Принцип работы ИК пульта управления
Большая часть современной бытовой электронной аппаратуры имеет пульт дистанционного управления, использующий инфракрасное (ИК) излучение в качестве способа передачи информации. ИК канал передачи данных используется в некоторых устройствах системы «умный дом», которую мы производим.
Принцип ИК передачи информации
Инфракрасное, или тепловое излучение — это электромагнитное излучение, которое испускает любое нагретое до определенной температуры тело. ИК диапазон лежит в ближайшей к видимому свету области спектра, в его длинноволновой части и занимает область приблизительно от 750 нм до 1000 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, около половины излучения Солнца. Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении отличаются от их свойств в видимом свете. Например, некоторые стекла непрозрачны для инфракрасных лучей, а парафин, в отличие от видимого света, прозрачен для ИК излучения и используется для изготовления ИК линз. Для его регистрации используют тепловые и фотоэлектрические приемники и специальные фотоматериалы. Источником ИК лучей, кроме нагретых тел, наиболее часто используются твердотельные излучатели — инфракрасные светодиоды, ИК лазеры, для регистрации применяются фотодиоды, форотезисторы или болометры. Некоторые особенности инфракрасного излучения делают его удобным для применения в устройствах передачи данных:
- ИК твердотельные излучатели (ИК светодиоды) компактны, практически безинерционны, экономичны и недороги.
- ИК приемники малогабаритны и также недороги
- ИК лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости
- Несмотря на распространенность ИК лучей и высокий уровень «фона», источников импульсных помех в ИК области мало
- ИК излучение низкой мощности не сказывается на здоровье человека
- ИК лучи хорошо отражаются от большинства материалов (стен, мебели)
- ИК излучение не проникает сквозь стены и не мешает работе других аналогичных устройств
Все это позволяет с успехом использовать ИК способ передачи информации во многих устройствах. ИК передатчики и приемники находят применение в бытовой и промышленной электронике, компьютерной технике, охранных системах, системах передачи данных на большие расстояния по оптоволокну. Рассмотрим более подробно работу систем (пультов) управления бытовой электроники.
Пульт ИК управления при нажатии кнопки излучает кодированную посылку, а приемник, установленный в управляемом устройстве, принимает её и выполняет требуемые действия. Для того, чтобы передать логическую последовательность, пульт формирует импульсный пакет ИК лучей, информация в котором модулируется или кодируется длительностью или фазой составляющих пакет импульсов. В первых устройствах управления использовались последовательности коротких импульсов, каждый из которых представлял собою часть полезной информации. Однако в дальнейшем, стали использовать метод модулирования постоянной частоты логической последовательностью, в результате чего в пространство излучаются не одиночные импульсы, а пакеты импульсов определенной частоты. Данные уже передаются закодированными длительностью и положением этих частотных пакетов. ИК приемник принимает такую последовательность и выполняет демодулирование с получением огибающей. Такой метод передачи и приема отличается высокой помехозащищенностью, поскольку приемник, настроенный на частоту передатчика, уже не реагирует на помехи с другой частотой. Сегодня для приема ИК сигнала обычно применяется специальная микросхема, объединяющая фотоприемник, усилитель с полосовым фильтром, настроенным на определенную несущую частоту, усилитель с АРУ и детектор для получения огибающей сигнала. Кроме электрического фильтра, такая микросхема имеет в своем составе оптический фильтр, настроенный на частоту принимаемого ИК излучения, что позволяет в максимальной степени использовать преимущество светодиодного излучателя, спектр излучения которого имеет небольшую ширину. В результате таких технических решений, стало возможным принимать маломощный полезный сигнал на фоне ИК излучения других источников, бытовых приборов, радиаторов отопления и т.д. Работа современных устройств ИК управления достаточно надежна, а дальность составляет от нескольких метров до 40 и более метров, в зависимости от варианта реализации и уровня помех.
