熊　慧，閆多超，韓　帥

（天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，天津 300387）

基于KM 3x的低功耗紅外通信設計

熊慧，閆多超，韓帥

（天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，天津 300387）

針對目前紅外無線通信距離短、功耗高、模塊設計復雜等問題，提出了一種低功耗紅外通信設計.采用XBAR模塊、PWM調(diào)制技術及低功耗編程的軟件設計，有效精簡了電路，降低了功耗和成本，提高了可靠性，可更有效地構建紅外無線通信網(wǎng)絡.實驗結果表明：系統(tǒng)在休眠時功耗為0.5 mW，正常工作時也僅為發(fā)射管工作功率的1/3左右；模塊在自然光等環(huán)境中零誤碼率通信距離達到25 m，能滿足便攜式設備、醫(yī)療電子、水下通信、工業(yè)設備網(wǎng)絡等諸多領域的應用需求.

KM3x；紅外通信網(wǎng)絡；XBAR；低功耗

隨著現(xiàn)代電子設備的高速發(fā)展及智能化，電子系統(tǒng)從簡單的單機、分立式、獨立系統(tǒng)發(fā)展到復雜的設備交互、聯(lián)合式、協(xié)作系統(tǒng)，對設備間的數(shù)據(jù)交互和通信要求也越來越高[1-2].在增強電子設備在日常生活和工業(yè)現(xiàn)場使用的便捷性、穩(wěn)定性和智能化的過程中，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交互和有線通信網(wǎng)絡越來越制約其發(fā)展[2].在一些強電磁干擾、能耗要求高的環(huán)境中，對通信方式的要求也就比較苛刻.相比有線通信及無線電等無線通信，紅外通信更適合這些應用環(huán)境[3]，在無線電通信泛濫使用的情況下更好地解決了電磁干擾的問題[1]，并且具有防竊聽、低信號處理復雜度等優(yōu)點[4]，其應用領域從家用電子迅速擴展到醫(yī)療電子、水下通信[5]、空間通信[6]及其它工業(yè)設備.目前的紅外通信依然存在模塊復雜、成本高、功耗高等問題，在許多領域仍難以應用[3].設備在等待數(shù)據(jù)通信時，雖然紅外發(fā)射管停止工作，但其他外部電路也會有較大的功耗，加大了設備的運行負擔.

本文設計了一種低功耗紅外通信模塊，以集成化的設計模式有效解決了紅外通信應用中模塊復雜、成本高、通信距離短等問題.設計中外部電路僅包含紅外發(fā)射管和接收管電路，使模塊體積更小、擴展性更靈活，在應用中能適應更廣泛的環(huán)境，降低了組建通信網(wǎng)絡的難度.通過使用多種運行模式，在保證通信距離足夠遠的前提下，使工作時功耗降低了2/3，并且使待機功耗接近于零，消除了在沒有數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)射接收電路依然工作的缺點.

1　紅外通信電路設計

1.1紅外通信設計思路

常用的紅外通信是利用950 nm波長的近紅外波段的紅外線作為信息載體，將二進制信號調(diào)制為某一頻率的脈沖序列，以驅(qū)動紅外通信發(fā)射元件產(chǎn)生紅外信號[7-8]，調(diào)制信號的頻率以38 kHz最為普遍[8].紅外接收端接收到紅外信號后，將其轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過放大、濾波等處理后經(jīng)解調(diào)電路進行解調(diào)，最后還原成二進制信號輸出以進行后續(xù)處理.關于紅外通信的基本原理可參考文獻[3]和文獻[7].

