红外异步数字通信的数据采集装置设计与实现毕业论文.docx
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红外异步数字通信的数据采集装置设计与实现毕业论文
摘要
怎样解决种类繁多的有线电缆所导致的麻烦及问题,创建一个安稳、便捷、安全的环境状态是人们的愿望所在。
所以,无线数据传输方式的诞生改变了其传统的技术手段。
因其所具有的较低成本、较好的扩展功能、自由的工作条件以及方便接入的优势等,在相关的虚拟产品市场、安全警报系统、传感器无线网络系统等多方面领域都具有十分广阔的前景。
为使其相关的数据在进行传送的过程中能够具有安全可靠的传输性、易于操作、方便其进行运行工作等,可以采用红外信息技术手段。
本设计主要以89lpc935单片机为其设计依据,制定出了一个方便易操作的信息写码对策,以此作为其完成了一个简洁的红外数据通信系统的有效方法。
辩证的比较其各电路相关模块的设计及原理。
最大程度上降低其所产生的误码率,从而使相关的信息在传送过程中能够提高其速率。
本系统的设计主要基于控制其单片机的编写、扫描并输入其键盘的行列值、显示其相关的数码管动态运行,将红外数据的通信清晰的展现出来。
本文主要从红外数据通讯的组成原理及其关的解码与编码工作所进行研究,文章主题被分为两大模块来进行讨论,既为接受及发送两部分,并最终参照其相关的信息及标准完成其硬件部分的最后设计。
关键词:
数码管;单片机;红外
Abstract
Howtosolvetheproblemandproblemcausedbyawidevarietyofcablecable,creatingasafe,convenient,safeenvironmentispeople'sdesire.So,thebirthofthewirelessdatatransmissionmodehaschangeditstraditionaltechnologymeans..Becauseofitslowcost,goodexpansionfunction,freeworkingconditionsandtheeasyaccessofadvantage,inthefieldofvirtualproductmarket,securityalarmsystem,sensorwirelessnetworksysteminmanyaspectshasverybroadprospects.
Inordertomakethedatatransmittedintheprocessoftransmission,itcanbeusedforsafeandreliabletransmission,easyoperation,andconvenientoperation.Soitcanbeusedforinfraredinformationtechnology..Thisdesignmainlybysinglechipcomputer89lpc935asthedesignbasis,todevelopaconvenientandeasyoperationoftheinformationwrittencodemeasures,inordertothecompletedtheeffectivemethodofasimpleinfrareddatacommunicationsystem.Thedesignandprincipleoftherelatedmodulesofthecircuitsarecomparedandcompared..Themaximumdegreeoferrorrateisreduced,sothattheinformationcanbeimprovedinthetransmissionprocess..Thedesignofthissystemmainlybasedonthecontrolofsingle-chipwrite,scanandinputtheranksofthekeyboardvalue,therelateddigitaltubedynamicdisplay,infrareddatacommunicationclearshow.
Thispapermainlyfromthecompositionandtheworkingprincipleoftheinfrareddatacommunicationanditscodinganddecodingofworkon,thethemeisdividedintotwomodulestodiscuss,bothforthereceptionandsendingoftwoparts,andfinallyaccordingtotherelatedinformationandstandardtocompletethefinaldesignofthehardwarepartofthe.