Передатчик ИК сигнала
Передатчик ИК сигнала, ИК пульт, чаще всего имеет питание от батарейки или аккумулятора. Следовательно его потребление должно быть максимально низким. С другой стороны, излучаемый сигнал должен быть значительной мощности для обеспечения большой дальности передачи. Такие противоположные по энергетическим затратам задачи успешно решаются способом передачи коротких импульсных кодированных пакетов. В промежутках между передачами пульт практически не потребляет энергии. Задача контроллера пульта — опрос кнопок клавиатуры, кодирование информации, модулирование опорной частоты и выдача сигнала на излучатель. Для изготовления пультов выпускаются различные специализированные микросхемы, однако для этих целей могут быть использованы и современные микроконтроллеры общего применения типа AVR или PIC. Основное требование к таким микроконтроллерам — это наличие режима сна с чрезвычайно низким потреблением и способность чувствовать нажатия кнопок в этом состоянии.
Излучатель ИК сигнала испускает инфракрасные лучи под действием тока возбуждения. Ток на излучатель обычно превышает возможности микроконтроллера, поэтому для формирования необходимого тока устанавливается простейший светодиодный драйвер на одном транзисторе. Для снижения потерь, при выборе транзистора необходимо обратить внимание на его коэффициент усиления тока — β или h21. Чем выше этот коэффициент, тем выше эффективность устройства. Современные передатчики используют полевые или CMOS транзистоы, эффективность которых на используемых частотах можно считать предельной.
Приведенная схема не лишена недостатков, в частности при снижении уровня заряда батареи, мощность излучения будет падать, что приведет к снижению дальности. Для снижения зависимости от напряжения питания, можно использовать простейший стабилизатор тока.
Большинство передатчиков работают на частоте 30 — 50 кГц. Такой диапазон частот был выбран исторически при создании первых подобных устройств. Была выбрана область с наименьшим уровнем помех. Кроме того, принимались в расчет ограничения на элементную базу. В дальнейшем, по мере стандартизации и распространения аппаратуры с таким способом управления, переход на другие частоты стал нецелесообразным.
В целях увеличения импульсной мощности передатчика, а соответственно и его дальности, сигнал основной частоты отличается от меандра и имеет скважность 3 — 6. Таким образом повышается импульсная мощность с сохранением или даже уменьшением средней мощности. Импульсный ток светодиода выбирается исходя из его паспортных значений и может достигать одного и более Ампер. Импульсный ток в большинстве пультов ИК не превышает 100 мА. При этом, поскольку и опорная частота имеет малый коэффициент заполнения и длительность кодированной посылки не превышает 20-30 мс, средний ток при нажатой кнопке не превышает одного миллиампера. Повышение импульсного тока светодиода сопряжено с снижением эффективности и уменьшением срока службы. Современные инфракрасные светодиоды имеют эффективность 100-200 мВт излучаемой энергии при токе 50 мА. Допустимый средний ток не должен превышать 10-20 мА. Питание светодиода должно иметь RC фильтр, который снижает воздействие импульсной помехи на питание микроконтроллера. Спектр применяемых светодиодов для ИК пультов большинства бытовой аппаратуры имеет максимум в области 940 нм.
Длительность единичного пакета опорной частоты для уверенного приема составляет не менее 12-15 и не более 200 периодов. При передаче кодированной посылки, передатчик формирует в начале преамбулу, которая представляет собой один или несколько пакетов опорной частоты и позволяет приемнику установить необходимый уровень усиления и фона. Данные в кодированной посылке передаются в виде нулей и единиц, которые определяются длительностью или фазой (расстоянием между соседними пакетами). Общая длительность кодированной посылки чаще всего составляет от нескольких бит до нескольких десятков байт. Порядок следования, признак начала и количество данных определяется форматом посылки.
Приемник ИК сигнала
Приемник ИК сигнала как правило имеет в своем составе собственно приемник ИК излучения и микроконтроллер. Микроконтроллер раскодирует принимаемый сигнал и выполняет требуемые действия. Поскольку приемник в большинстве случаев устанавливается в аппаратуре с сетевым питанием, его потребление не существенно. Микроконтроллер чаще всего выполняет и другие сервисные функции в устройстве и является его центральным логическим устройством.