本設計的總體方案為:MCU采用飛思卡爾半導體的Kinetis KM3x系列ARM Cortex-M0+，內(nèi)核為32位的低功耗微控制器，其內(nèi)部集成有紅外調(diào)制和解調(diào)模塊[9]，載波調(diào)制信號可由引腳外接信號、四定時器模塊（Quad Timer，TMR）、周期定時器模塊（periodic interrupt timer，PIT）等多種方式產(chǎn)生，選擇載波調(diào)制信號的信號源和所發(fā)送信號的數(shù)據(jù)源通過內(nèi)部集成的外設間交叉開關模塊（XBAR）完成.本設計將TMR產(chǎn)生的38 kHz載波信號和所要發(fā)送的通用異步收發(fā)器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）信號在內(nèi)部進行調(diào)制后，驅(qū)動紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號.在接收管接收到數(shù)據(jù)后，可解調(diào)讀取，也可直接讀取原始數(shù)據(jù)后通過KM3x解調(diào).通信系統(tǒng)設計框圖如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)設計框圖Fig.1　System block diagram

本設計基本電路和模塊都是集成在MCU中，這樣不僅使外部硬件電路變得非常精簡，而且功耗也非常低.除此之外，應用集成的模塊使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性也得到了很大的提高，在系統(tǒng)擴展時靈活性更高.同時KM3x的能量管理模塊對MCU的運行模式進行配置，在空閑時設置為休眠模式.總體的設計比其它的紅外通信設計節(jié)省了外部電路功耗和工作功耗.

1.2發(fā)送和接收電路

由于所有的模塊都使用內(nèi)部集成模塊，本設計只需使用兩個外部引腳:紅外信號輸出和輸入.其外圍電路也非常簡單，僅需要紅外信號發(fā)射管和接收管電路，其中接收管可以使用分立的，并且不需要放大電路[10]，也可以使用集成接收管.電路圖如圖2所示.

圖2　KM 3x紅外通信電路Fig.2　Circuit of KM 3x infrared communication

紅外通信是兩個或多個近距離獨立設備間的無線通信[11]，在通信過程中具有很高的獨立性，同環(huán)境間不會存在過多的干擾，保證設備間的交互和隔離.

所使用的紅外通信模塊以其精簡的外部電路設計能很好地進行通信擴展，只需增添僅包含紅外發(fā)射接收管的小巧通信模塊，就能快捷地擴展成高效的通信網(wǎng)絡，滿足基本紅外通信的要求和工業(yè)設備的網(wǎng)絡通信，并有效地解決了在便攜式設備應用中模塊體積和功耗的問題.

2　紅外通信系統(tǒng)功能實現(xiàn)

為了提高通信數(shù)據(jù)的可靠性和抗干擾性，通常按照紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（infrared data association，IrDA）協(xié)議對傳輸數(shù)據(jù)進行編碼和調(diào)制[12].接收裝置對調(diào)制后的紅外信號比較敏感，能有效地濾除環(huán)境干擾信號[13].調(diào)制后紅外通信的應用領域更為廣泛，通信的可靠性也得到保障.

2.1XBAR模塊

XBAR即外設間交叉開關，是KM3x系列內(nèi)部集成的特色模塊，它主要用于外設間和內(nèi)部模塊間的數(shù)據(jù)線路匹配.XBAR的33對輸入輸出通道連接到不同的內(nèi)部模塊或外部引腳.通過配置相應寄存器為選用的輸出通道連接理想的輸入通道以選取信號源或時鐘源，每個輸出通道與輸入通道間只可有一個連接.通過XBAR的應用，使一些內(nèi)部集成模塊和外部設備間不再局限于固有的設計，可以通過不同的數(shù)據(jù)匹配使設計方案變得靈活多變.XBAR可以為多種模塊提供數(shù)據(jù)匹配，也是應用內(nèi)部紅外數(shù)據(jù)通信必不可少的模塊.本設計通過XBAR模塊完成紅外發(fā)射和接收信號的調(diào)制解調(diào)的連接、調(diào)制信號發(fā)生源的選擇和輸入輸出的端口匹配，在設計中對XBAR的調(diào)節(jié)設計直接影響著總體性能.