Keywords:
MCU;LEDdisplay;Infraredcommunication
第1章绪论
1.1背景
使用红外技术具有以下的优势:
能够适应各种条件下的环境状态,与可见光的工作条件相比,其工作的环境无论是在黑夜还是天气极为恶劣的情况下,都有较好的工作状态;隐藏保密性较高,工作时很难被打扰;由于温度及相关的发射率所共同影响,致使其目标的相关识别能力要强于可见光的功能;红外系统自身所具有的三大功能优势为,小体积、轻质量以及较低的能量损耗;目标与探测口之间的距离长度大小和所处于的环境状况;研究系统的工作性能的高低;目标所具有的光谱特性。
伴随着逐渐转变为简单化、微型化的各类设施设备的发展,其能与外设所连接用来进行通讯工作的接口也在不断减少,作为使用较为普遍变得通用接口,红外线接口自始至终都被人们所使用,并且其市场需求仍逐年的不断增加,越来越受商家所追捧,总体看来,红外通信所具有的发展空间以及未来的前景十分可观。
版随着不断加快的生活节奏及方式,人们对智能化的个人信息终端更加的喜爱,因为红外线传输源具有先进的技术水准和较低的相关部件的价格成本,在市场的相关需求中,红外线传输系统以及宽带红外无线接入技术已成为注视的焦点,其所运用的范围遍及与世界各地。
此外,对于在工作环境极为恶劣的地区可利用无线设备所进行相关的数据信息的获取,一定意义上,这样的做法安全性较高,且在工作状态十分不理想的电磁波环境下,因其具有超高的抗干扰能力所以总是被第一个选用。
因此,红外线在实际工作过程中所具有的价值无法估算。
作为红外通讯的载体,红外线的工作流程如下:
借助于红外光在大气中进行相关数据信息的传送,其整个工作过程由红外发射器和接收器共同配合实现。
在发出端,所要传送的数字信号经调制编码这一环节的处理后,被传递到电光变换电路这一环节,通过发射管将其转化为红外光脉冲后再一次的向大气中传送;接收端在这一时刻应进行的相关工作为所,进行脉冲信号的光电相关的工作处理,通过解密后将其恢复为初始信号源。
作为一类数据信息传送的方法,红外通讯技术的使用范围遍及许多领域,如家电产业、娱乐设施以及各种计量的控制等均可以借助于红外技术。
红外通讯的实现方式众多,本文所要研究的是成本较低、安全性能极佳的一种基于单片机lpc935的红外通讯系统的设计。
1.2研究的基本内容与拟解决的主要问题
红外通信是指充分的对红外技术进行有效利用,保证其两点之间的短时保密通讯以带动的相关数据信息顺利完成其工作。
红外发射与接收系统为其主要构成部件。
将红外辐射源进行相应的调整后,发射系统会进行有关信号的发射工作,此时的接收系统,通过使用光学装置及相关的红外探测设备对其所发出的的信号予以接受,这就实现了红外通信系统的总体工作流程。
红外线的应用领域十分广阔,因其所具有的易于操作、抗干扰力较强、安全性能价高、灵活性较好等优势,使其在各个领域都被普及运用。
红外通信的通信介质所使用的是950nm的红外线。
数字信号经其发送端的处理,将原有的二进制型转化为脉冲信号,并利用红外发射管对其进行传输;接收端进行信号间的有效转换,经一系列处理环节处理后利用解调电路再次为其进行处理工作,最终还原为初始的二进制信号并传送出去。
有以下几类问题需解决:
如何合理的设计出接口的数字系统线路,主要有对MCU的选取、红外元器件的选用以及定义其线路的功能,此外还有包括对红外遥控信号的获取手段;红外信号的识别判定方法;设计出MCU的监控程序;制定合理标准的通信协议以及调试和运行所研发出的相关程序。
1.3本章小结
将具有红外同步通讯功能的且基于philips89lpc935a1微控制器为数据传输模块的设计得以实现。
主要研究内容有:
应用系统线路的基础设计以及相关的模块开发和驱动程序的设计等。
其主要的目的是能够将数据的有效缓冲、无线的唤醒功能以及相关的通信功能等更好的实现。
第2章终端节点电路的方案设计
2.1无线数据传输模块
对于数据无线传送的实施方案常用的有四类:
(1)激光技术。
(2)蓝牙技术。
(3)高频无线电技术。
(4)红外线技术。
激光技术所特有的优势为有较远的传送距离,较快的传送速度以及较强的抗干扰力等,美中不足,因为激光具有较强的方向性,影响了它在各领域的全面推广使用。
目前,对于激光技术来讲,应用最多的地方就是在军事领域,其相关内容的研究与本设计的原意不太相符。
对于蓝牙技术在系统中的运用,尽管拥有方便快捷的传送优势、性能安全能得到一定的保障,但其在研究与实际应用过程中所需掌握的技术十分困难,短期内不易学会掌握,所以通常不予考虑。