Приемник ИК излучения чаще всего выполняется в виде отдельного интегрального модуля, который располагается за передней панелью управляемой аппаратуры. В передней панели имеется прозрачное для ИК лучей окошко. Как правило, такая микросхема имеет три вывода – питание, общий и выход сигнала. Производители электронных компонентов предлагают приемники ИК сигналов различного типа и исполнения. Однако, принцип их работы схож. Внутри такая микросхема имеет:
- фотоприемник — фотодиод
- интегрирующий усилитель, выделяющий полезный сигнал на уровне фона
- ограничитель, приводящий сигнал к логическому уровню
- полосовой фильтр, настроенный на частоту передатчика
- демодулятор — детектор, выделяющий огибающую полезного сигнала.
Корпус такого приемника выполняется из материала, выполняющего роль дополнительного фильтра, пропускающего ИК лучи определенной длины волны. Современные интегральные приемники позволяют принимать полезный сигнал на уровне фона, превышающего его в несколько десятков раз и при этом чувствовать посылки частоты, имеющие всего от 4 — 5 периодов.
Питание приемника излучения должно быть выполнено с RC фильтром для увеличения чувствительности. Микроконтроллер производит помеху широкого спектра на линиях питания, что может повлиять на работу приемника.
Форматы ИК передачи данных
Различные производители бытовой аппаратуры применяют в своих изделиях различные пульты ИК управления. Поскольку пульт должен общаться только с конкретным устройством, он формирует последовательность данных, уникальную для своего типа оборудования. Передаваемые данные содержат кроме собственно команды управления адрес устройства, проверочные данные и другую сервисную информацию. Более того, различные производители используют различные способы формирования последовательности данных и различные способы передачи логических состояний. Наиболее распространенные способы кодирования битов информации — это изменение длительности паузы между пакетами (метод интервалов) и кодирование сочетанием состояний (бифазный метод). Однако, встречаются способы кодирования бит информации длительностью, сочетанием длительности и паузы и т.д. Наиболее распространенные форматы передачи:
- RC5 протокол компании Philips
- NEC протокол одноименной компании
Форматы RC-5 и NEC используются многими производителями электроники. Некоторые производители разработали свой стандарт, но в основном используют его сами. Менее распространенные форматы пультов управления:
В отличие от пультов управления бытовой электроникой, которые передают только одну команду, соответствующую нажатой кнопке, пульты управления кондиционерами передают при каждом нажатии всю информацию о параметрах, выбранных пользователем на экране пульта, такие как температура, режим охлаждения, нагрева или вентиляции, мощность вентилятора и другие. В результате, посылка становится достаточно длительной. Например, пульт бытового кондиционера Daikin FTXG передает единовременно 35 байт информации, скомпонованной в трех последовательных посылках. Форматы пакетов ИК передачи кондиционеров:
Инфракрасные передатчики служат для синхронизации активных 3D очков затворного типа с телевизором.
Двунаправленная передача информации используется в некоторых мобильных устройствах: ноутбуках, телефонах, смартфонах, плеерах и т.д. Передача информации по протоколу IrDA основана на форматах асинхронной передачи данных, реализованных в COM портах компьютера.
Передача информации на большие расстояния не обходится сегодня без ИК излучения. Оптоволоконные линии связи используют ИК излучение ближней и средней области спектра (некоторые и видимого) для передачи данных.
- Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)
- Беспроводная передача данных в инфракрасном диапазоне
Часть информации о протоколах приведена в переводе с сайта sbprojects.com, другая часть — собственные исследования и анализ разрозненных данных из всемирной паутины.
Как работает икрокрасный порт
В двухтысячных инфракрасный порт был в каждом крутом мобильнике, а сейчас он остался всего в паре моделей. Рассказываем, почему так произошло и как вообще работает ИК-порт.
Как устроена инфракрасная связь
Представьте, что есть две башни на каком-то расстоянии друг от друга. На одной стоит человек с фонариком, на другой — человек с блокнотом. Человек с фонариком светит азбукой Морзе в сторону человека с блокнотом. Тот записывает и расшифровывает сигналы.