2.2KM3x紅外信號調(diào)制和解調(diào)

紅外通信的載波信號承載著發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，在基于KM3x的設計中，可以通過多種方式產(chǎn)生載波信號，包括通過內(nèi)部模塊產(chǎn)生和引腳外部輸入，通過XBAR為紅外通信選擇數(shù)據(jù)并配置通信端口.為了精簡設計結構，本文采用內(nèi)部TMR模塊產(chǎn)生38 kHz占空比可調(diào)的載波信號，圖3為本文所設計的紅外信號調(diào)制與解調(diào)原理框圖.數(shù)據(jù)通過UART主動進行發(fā)送，通過XBAR模塊使通信數(shù)據(jù)和載波信號匹配到內(nèi)部調(diào)制器進行數(shù)據(jù)發(fā)送.接收紅外通信數(shù)據(jù)時，解調(diào)器將解調(diào)后的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)寄存器中，需要時直接進行數(shù)據(jù)讀取，不再需要其他的數(shù)據(jù)操作.

圖3　紅外信號調(diào)制和解調(diào)原理框圖Fig.3　Principle diagram of infrared signal modulation and demodulation

本設計采用脈沖寬度調(diào)制（pulse width mo-dulation，PWM）方式，它是在設定頻率下以特定或不同的占空比對信號進行調(diào)制.在紅外通信中，選用比較常用的38 kHzPWM調(diào)制信號，占空比1/2，占空比在實驗過程中隨著實驗需要做相應的改變.PWM調(diào)制將載波信號和紅外通信二進制數(shù)據(jù)進行“與”或“或”運算形成最終的通信信號.對紅外通信數(shù)據(jù)進行調(diào)制后，以載波信號的頻率周期性驅(qū)動紅外發(fā)射管，降低了紅外發(fā)射管的總體工作時間和功率，并提高通信的可靠性.“與”和“或”調(diào)制方式的調(diào)制時序圖如圖4所示，其分別對信號“1”和“0”進行調(diào)制，適用于不同的發(fā)送電路.

圖4　紅外調(diào)制信號時序圖Fig.4　Sequence diagram of infrared modulation signal

KM3x內(nèi)部集成的紅外通信調(diào)制模塊的調(diào)制方式采用PWM方式，可選擇“與”或“或”調(diào)制方式，在應用中具有更方便的適用性.并且在選擇“與”調(diào)制時可選擇配置是否反轉(zhuǎn)接收數(shù)據(jù)，避免了更改外圍電路，節(jié)省設計成本和周期.

2.3通信實現(xiàn)

在紅外通信的實現(xiàn)過程中，需對TMR、UART、XBAR以及所用到的引腳進行配置.對TMR的配置與通常的使用方式相似，將定時周期根據(jù)主頻設置到38 kHz，不對TMR進行中斷配置.

根據(jù)一個調(diào)制數(shù)據(jù)位的載波脈沖數(shù)量不少于6個，在對UART進行配置時，選用傳輸波特率通常不高于2 400 bps，以滿足數(shù)據(jù)傳輸要求.KM3x有4個UART模塊，可以配置其中任意一個且只能配置一個用于紅外通信模式.

紅外調(diào)制模塊決定紅外調(diào)制后的信號，通過對紅外調(diào)制模塊的配置選用“與”或“或”調(diào)制方式并選擇通信支持的UART模塊，其紅外發(fā)送信號的調(diào)制示意圖如圖5所示.模式選擇只需要對混合控制寄存器（SIM_MISC_CTL）的相關位進行配置即可，所需要配置的寄存器位和配置說明如表1所示.