对比可知,在相关的无线电信息传送系统中使用高频技术,其优势在于传输自由、有较远的输出距离且有极强的可扩充性,但同时也存在着一些劣势,抗干扰力较弱,易受外界变化及干扰所影响。
所以想要信息的传送更可靠、更安全,对系统的抗干扰技术水准必须严格,但是对于真正实施起来不太容易。
当信息传送时所处的环境极其恶劣时,要想保障信息的完整性、传送的安全性,需对高频无线通信技术加以改进。
要想对其进行实现需对相关的频点加以申请,但同时,其所产生的干扰会影响到空间中有序状态。
所以针对于此类状况,红外通信是最适合的办法。
当前,随着科技的不断进步,使得红外线传输协议被逐渐的加以改善,在红外传输系统的运行过程中,其有关的可靠性、误码率等性能数据都被大大的提高。
并且红外数据传输因其自身所具备的结构简单、操作方便易学以及较低的购置成本等优势,被许许多多的小型移动设备商家所认可。
故此,针对于上述研究,本系统将使用红外线数据传输。
2.2课题设计的目的及目标
本课题设计的研究目的旨在于保障红外无线数据的传输过程能够安全实现、准确无误。
其研究所涉及的步骤为数据的输入与输出,进行调制控制相关信号的发送以及红外传输等。
若想该设计能够成功实现,需保证:
对于数据输入进行仔细的辨别、解除相关干扰所带来的影响;当数据进行红外传送的过程时,若想在所传送区域内安全的接到信号源,必须解决其外界因素对信号所造成的干扰问题;数据被显示出现时,所获得的数据能够被精准的展示出来;相关的数据校对能力要在本设计中得以实现。
2.2.1设计目标
(1)自主研制出对于红外数据传送时所需要的发射机及接收机,要求能够使信号进行无线传送工作,可任意选用其相关的调制手段;
(2)无线传送所运行的距离应符合其要求标准;
(3)最大程度上提高其单片机系统的性能,使其满足于统一标准,并加强自动化性能;
(4)在进行信号传输完成后,其所对应的数据将会被显示出来,这一状态说明了运行成功,结果无误。
2.2.2课题设计
主要内容与基本要求:
因为红外控制具有安全性能高、操作简单、控制容易等优势,所以根据上述优点能够设计出一款基于51单片机系统的红外遥控器,能够处理辨别以及对外编码信号的接收,整个课题的构成要素为philips89lpc935a1微控制器、小键盘一个、数码管两个、I2C的器件和一套红外收发装置。
小键盘的作用是进行相关的控制输送工作,在通过89lpc935所检查后,编码完成后由红外直接送出;对其进行的接受过程正好相反。
了解8051微控制器的研发手段,了解Philips89lpc935a1微控制器的组成原理以及实际的运行方法;了解试验运行中所需要的相关电子器件的组成结构机器工作原理,对上述所需掌握的要求要做好相关的需求和系统分析、系统设计以及对红外通信功能的合理定义,将初期的模块线路设计出来,对其相关的PCB进行设计,对系统中所存在的不足提出一系列的解决措施方案。
2.2.3设计思路
设计的主体思路为:
当数据进行传送时,经由CPU的转化后,数据被转化为申行数据类型的格式.将得到的新型数据进行相应的调制处理,再利用相关的红外发光二极管装置将其变换为红外光进而向接收装置中输送,经其接收装置中的红外光接收管处理之后,能够生成电信号,将所得到的电信号利用调节电路进行处理后将原有的数据转化出来,从而结束一个完整的运行过程。
常用的红外调制方式有两类:
脉冲宽度调制以及脉冲位置调制。
现有的最常使用的调制方式一般是PPM方式,而目前市场上的众多厂家将二者合二为一运用到一个装置中,更加方便了其接受过程。
本文着手于PPM的实现方式,对此下面将会进行详细的阐述其运作原理。
串行通信的方式主要由两种,一种是同步通信,另一种是异步通信。
同步通信的特点是数据的发送与接受过程由软件进行相应的字符同步识别加以实现,而异步通信的方式指的是利用字符的再同步技术作为其运行基准。
本设计所使用的是异步通信方式。
在进行数据的传输时,其被传输的数据具有任意的时间间隔。
故此,接收端的相关工作必须时刻准备着。
发送端的数据能够随时随地的被传送出去,所以,在所有数据的起始两端都应该进行标志,确保其接收端所接收到的信息数据具有完整性。
异步通信最大的优点就是价格成本低、操作简单。
但也存在着效率不高的劣势。
异步通信的传送单位能够用帧来表示。
将一些具有特殊性质的比特组合置于帧的头部,便于接收端可以寻到一帧的起始。
其过程叫做帧定界。
帧定界中含有帧的确切结束位置。
值得注意的是,在进行异步发送帧时,对于帧的发送过程及方式不是一成不变的,相反可以说,发送端所发出的帧能够在任何时间内完成,任意两个帧之间所存在的间隔具有随意性。