Теперь представьте, что фонарик не обычный (с видимым светом), а необычный — он светит в инфракрасном диапазоне. Человек обычным зрением не видит это излучение, но может увидеть в специальных очках. Такие очки как раз есть у того, кто принимает сигнал.
Вот это и есть инфракрасная связь.
Приёмник и передатчик
Для ИК-связи нужно два устройства — приёмник и передатчик, причём устроены и работают они по-разному.
В передатчике стоит инфракрасный светодиод — специальная лампочка, которая может светиться в инфракрасном спектре, когда через неё проходит ток. Задача передатчика — отправить луч на приёмник и передать данные с помощью этого луча.
Для отправки данных чаще всего используют примерно то же самое, что и в азбуке Морзе — моргают лампочкой с разной частотой, причём каждое такое моргание обозначает что-то своё. Например, если лампочка моргает с интервалом 0,1 сек пять раз подряд, потом делает паузу на полсекунды и всё начинается сначала, то это может означать сигнал включения устройства. Таким образом, чередуя разную частоту моргания, передатчик отправляет на приёмник нужные данные.
Приёмник устроен иначе — в нём нет светодиода, но есть фотореле. Оно может улавливать инфракрасный свет и преобразовывать его в электрические импульсы. Дальше устройство расшифровывает то, что получил приёмник, и выполняет нужные команды. Или не выполняет — если приёмник получил команду, которой нет в устройстве.
�� Чтобы ИК-связь работала, оба устройства должны находиться в зоне прямой видимости. Это значит, что между ними не должно быть преград, чтобы луч мог спокойно долететь от одного устройства к другому. Если стать на пути луча, связи не будет — и это самое большое ограничение ИК-связи, из-за чего её мало где используют.
Однонаправленная связь: пульт дистанционного управления
Самое популярное решение для инфракрасной связи — пульты дистанционного управления от телевизоров. В них передача данных работает только в одном направлении — от пульта к телевизору. Для этого в телевизор ставят приёмник, а в пульт — передатчик, так получается проще и дешевле. При этом пульт не знает, получил ли телевизор нужную команду и смог ли её обработать: всё, что он делает, это отправляет команды.
Смысл в том, что когда есть ведущее и ведомое устройство, можно обойтись одной парой устройств. В случае с пультом за верную отправку сигналов отвечает человек — если что-то не сработало, он нажмёт кнопку на пульте ещё раз. Но если нужно не просто отправить данные, но и убедиться в том, что они приняты верно, нужна двусторонняя связь.
Главная уязвимость ИК-связи
Главная уязвимость ИК-связи в том, что приёмники принимают излучение от чего угодно. Если оно излучает в ИК-спектре, для приёмника это уже сигнал. Этим пользуются, например, универсальные пульты от телевизора: телевизору не так важно, откуда пришёл сигнал — с оригинального пульта или клона. Ему главное — чтобы совпали команды.
Зная команды нужных устройств и имея в распоряжении передатчик ИК-сигналов, можно перехватить управление — например, включить или выключить телевизор в школьном классе во время урока; отключить информационное табло в аэропорту, поменять канал телевизора в витрине магазина.
ИК-порт в телефонах
Раньше чтобы отправить мелодию или картинку с одного телефона на другой, нужно было использовать ИК-порт: блютус тогда только начинал развиваться, Телеграма не было, а вайфай был совсем экзотикой. В двухтысячные это было самым популярным способом что-то передать друг другу: включаем ИК-порты и кладём телефоны рядом друг с другом на пару минут:
Чтобы всё это работало, в телефон ставили одновременно приёмник и передатчик — так телефоны могли установить двухстороннюю связь и сообщить друг другу, если что-то пошло не так в процессе передачи. Скорость передачи данных была тоже медленной: чтобы передать картинку 320×240 пикселей, нужно было ждать примерно 30 секунд, а на отправку мелодии требовалось несколько минут.
Потом ИК-связь оптимизировали и сделали её гораздо быстрее (10 мегабит в секунду), но было уже поздно — появился быстрый блютус, полноценный мобильный интернет, аська для передачи данных и вайфай.
