基于KM 3x的低功耗红外通信设计

熊　慧，闫多超，韩　帅

（天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

基于KM 3x的低功耗红外通信设计

熊慧，闫多超，韩帅

（天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

针对目前红外无线通信距离短、功耗高、模块设计复杂等问题，提出了一种低功耗红外通信设计.采用XBAR模块、PWM调制技术及低功耗编程的软件设计，有效精简了电路，降低了功耗和成本，提高了可靠性，可更有效地构建红外无线通信网络.实验结果表明：系统在休眠时功耗为0.5 mW，正常工作时也仅为发射管工作功率的1/3左右；模块在自然光等环境中零误码率通信距离达到25 m，能满足便携式设备、医疗电子、水下通信、工业设备网络等诸多领域的应用需求.

KM3x；红外通信网络；XBAR；低功耗

随着现代电子设备的高速发展及智能化，电子系统从简单的单机、分立式、独立系统发展到复杂的设备交互、联合式、协作系统，对设备间的数据交互和通信要求也越来越高[1-2].在增强电子设备在日常生活和工业现场使用的便捷性、稳定性和智能化的过程中，传统数据交互和有线通信网络越来越制约其发展[2].在一些强电磁干扰、能耗要求高的环境中，对通信方式的要求也就比较苛刻.相比有线通信及无线电等无线通信，红外通信更适合这些应用环境[3]，在无线电通信泛滥使用的情况下更好地解决了电磁干扰的问题[1]，并且具有防窃听、低信号处理复杂度等优点[4]，其应用领域从家用电子迅速扩展到医疗电子、水下通信[5]、空间通信[6]及其它工业设备.目前的红外通信依然存在模块复杂、成本高、功耗高等问题，在许多领域仍难以应用[3].设备在等待数据通信时，虽然红外发射管停止工作，但其他外部电路也会有较大的功耗，加大了设备的运行负担.

本文设计了一种低功耗红外通信模块，以集成化的设计模式有效解决了红外通信应用中模块复杂、成本高、通信距离短等问题.设计中外部电路仅包含红外发射管和接收管电路，使模块体积更小、扩展性更灵活，在应用中能适应更广泛的环境，降低了组建通信网络的难度.通过使用多种运行模式，在保证通信距离足够远的前提下，使工作时功耗降低了2/3，并且使待机功耗接近于零，消除了在没有数据传输时，发射接收电路依然工作的缺点.

1　红外通信电路设计

1.1红外通信设计思路

常用的红外通信是利用950 nm波长的近红外波段的红外线作为信息载体，将二进制信号调制为某一频率的脉冲序列，以驱动红外通信发射元件产生红外信号[7-8]，调制信号的频率以38 kHz最为普遍[8].红外接收端接收到红外信号后，将其转换为电信号，再经过放大、滤波等处理后经解调电路进行解调，最后还原成二进制信号输出以进行后续处理.关于红外通信的基本原理可参考文献[3]和文献[7].

本设计的总体方案为:MCU采用飞思卡尔半导体的Kinetis KM3x系列ARM Cortex-M0+，内核为32位的低功耗微控制器，其内部集成有红外调制和解调模块[9]，载波调制信号可由引脚外接信号、四定时器模块（Quad Timer，TMR）、周期定时器模块（periodic interrupt timer，PIT）等多种方式产生，选择载波调制信号的信号源和所发送信号的数据源通过内部集成的外设间交叉开关模块（XBAR）完成.本设计将TMR产生的38 kHz载波信号和所要发送的通用异步收发器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）信号在内部进行调制后，驱动红外发射管发送红外信号.在接收管接收到数据后，可解调读取，也可直接读取原始数据后通过KM3x解调.通信系统设计框图如图1所示.