并且能够连续不间断的发送一帧中的全部比特。
并且,发送端不用进行预先的比特同步工作。
帧格式说明如下:
Time
Start
Bit
Bit
Bit
…
Bit
Stop
Time:
任意的时间段;
Start:
起始位;
Bit:
数据位;
Stop:
结束位。
图2-1PPM调制波形图
如图2-1所示。
红外通信的工作原理是将二进制信号经由发送端的相关处理转化为载波信号的一系列流程,并由红外发射管所产生的红外信号。
其最常使用的相关处理方法有两类,PWM法及PPM法。
PPM作为IrDA与IEEE共同认可和推广的调制方式,利用脉冲调制法作为其设计理论。
载波的相关数据取值为:
以f=38KHz作为频率,以T=26.32us作为运转周期。
对于面向指令型的帧结构一般利用红外遥控技术来实现,一个完整的数据帧结构包括了同步码、地址码以及指令码,一般情况下,指令码所具有的长度大致为8~16个比特值,在进行多字节的遥控协议传送时,其工作效率不是很高,指令码的长度被增加后,干扰了接收器的同步运行,对此,本设计所使用的帧结构为面向字节型。
如图2-8所示。
图2-2数据帧结构示意图
因为红外光具有反射的特点,当采取全双工的方式进行传输时,其自身极有可能将所发出的的信号收回,所以,为杜绝这一现象的发生,选用异步半双工的方式作为其红外通信手段,使其所进行的传输工作能够连续交替的实现。
2.3开发工具
2.3.1protel99se
作为Protel公司多年来在Windows平台研发领域中所研制出的核心产物,EDAProtel99SE能将电学概念中的设计到输出物理所产生的数据,以及在这期间的相关数据的分析、验证与设计数据管理等得以实现。
所以今天的Protel新型产物不仅仅是作为PCB的设计工具,同时也是一个系统工具,代表了整个PCB中的最精华部分。
整个Protel99SE包含了5个部分,分别为原理图的设计、PCB的设计、自动布线器的制作、原理图混合信号仿真以及PLD的设计。
2.3.2keil分析
由KeilSoftware公司所研发实施的uVision3。
可以适用于不同类型的开发环境状态下的软件,并且该软件也是构成PK51及相关软件的重要组成元素。
在原有的基础上,添加了源代码、功能导航仪、模板编辑以及改进的搜索功能,并且除此之外,还增添了导向功能,对其代码的启动以及文件的置配大大的促进提高。
另外内部的仿真器可对目标进行有效的模拟实验,其中包括有:
指令集、片上外设以及外界信息等。
uVision3所提供的逻辑分析器,能够用于对基于MCUI/O引脚和外设状态下的程序变量的相关监控。
同时,它还对各类新型微处理器的有效运行提供了技术保障。
可以对PA51中文单片机的汇编进行支持,并对中文编程、动态子程序库调用以及自动汉字字模生成等提供支持,帮助其更好的实现。
2.4主要芯片介绍
2.4.1Philips89lpc935
作为单片封装类型的一种微控制器,P89LPC935所采用的是成本较低的封装形式。
其处理结构性能较高,通常仅用3个时钟左右的周期就可实现。
并采用6倍于标准80C51的器件。
P89LPC933/934/935/936将各类系统级的作用集于一体,
2.4.2主要特性
具有字节可擦除的Flash程序存储器,并能够组成相应的1kB/2kB扇区及64字节的页。
其工作特性适用于非易失性数据存储器的使用。
具有256字节的RAM数据存储器。
具有能够进行存放器件序列码及设置参数的512位字节片的EEPROM存储区。
具有2个8位A/D转换器/DAC,2个模拟比较器以及可选择输入和参考源。
具有2个16位定时/计数器以及1个23位的系统定时器。
具有一个增强型UART。
能够对高精度RC振荡器进行选择,而不需要对外接振荡器件选用。
对于VDD的电压有效范围为2.4~3.6V。
I/O口的承受力为5V电压。
具有28脚TSSOP,PLCC及HVQFN封装。
2.4.3附加特性
以18MHz为其运行频率时,除了乘法与除法口令要求外,对于高速80C51CPU来说,其指令所运行的周期为111~222ns。
相同时刻下,其运行速率是标准80C51器件的6倍。
仅利用频率值较低的时钟就能拥有相似的性能,很明显的减少了功耗及相关的EMI。
使用公用EPROM编程器可对Flash实行简单的操作。
Flash的保密位能够对程序的读取进行相关的保护。
器件在最终运行中进行固定时,能够使用可串行Flash在系统编程方法进行编程。