ИК-связь сейчас
В 2021 году ИК-порт ставят только в некоторые модели смартфонов, да и то их количество плавно сокращается. Причина в том, что даже с супербыстрой передачей данных инфракрасная связь мало кому нужна: гораздо проще отправить данные по почте или кинуть в мессенджер, чем направлять телефон на другой телефон и стоять рядом.
ИК-связь всё ещё нужна в промышленности и в отдельных бизнесовых сферах. Например, если вы придёте на иноязычную пресс-конференцию, вам могут выдать наушники с инфракрасным приёмником — перевод будут транслировать с помощью инфракрасных излучателей в комнате.
Ещё с помощью ИК могут собирать данные с промышленных датчиков и актуаторов, ИК-излучение нужно для навигации роботов и в компьютерном зрении. Но точно не для передачи рингтончиков. Ушла эпоха.
Это айти. Вот как сюда войти
Если вам близко то, о чём написано выше, у вас есть все шансы стать разработчиком, тестировщиком, дата-сайентистом или менеджером в сфере ИТ. Тут хорошо платят и приятная компания. Стоит хотя бы изучить вопрос.
Передаём данные с помощью ИК
Как передать данные без проводов? На слуху у каждого современного человека два современных высокотехнологичных способа, которыми мы пользуемся каждый день: wifi и bluetooth. Оба этих способа используют для передачи радиоволны. Но есть еще один, наверное даже более распространенный вариант — передача данных с помощью инфракрасного света. И о нём мало кто задумывается при создании своих DIY проектов.
Система инфракрасной (ИК) связи повсеместно используется для управления бытовой техникой: телевизорами, кондиционерами, люстрами и пр. А было время, когда с помощью ИК сотовые телефоны и ноутбуки могли передавать друг другу данные. Кстати, до сих пор, в некоторых смартфонах есть ИК-порт для управления бытовыми приборами.
Что касается самой технологии, то она не стоит на месте. ИК-спектр нечувствителен к радиопомехам, а значит всегда будет востребован в наше насыщенное радиошумом время. Современные атмосферные ИК системы могут передавать данные со скоростями до умопомрачительных 4 Тбит/с.
На этом уроке мы создадим приёмник и передатчик инфракрасной связи, с помощью которых будем обмениваться данными между двумя платами Ардуино Уно. Попробуем реализовать передачу, используя последовательный протокол (класс Serial). А в завершении реализуем дальнобойную лазерную связь.
Этот урок посвящен основам ИК связи, а для тех, кто ищет информацию о применении ИК-приемника VS1838 и пультов с протоколом NEC рекомендуем этот урок: Ардуино: инфракрасный пульт и приемник
ИК передатчик
Для передачи сигнала нам нужен источник излучения в инфракрасном спектре, мы же делаем ИК связь, как никак. Инфракрасное излучение — это невидимый глазу свет, длина волны которого больше видимого красного света и меньше длины микроволнового излучения.
Почему именно инфракрасный? У инфракрасного спектра есть два плюса:
- во-первых, он позволяет избежать влияние (хотя и не полностью) множества источников естественного и искусственного света на качество связи;
- во-вторых, инфракрасное излучение не видно человеческому глазу, а значит такие передатчики не будут создавать паразитную засветку; плюс, канал ИК связи будет обладать некоторой скрытностью.
Самый доступный источник инфракрасного излучения — ИК светодиод. Встречаются ИК светодиоды с разной длиной волны: 740 нм, 850 нм, 880 нм, 940 нм и т.п. Для выбора подходящего светодиода, мы должны рассматривать сразу пару: излучатель и приемник. Надежный канал ИК связи подразумевает, что приёмник хорошо чувствителен к длине волны излучателя.
Подключаются ИК-светодиоды также как обычные их собратья — последовательно с токозадающим резистором. Для единичного ИК-светодиода подойдет резистор 100-200 Ом.
ИК приёмник
Теперь, когда есть излучатель, нам нужно создать приёмник этого излучения. Некий прибор, который будет улавливать инфракрасный свет и генерировать на выходе сигнал, пригодный для Ардуино: высокий уровень напряжения (HIGH) либо низкий уровень (LOW).