图1　系统设计框图Fig.1　System block diagram

本设计基本电路和模块都是集成在MCU中，这样不仅使外部硬件电路变得非常精简，而且功耗也非常低.除此之外，应用集成的模块使整个系统的稳定性和抗干扰性也得到了很大的提高，在系统扩展时灵活性更高.同时KM3x的能量管理模块对MCU的运行模式进行配置，在空闲时设置为休眠模式.总体的设计比其它的红外通信设计节省了外部电路功耗和工作功耗.

1.2发送和接收电路

由于所有的模块都使用内部集成模块，本设计只需使用两个外部引脚:红外信号输出和输入.其外围电路也非常简单，仅需要红外信号发射管和接收管电路，其中接收管可以使用分立的，并且不需要放大电路[10]，也可以使用集成接收管.电路图如图2所示.

图2　KM 3x红外通信电路Fig.2　Circuit of KM 3x infrared communication

红外通信是两个或多个近距离独立设备间的无线通信[11]，在通信过程中具有很高的独立性，同环境间不会存在过多的干扰，保证设备间的交互和隔离.

所使用的红外通信模块以其精简的外部电路设计能很好地进行通信扩展，只需增添仅包含红外发射接收管的小巧通信模块，就能快捷地扩展成高效的通信网络，满足基本红外通信的要求和工业设备的网络通信，并有效地解决了在便携式设备应用中模块体积和功耗的问题.

2　红外通信系统功能实现

为了提高通信数据的可靠性和抗干扰性，通常按照红外数据协会（infrared data association，IrDA）协议对传输数据进行编码和调制[12].接收装置对调制后的红外信号比较敏感，能有效地滤除环境干扰信号[13].调制后红外通信的应用领域更为广泛，通信的可靠性也得到保障.

2.1XBAR模块

XBAR即外设间交叉开关，是KM3x系列内部集成的特色模块，它主要用于外设间和内部模块间的数据线路匹配.XBAR的33对输入输出通道连接到不同的内部模块或外部引脚.通过配置相应寄存器为选用的输出通道连接理想的输入通道以选取信号源或时钟源，每个输出通道与输入通道间只可有一个连接.通过XBAR的应用，使一些内部集成模块和外部设备间不再局限于固有的设计，可以通过不同的数据匹配使设计方案变得灵活多变.XBAR可以为多种模块提供数据匹配，也是应用内部红外数据通信必不可少的模块.本设计通过XBAR模块完成红外发射和接收信号的调制解调的连接、调制信号发生源的选择和输入输出的端口匹配，在设计中对XBAR的调节设计直接影响着总体性能.

2.2KM3x红外信号调制和解调

红外通信的载波信号承载着发送和接收的数据，在基于KM3x的设计中，可以通过多种方式产生载波信号，包括通过内部模块产生和引脚外部输入，通过XBAR为红外通信选择数据并配置通信端口.为了精简设计结构，本文采用内部TMR模块产生38 kHz占空比可调的载波信号，图3为本文所设计的红外信号调制与解调原理框图.数据通过UART主动进行发送，通过XBAR模块使通信数据和载波信号匹配到内部调制器进行数据发送.接收红外通信数据时，解调器将解调后的数据存储在数据寄存器中，需要时直接进行数据读取，不再需要其他的数据操作.

图3　红外信号调制和解调原理框图Fig.3　Principle diagram of infrared signal modulation and demodulation

本设计采用脉冲宽度调制（pulse width mo-dulation，PWM）方式，它是在设定频率下以特定或不同的占空比对信号进行调制.在红外通信中，选用比较常用的38 kHzPWM调制信号，占空比1/2，占空比在实验过程中随着实验需要做相应的改变.PWM调制将载波信号和红外通信二进制数据进行“与”或“或”运算形成最终的通信信号.对红外通信数据进行调制后，以载波信号的频率周期性驱动红外发射管，降低了红外发射管的总体工作时间和功率，并提高通信的可靠性.“与”和“或”调制方式的调制时序图如图4所示，其分别对信号“1”和“0”进行调制，适用于不同的发送电路.