Flash程序存储器能够在应用中将编程(IAP)得以实现。
可以将代码在此程序运行中加以改变。
低电压复位能够在电源产生事故时命令其关闭系统以确保安全。
可以为此功能提供一个中断,对其予以实现。
对其可配置的片内振荡器的频率范围进行研究。
其振荡器选项所支持实现的频率在最大的工作范围内为20KHz~18MHz。
此时的振荡器的检测工作就会失效。
可编程I/O接口的传出模式:
准双向口,开漏输出,推挽以及相关的输入功能。
端口检测。
当P0口管脚的值与其他模式不能相符合时,容易出现一个中断。
并且全部的口线都拥有LED的驱动功能。
但对于芯片的整个核心会有一个最大值对其所限制。
可控制口线输出的转换速率能够减少EMI,将传送的最小跳变时间控制在10ns之内,当进行相关的片内复位工作时,P89LPC933/934/935/936仅仅进行电源和地的连接即可,4个中断优先级,8个键盘中断输入,另加2路外部中断输入,施密特触发端口输入,双数据指针,仿真支持。
图2-4P89LPC35管脚配置
P89LPC936j具有4个I/O接口,分别用P0、P1、P2以及P3进行表示。
P0、P1和P2的位数为8位I/O接口,而P3具有2位I/O接口。
除了3个接口之外,P89LPC936全部的的I/O接口都可以由软件调制生成4类输出型之一。
四种输出类型为:
基于准双向口模式、推挽、开漏输出以及仅为输入功能。
其中任意一个口装配有2个控制寄存器以供其选用任意管脚的输出类型。
每个P89LPC936输出口均能提供灌电流驱动LED。
但是其所产出的各项电流总合不能大于其标准的额定电流值。
2.5本章小结
本章所讲在于保障红外无线数据的传输过程能够安全实现、准确无误。
其研究所涉及的步骤为数据的输入与输出,进行调制控制相关信号的发送以及红外传输等。
第3章系统硬件电路设计
3.1MCU外围电路
本系统所设计的发送机硬件主要由两大模块所构成,主控及受控模块。
其中主控制模块中含有lpc935,而受控模块是由键盘、LED显示器以及红外线发送接收装置所组成。
lpc935能够作为从机的主控模块,并同时借助于LED显示器及相关的红外线装置组成其受控模块。
其中,在本系统的主接收机设计过程中,主要依靠6MHz的晶振为其主控模块lpc935提供了有效的工作时钟保障。
数据是由发送机经键盘敲打传送后所输出的,并通过单片机对其进行相关的处理工作,从而分析其所传输的各类数据情况。
信号源再被接收机所收到后,分析并处理相应的信号,参照其共有的标准协议,进行信息的反馈工作,观察其显示状况。
其具体的流程图如图3-1所示。
图3-1整体系统方框图
LPC935单片机的设计理念为打造出可以集多种系统模块为一身并且能提高其速效性、降低其功能损耗值的一种单片机处理器。
在所设计系统的实际操作过程中,能有效控制其元件数量及PCB的相对接触面积,同时还能保障其系统有效运行的安全稳定性能。
采取两个16位的定时/计数器,其中每一个都能被设定为溢出时碰发相应接口传送以及作为PWM所传送的捕捉/对比单元CCU所供给PWM接入捕捉及传送的对比功能。
根据以上各类所述的功能模块作用,在利用少许外设配件的帮助便能发挥出最大程度的作用。
以下均以其P89LPC935为例,进而对其相关的模块及通讯功能加以研究。
3.2红外发射接受部分
红外发射接受部分主要依靠于P89LPC935的片内CCU模块而支撑,UART会将所生成的38KHz的载波频率进行调制处理,然后用二极管进行传送,并用相关的红外接收模块予以接收。
接受值的国定频率控制在38KHz内,运行红外线所特有的调节能力对其处理,最终将处理后所得到的数据传送到UART的RXD引脚中,并且将其波特率的频率值设定为2400bps。
对于较高标准要求的波特率编码信号而言,38KHz的载波频率不适用于电路调制过程中的抗干扰状况,应继续使用38K的载波才能确保其传输过程中的抗干扰力得到加强。
图3-2红外发射模块
把所接收到的红外光信号经处理后转变为串行代码信号。
利用专门的集成芯片作为其电路的构成元件。
图3-3红外接受模块
3.3键盘模块和显示模块
按键的组合集体构成了键盘的存在,是在微机系统中是必不可少的外设装置。
作为进行人机交流的桥梁,可利用键盘进行一系列的有关计算机及程序方面的操作。
其所具有的作用意义重大。
根据译码的方式不同,键盘可分为编码式及非编码式;而按照连接方法的区别,又可以分为独立式和
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