Такой прибор проще всего сделать с помощью фотодиода или фототранзистора. Существует несколько популярных схем детектора ИК-излучения с этими приборами, используем такую:
В схеме используется фотодиод, чувствительный к длине волны излучателя. Биполярный транзистор, например 2N2222 и три резистора. Работает схема следующим образом.
Когда на фотодиод не падает свет, он работает как обычный диод — не пропускает ток в обратном направлении. Следовательно, на базе транзистора будет низкий потенциал — транзистор окажется закрытым. Ток от источник питания +5В потечет прямиком на 3-й контакт платы Ардуино, ведь через транзистор ему путь заказан.
Если на фотодиод падает свет, то у него появляется обратный ток — от катода к аноду. Следовательно, на базе транзистора появится высокий потенциал и он откроется. Ток от источника питания потечет через транзистор на землю, и не потечет на контакт микроконтроллера.
Таким образом, схема детектора работает в инверсной логике: когда детектор видит излучение, то на контакте контроллера появляется низкий уровень (LOW), в противном случае — будет высокий уровень (HIGH).
И небольшое пояснение по резисторам. R4 — защищает схему от КЗ через транзистор, R5 — защищает базу транзистора от чрезмерного тока (хотя он особо тут не нужен), R6 — нивелирует насыщение фотодиода паразитной засветкой (солнце).
Соберем приёмник на макетной плате и подключим к Ардуино. Теперь, когда у нас есть обе части линии связи, приступим к программированию.
Программа
Проверим связь с помощью двух простых программ.
Пусть передатчик просто мигает светодиодом: 500 миллисекунд горит, другие 500 — не горит.
const byte ledPin = 2; void setup() < pinMode(ledPin, OUTPUT); >void loop()
Ардуино на стороне приёмника будет каждые 100 мс считывать сигнал от ИК-детектора и передавать в последовательный порт на компьютер слово «received» если сигнал есть и «-» если его нет.
const byte photoPin = 3; void setup() < Serial.begin(9600); pinMode(photoPin, OUTPUT); >void loop() < byte v = digitalRead(photoPin); // считываем данные с детектора if(v == LOW)< // проверяем, что детектор выдает LOW Serial.println("received"); >else < Serial.println("-"); >delay(100); >Загружаем программы, подаем питание и выставляем приемник и передатчик таким образом, чтобы светодиод и фотодиод смотрели друг на друга своими линзами.
Затем открываем монитор последовательного порта приёмника и проверяем, приходит ли сигнал. В случае успеха, картина будет такая:
. received - - - received received received - - .
Если в мониторе отображаются одни минусы, сигнал детектор ничего не видит. Возможные причины:
- неверно собрана схема детектора: проверяем все соединения, особенно фотодиод и транзистор;
- нарушена соосность светодиода и фотодиода, а следовательно сигнал передатчика уходит в сторону от приёмника;
- не хватает мощности излучателя: можно попробовать пододвинуть детектор поближе к излучателю.
Другая плохая ситуация, когда приемник постоянно выдает «received», хотя должен делать это с периодом 1 сек. Если схемы собраны правильно, то вероятнее всего детектор засвечен паразитным ИК излучением.
В данной ситуации можно попробовать две вещи:
- приделать к фотодиоду бленду, которую можно сделать с помощью кусочка термоусадочной трубки;
- подобрать другой ИК спектр, для которого в данных условиях не будет паразитов-конкурентов, засвечивающих детектор.
На текущем этапе уже можно передавать с помощью ИК линии связи простые сигналы. Например, управлять включением и выключением какого-то устройства или робота. Чтобы обеспечить обмен текстом и числами, используем стандартную библиотеку и класс Serial. Об этом далее.
UART через ИК
Класс Serial, который есть в стандартной библиотеке Arduino IDE, умеет передавать данные через аппаратный интерфейс UART (он же последовательный порт). На плате семейства Ардуино контакты 0 (RX) и 1 (TX) как раз привязаны к аппаратному UART, а значит мы сможем их использовать для наших целей.