圖5　紅外發(fā)送信號調(diào)制示意圖Fig.5　Schematic diagram of infrared signal modulation

表1　紅外調(diào)制相關寄存器配置Tab.1　Register configuration about infrared modulation

紅外調(diào)制和解調(diào)所涉及的數(shù)據(jù)全部由XBAR模塊進行分配，通過XBAR模塊，可對多種信號通過不同的載波信號進行調(diào)制.XBAR為紅外通信系統(tǒng)配置和選擇數(shù)據(jù)通路，即選擇發(fā)送數(shù)據(jù)信號和調(diào)試信號的類型和傳輸方向.在初始化配置之后，在整個紅外通信中，數(shù)據(jù)就會按照設定的模式進行傳輸和處理.

在本設計中，XBAR模塊用到3對輸入和輸出配置，如表2所示.

表2　相關XBAR信號端口說明Tab.2　Explanation of XBAR signal port

3　實驗測試

在多種測試場地進行紅外通信實驗，室外環(huán)境下，在接收角度30°內(nèi)通過傳輸10 000個單字節(jié)數(shù)據(jù)（重復發(fā)送1～100）進行實驗測試，記錄在不同通信距離情況下的傳輸誤碼率.通過選取不同的角度進行10次測量后，對測試結果求平均，其相應誤碼率如表3所示.

表3　不同距離下相應傳輸誤碼率Tab.3　Transmission bit error rate of different distance

由表3可以看出，本文設計的通信模塊在保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和可靠性的同時，在接收角度小于30°時零誤碼率下的通信距離可達到25 m.選用波特率為2 400 bps時，在不同的通信條件下通信效果良好.

由于精簡的外部電路結構，所設計通信模塊的功耗主要為紅外發(fā)射管功耗，選用不同的紅外器件功耗會有所不同.在系統(tǒng)運行時通過合理的編程設計以轉(zhuǎn)換運行模式也在很大程度上降低了功耗.模塊在等待通信時，將工作模式配置為低功耗等待（very-lowpower wait，VLPW）模式，紅外發(fā)送管停止工作，此時整體功耗僅為0.5 mW.進行通信時，接收管接收到數(shù)據(jù)后喚醒單片機使其在低功耗運行（very-low-power run，VLPR）模式工作，此時單片機功耗為1 mW，整體功耗為選用紅外發(fā)射管正常功耗的1/3左右.

本文所設計模塊避免了在等待通信時多余的電路功耗，可有效解決微小控制設備、工業(yè)設備網(wǎng)絡的通信模塊的安裝和功耗帶來的問題.

4　結束語

為了降低紅外通信時的功耗及在等待通信時系統(tǒng)多余的電路功耗，設計了基于KM3x的低功耗紅外通信模塊.以低成本、低功耗、結構簡潔的特性，使其能很廣泛地應用于智能電表、智能水表等智能儀表的數(shù)據(jù)抄錄以及智能家居的遙控上.同時，本設計在工業(yè)儀器的短程通信和隔離等方面的應用也有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，更容易構建無線通信網(wǎng)絡.隨著紅外器件的發(fā)展和技術的不斷完善，紅外通信的速率會不斷提高，以滿足更多領域的應用需求.

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Design of low-power infrared communication based on KM 3x

XIONG Hui，YAN Duo-chao，HAN Shuai
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

A low power infrared communication system is presented to solve the problems of short distance，high power consumption and complicated model design in the infrared communication.XBAR model，PWM modulation technique and low power programming design are adopted to compact the circuit，reduce the power consumption and improve the reliability.Besides the infrared communication network is more easily structured due to the compact structure.The experimental results show that the power consumption in sleep mode is 0.5 mW and only 1/3 of transmitter′s in run mode.And the communication distance can reach 25 m with zero error rate in natural state，which meets the requirement of many fields such as portable devices，medical equipment，underwater communication，and industry equipment network.

KM3x；infrared communication network；XBAR；low power

TP23

A

1671－024X（2015）04－0068－04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.04.014

2015-05-04

天津市自然科學基金資助項目（11JCYBJC07000）

熊慧（1978—），女，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為醫(yī)療電子和嵌入式系統(tǒng)．E-mail:xionghui@tjpu.edu.cn