图4　红外调制信号时序图Fig.4　Sequence diagram of infrared modulation signal

KM3x内部集成的红外通信调制模块的调制方式采用PWM方式，可选择“与”或“或”调制方式，在应用中具有更方便的适用性.并且在选择“与”调制时可选择配置是否反转接收数据，避免了更改外围电路，节省设计成本和周期.

2.3通信实现

在红外通信的实现过程中，需对TMR、UART、XBAR以及所用到的引脚进行配置.对TMR的配置与通常的使用方式相似，将定时周期根据主频设置到38 kHz，不对TMR进行中断配置.

根据一个调制数据位的载波脉冲数量不少于6个，在对UART进行配置时，选用传输波特率通常不高于2 400 bps，以满足数据传输要求.KM3x有4个UART模块，可以配置其中任意一个且只能配置一个用于红外通信模式.

红外调制模块决定红外调制后的信号，通过对红外调制模块的配置选用“与”或“或”调制方式并选择通信支持的UART模块，其红外发送信号的调制示意图如图5所示.模式选择只需要对混合控制寄存器（SIM_MISC_CTL）的相关位进行配置即可，所需要配置的寄存器位和配置说明如表1所示.

图5　红外发送信号调制示意图Fig.5　Schematic diagram of infrared signal modulation

表1　红外调制相关寄存器配置Tab.1　Register configuration about infrared modulation

红外调制和解调所涉及的数据全部由XBAR模块进行分配，通过XBAR模块，可对多种信号通过不同的载波信号进行调制.XBAR为红外通信系统配置和选择数据通路，即选择发送数据信号和调试信号的类型和传输方向.在初始化配置之后，在整个红外通信中，数据就会按照设定的模式进行传输和处理.

在本设计中，XBAR模块用到3对输入和输出配置，如表2所示.

表2　相关XBAR信号端口说明Tab.2　Explanation of XBAR signal port

3　实验测试

在多种测试场地进行红外通信实验，室外环境下，在接收角度30°内通过传输10 000个单字节数据（重复发送1～100）进行实验测试，记录在不同通信距离情况下的传输误码率.通过选取不同的角度进行10次测量后，对测试结果求平均，其相应误码率如表3所示.

表3　不同距离下相应传输误码率Tab.3　Transmission bit error rate of different distance

由表3可以看出，本文设计的通信模块在保证数据通信的稳定性和可靠性的同时，在接收角度小于30°时零误码率下的通信距离可达到25 m.选用波特率为2 400 bps时，在不同的通信条件下通信效果良好.

由于精简的外部电路结构，所设计通信模块的功耗主要为红外发射管功耗，选用不同的红外器件功耗会有所不同.在系统运行时通过合理的编程设计以转换运行模式也在很大程度上降低了功耗.模块在等待通信时，将工作模式配置为低功耗等待（very-lowpower wait，VLPW）模式，红外发送管停止工作，此时整体功耗仅为0.5 mW.进行通信时，接收管接收到数据后唤醒单片机使其在低功耗运行（very-low-power run，VLPR）模式工作，此时单片机功耗为1 mW，整体功耗为选用红外发射管正常功耗的1/3左右.

本文所设计模块避免了在等待通信时多余的电路功耗，可有效解决微小控制设备、工业设备网络的通信模块的安装和功耗带来的问题.

4　结束语

为了降低红外通信时的功耗及在等待通信时系统多余的电路功耗，设计了基于KM3x的低功耗红外通信模块.以低成本、低功耗、结构简洁的特性，使其能很广泛地应用于智能电表、智能水表等智能仪表的数据抄录以及智能家居的遥控上.同时，本设计在工业仪器的短程通信和隔离等方面的应用也有非常优异的表现，更容易构建无线通信网络.随着红外器件的发展和技术的不断完善，红外通信的速率会不断提高，以满足更多领域的应用需求.

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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

天津市自然科学基金资助项目（11JCYBJC07000）

熊慧（1978—），女，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为医疗电子和嵌入式系统．E-mail:xionghui@tjpu.edu.cn