Схема излучателя у нас останется прежней, кроме контакта Ардуино, к которому она подключается. Мы передаем данные, значит используем контакт №1 (он же TX).
Программа передатчика будет каждую секунду отправлять в последовательный порт текст «ping».
void setup() < Serial.begin(4800); >void loop()
Готово. Теперь сделаем приёмник.
Программа приёмника должна с одной стороны слушать детектор и считывать оттуда полученные байты данных, а с другой стороны, выводить эти данные на компьютер. Задачу усложняет то, что детектор у нас имеет инверсную логику, а значит UART на принимающей стороне должен как-то уметь менять логику.
Таким образом, для создания приёмника нам необходимо, чтобы контроллер имел два UART интерфейса, причём с возможностью менять логику. Надо ли говорить, что у Ардуино Уно UART только один и логика там не меняется. Хмм.
Как вариант, можно вместо Уно использовать версию Мега, у которой есть несколько UART. Проблему с инверсной логикой можно решить переделав схему детектора и заменив транзистор на PNP. А можно всё оставить как есть и использовать программный UART интерфейс. Благо, в среде Arduino IDE есть специальная библиотека SoftwareSerial, которая как раз для таких целей и нужна.
Как и в большинстве случаев, при использовании разного рода библиотек, нам потребуется в самом начале программы создать объект класса SoftwareSerial. Пишем:
SoftwareSerial Photo(10, 11, 1);
здесь первый аргумент 10 — контакт, на котором будет RX канал; второй аргумент 11 — контакт TX канала; 1 — означает инверсию сигнала, это нам и нужно!
Программа приёмника данных будет выглядеть так.
#include SoftwareSerial Photo (10, 11, 1); void setup() < Serial.begin(9600); Photo.begin(4800); >void loop() < while( Photo.available() )< char v = Photo.read(); Serial.write(v); >>Загружаем программы, выставляем излучатель и детектор на линии и подаем питание. Если при этом открыть монитор последовательного порта, то там будут появляться слова «ping».
В данном примере мы использовали скорость передачи 4800 бод. Откуда именно такая скорость? Дело в том, что скорость работы нашей ИК системы сильно проседает из-за программного UART. Если от него избавиться, то линию связи вполне можно разогнать до куда более высоких скоростей.
Подобную систему связи уже можно применить для передачи сообщений в плотной среде роевых роботов. При такой скученности радиосвязь работает плохо, а вот передача данных ИК-светом ближайшим соседям вполне подойдет.
В следующей главе посмотрим как сделать оптическую линию еще надежнее и быстрее.
Лазерная связь
Увеличить дистанцию приёма можно разными способами, один из них — использовать мощный излучатель. Например, можно заменить светодиод на лазер.
Для эксперимента подойдет обычный лазерный модуль мощностью 5 мВт со встроенным токозадающим резистором. Полупроводниковый лазер по устройству очень похож на светодиод, и подключается он точно так же: катод — к земле, анод — к контакту Ардуино №2. Собираем всё схемы, загружаем программы, подаем питание.
Самое главное при настройке лазерной связи — попасть точкой лазера в фотодиод. Даже на расстоянии в несколько метров — это не так то просто. Для упрощения задачи, на фотодиод можно надеть собирающую линзу, которую используют в датчиках движения.
Модуляция
Еще один способ увеличить дистанцию — модуляция сигнала. Это значит, что передатчик должен генерировать несущую частоту и модулировать её полезным цифровым сигналом. Полученный сигнал передается в эфир. Приёмник же должен обеспечить демодуляцию полезного сигнала.
Сделать такую систему можно из доступных каждому DIY-щику деталей. В передатчике катод ИК-светодиода подключаем не к земле, а к ещё одному контакту Ардуино. Программа приемника должна формировать на этом контакте прямоугольный сигнал частотой 38 кГц. Например так:
TCCR2A = _BV(COM2A0) | _BV(WGM21);
TCCR2B = _BV(CS20);
OCR2A = 209;
Для приёма модулированного сигнала используется стандартный ИК-приёмник на 38 кГц, например, vs1838. Этот прибор сам производит демодуляцию сигнала.
