数字信号接到５５５的４引脚，如果信号为高电平，则５５５有方波输出，红外管导通，信号被送出；如果信号为低电平，则５５５复位无方波输出，红外管截止，无信号送出。这样就将一位位的数字信号加载到了３８ＫＨｚ的载波上，红外信号携带着原始数字信号在空间传送，在接收端再进行解调处理，即可得到原始的数字信号。

电子产品世界　　ｗｗｗ．ｅｅｐｗ．ｃｏｍ．ｃｎ28２００３．１２／上半月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

DESIGN FIELD图２　红外发射单元电路图图３　红外接收单元电路图图４　　原始信号调制波形从图２可以看到，串口出来的信号经７４０４取反后再进行调制。调节ＲＡ和ＲＢ可以调节５５５的输出频率及占空比，在电路调试中应使５５５输出的载波频率与接收解调单元载波频率的保持一致。

解调接收单元

红外接收电路一般有两种方式，一种是采用分立元件配合专用的集成芯片构件解调电路。常用的芯片有ＣＸ２０１０６Ａ，该芯片是专用红外解调电路，但是需要匹配外围电阻电容构成振荡电路提供芯片工作时钟，同时要接入红外接收管。这种电路在理论上完全没有问题，但是在实际设计中，由于电阻电容的标称值难以严格保证，从而造成频率的偏移，导致无法正确解调信号，出现误码。为了解决分离电路难以调试的问题，目前已经有很多厂

DESIGN FIELD设计天地家开发出了专用红外集成接收头。这种电路集成了红外接收管、电阻电容，使用起来极为方便，这里选用的是ＨＲＭ３８００。

图３所示为红外专用万能接收头ＨＲＭ３８００，使用时只需在１引脚接入电源负极，２引脚接入电源正极，即可正常工作，同时内部电路可以削弱电源的纹波，减少了对电源的要求。如果在一定范围内有调制红外发射源，接收头就可以自动进行解调，在３引脚输出解调后的脉冲数字信号。输出的信号再经过７０１４进行整形处理后就可得到比较理想的数字信号。由于在具体应用前采用的是计算机串口调试，因此ＨＲＭ３８００输出的ＴＴＬ电平需转换为ＲＳ－２３２Ｃ电平才能送到计算机的串口。在应用电路中，该部分的电平转换电路可以去掉。

在解调端的输出端接一非门７４０４即可解决问题，恢复原始数据高低位。

调试软件可自己编写，也可采用现成的串口调试软件。本系统利用笔者在Ｄｅｌｐｈｉ　５．０平台上开发的串口调试软件调试。如图６所示，发送和接收数据正确无误。发送与接收端的距离相隔１２ｍ，Ｃｏｍ１发送，Ｃｏｍ２接收，波特率为９６００，奇校验，８位数据位，１位停止位。注意波特率不能太高，否则会出现乱码。图６　串口调试数据发送接收显示图５　原始数据取反调制波形Ｕ２Ａ：Ａ—原始数据波形Ｕ１Ａ：Ｂ—载波波形Ｕ２Ａ：Ａ—原始数据取反后的波形Ｕ１Ａ：Ｙ—调制输出波误码解决及调试

本电路可通过计算机的两个串口来调试，调试成功后再应用到实际装置中。

数字信号的高低电平加载到５５５复位端４上，当是高电平时，５５５有方波输出，当为低电平时，５５５被复位，输出为零。这样信号的高低电平就转换为５５５的有无方波输出。这一信号调制原理等同于与门调制原理，即高电平开门低电平关门。

为进一步从理论上分析解决问题，采用ＰＳＰＩＣＥ模拟软件进行了仿真模拟分析。

在图４中，ａ是载波信号，ｂ是要传送的数字信号，由于ａ和ｂ　的上升沿不能严格同步，从而调制后输出ｃ的宽度比ｂ小。这里只显示了四个数据位０１０１，可以看到第二个高电平调制后输出信号宽度比第一个高电平更小，原始信号高电平的宽度发生了变化，即数据位宽度发生改变，累积到一定程度后接收端数据检测将发生错位而导致误码。

解决这个问题的办法是将待传输数据取反后再进行调制，模拟波形见图５。

从图５可以看到，调制输出后的波形高低位于原始数据波形严格对应，即原始数据为０时有调制波输出，为１时无调制波输出。虽然数据高低位与波形有无相反，但是

结语

本方案利用５５５定时器产生载波，信号由ＲＳ－２３２Ｃ串口输出后加到定时器的复位端进行调制，放大后由红外二极管发射调制后的红外光。在接收端利用集成接收电路进行解调输出原始数据，这样完成了在恶劣电磁环境中的无线数据传输。该电路成本低，易于调试，通讯性能高，可用在很多需要抗干扰的无线数据传输领域。■

参考文献：

１．　　华中工学院　上海交大合编　高电压试验技术　北京：水利电力出版社　１９８３．７

２．　　李庆祥　实用光电技术　北京：中国计量出版社１９９６．１

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