Над учитывать, что чем выше несущая частота, тем больше пропускная способность такого канала. С несущей частотой 38 кГц можно добиться скорость передачи до 2400 бод.
ИК порт
ИК порт — передача данных с помощью инфракрасного света. ИК (инфракрасный) -свет подобен видимому свету, он невидим для наших глаз, но подходит для применения в беспроводной связи.
Полоса для инфракрасного излучения в электромагнитном спектре составляет от 300 ГГц до 430 ТГц, а длина волн от 700 нм до 1 мм.
Наряду с ИК-светодиодом некоторые другие источники, такие как солнце, лампочки накаливания, тела людей и животных и т. д., также излучают инфракрасную энергию.
ИК-излучение используется для беспроводной связи устройств на короткие и средние расстояния.
ИК порт: принцип работы
ИК порт работает по следующему принципу: ИК-светодиоды передают цифровые данные с в виде 0 и 1 с помощью инфракрасного света.
Логическая 1 выдается, если ИК-светодиод включен, а логический 0 — если он выключен.
Эта последовательность данных ON и OFF собирается ИК-фотодиодом на стороне приемника.
Виды ИК-связи
Простой инфракрасный приемо-передатчик
При простой ИК-связи любые данные (1 или 0), присутствующие на стороне передатчика, будут передаваться как есть без какой-либо техники модуляции.
Приемник собирает переданные данные (1 или 0) как есть без какой-либо демодуляции или метода фильтрации.
У данного вида инфракрасного приема-передатчка есть некоторые ограничение. Для данной схемы ИК такими ограничениями являются, короткое расстояние и помехи от инфракрасной энергии окружающей среды.
ИК-приемо — передача данных с использованием модуляции
В модуляционном типе ИК-связи инфракрасный свет модулируется с помощью несущих частот, чтобы получить лучшее расстояние для передачи данных.
Кроме того, он обеспечивает лучшую устойчивость к окружающим ИК-помехам. Как правило, приемники серии TSOP используются для приема модулированного ИК-излучения.
Инфракрасный передатчик
- Для ИК-передачи обычно используются ИК-светодиоды с длиной волны от 940 до 950 нм.
- Когда мы передаем данные на ИК-приемник, в то же время ИК-приемник также получает ИК-лучи из окружающей среды. Эти ИК-лучи из окружающей среды могут искажать передаваемые данные.
- Чтобы избежать таких окружающих помех, ИК-сигнал можно модулировать с помощью несущих частот. Часто используемые несущие частоты: 30 кГц, 36 кГц, 38 кГц, 56 кГц и т. д.
- При ИК-связи используются протоколы NEC code, Toshiba Micom Format, Sharp Code, RC5 Code, RC6 Code, R–2000 Code, Sony Format (SIRCS) и т. д.
- Кроме того, для ИК-связи можно использовать простой протокол последовательной связи RS232. Этот протокол использует формат одного стартового бита, 8-битных данных, одного бита четности (необязательный) и одного стопового бита. Теперь ИК-данные модулируются в ИК-сигнал на частоте 38 кГц, как показано на рисунке ниже.
ИК-приемник
- На стороне приемника ИК-приемник принимает данные на несущей частоте 38 кГц.
- Для ИК-фильтра разработан эпоксидный пакет.
- Этот модуль сконструирован таким образом, что исключаются любые неожиданные выходные импульсы из-за шума или помех.
- Как правило, используются приемники серии TSOP, которые поддерживают прием различных передаваемых кодов.
- Например. В TSOP1738 непрерывная скорость передачи данных возможна до 2400 бит/с.
- Передаваемые данные демодулируются и передаются на микроконтроллер.
- Демодулированные выходные данные TSOP показаны на рисунке ниже.
Документация
- Даташит TSOP1738
- Даташит IR LED
- Даташит BC547
Компоненты
- TSOP1738 ИК-приемник
- Инфракрасный излучатель IR LED
- Набор IR приемников и излучателей
- Транзистор BC547 100 штук
- Набор транзисторов 10 видов по 20 штук
- Arduino NANO
- Arduino UNO
- Arduino MEGA
- Набор выводных резисторов