Touto cestou vznikl i systém infračerveného dálkového ovládání s číslicovým zpracováním signálu (DSP) v přijímači. Sestává z univerzálního přijímače a jednoduchého vysílače navrženého přiměřeně ke konkrétní aplikaci.
K přenosu informace byl použit neobvyklý způsob modulace, který adekvátně technickým možnostem řeší zvýšené požadavky na spolehlivost a dosah spojení. Autor jej nazval „RotE Light 1 c8d7a“.
IR LED data coding method RotE Light 1
Podstatou je přepólování fáze periodického infračerveného signálu, má-li být přenesena hodnota 1, a nepřepólování, má-li být přenesena hodnota 0. Mezi jednotlivými bity sestávajícími každý z 12-ti impulsů s intervalem T je přestávka v trvání 4T, během které „dokmitá“ vstupní filtr přijímače. Přepólovaní fáze při přenosu 1 je realizováno prodloužením přestávky o 1/2T s odpovídajícím posuvem následujícího časového rastru. Frekvence infračerveného signálu je jmenovitě 50 kHz, taktovací frekvence procesorů vysílače i přijímače není přesně stabilizovaná a přijímač je citlivý v souvislém frekvenčním pásmu o šířce ±13 % střední frekvence. Po synchronizační fázi se přenáší osm datových a sedm adresových bitů v pořadí od MSB k LSB, obojí nejprve v negativní a pak pro kontrolu ještě v pozitivní polaritě. Odesláním LSB adresy v pozitivní polaritě sdělení končí. Přijímač kontroluje amplitudový průběh signálu, aby jej i touto cestou odlišil od rušení. Vysílač při případném opakování povelu, je-li klávesa držena, mění periodu impulsů v rozsahu ±10 % se skokem 5 %, aby obešel případné úzkopásmové rušení. Přijímač průběžně sleduje spektrum rušivého pozadí a úzkopásmová rušení odfiltruje.
Hned v úvodu je na místě přiznat, že systémy používané v současné době vznikly ve víceméně daleké minulosti a používají sekvenci časově oddělených radioimpulsů, přitom samotná fáze signálu není využita k přenosu informace. Lze se o nich dočíst v článku na HW.cz od jiného autora. Rozsáhlá skupina specializovaných součástek dostupných v současnosti na trhu a určených pro konstrukci levných přijímačů poskytuje předzpracovaný a již demodulovaný signál. Tyto hybridní obvody obvykle sdružují vše potřebné včetně fotodiody a signál vhodný pro snadné zpracování typicky mikrořadičem poskytují bez dalších přidaných součástek. Signál pouze zesílený a frekvenčně ohraničený není vyveden. Díky těmto součástkám máme v současné době na jedné straně k dispozici velmi levnou spotřební elektroniku vybavenou víceméně uspokojivě fungujícím dálkovým ovládáním, na straně druhé je historický způsob modulace touto cestou zakonzervován, protože inovace vede alespoň v první fázi k sice preciznímu, ale drahému řešení vstupních obvodů, evokujícímu situaci v osmdesátých letech. Nový způsob modulace naštěstí před analogový vstup mikrořadiče vyžaduje předřadit pouze fotodiodu, jednoduchý filtr a zesilovač s pevným zesílením. Náklady na řešení strojně osazenými diskrétními SMD pak nejsou až tak nepřijatelné. Nákladné je spíše kvalitní elektrické stínění rozměrnější vstupní části, například v realizaci na obrázku:
IR přijímač v krytu
Nevýhodou číslicového zpracování signálu je vyšší napájecí proud v porovnání s analogovým amplitudovým detektorem, níže popsaný univerzální přijímač odebírá z napájecího zdroje 3,0 V proud typicky 3 mA, špičkově snad může vzrůst až ke 5 mA.
Poznámka k obecným okolnostem přenosu sdělení
V prostoru bez odrazných ploch, při respektování směrových charakteristik a při zanedbatelných rozměrech vysílací i přijímací plochy platí, že intenzita přijímaného signálu klesá s kvadrátem rostoucí vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem. K úspěšnému přijetí sdělení je nutno překročit intenzitu rušivého pozadí v poměru závislém na modulační metodě a na konstrukci přijímače.
Rušení pochází:
Z vlastního šumu přijímače
- Sestává z tepelného šumu na rezistorech, ze specifického šumu tranzistoru a z kvantovacího šumu A/D převodu, jde-li o DSP. Tento šum se u dále popsaného přijímače uplatňuje jako dominantní v šeru a ve tmě.
Z elektromagneticky vázaného vnějšího rušení
- Po sejmutí stínícího krytu se objeví silné rušivé pozadí zejména od spínaných zdrojů PC a monitoru, ke kterým je přijímač připojen, a dosah příjmu z IR vysílače výrazně klesne. Pro ilustraci citlivosti na rušení kapacitní vazbou bylo zjištěno, že dále popsaný přijímač umístěný ve stínícím krytu je schopen přijímat povely, i když jsme z něj předtím vypájeli fotodiodu, pokud vysílač vhodně přiložíme ke vstupní mřížce krytu – kapacitní vazba přes oka mřížky je i při poměrně velké vzdálenosti vstupních obvodů postačující, proto má v popsaném řešení fotodioda čelní elektrodu (anodu) uzemněnou.
Z nemodulovaného záření
- Typicky příslušná IR oblast slunečního světla a světla žárovek (teplotních zdrojů světla). Z kvantové povahy záření vyplývá, že po odfiltrování stejnosměrné složky elektrického proudu tekoucího fotodiodou zbude širokopásmový šum, jehož intenzita je úměrná druhé odmocnině stejnosměrné složky proudu. Tento šum se u dále popsaného přijímače uplatňuje už ve „tlumeně“ osvětleném interiéru a s rostoucím osvětlením pak převládá nad vlastním šumem přijímače (tentýž šum bychom získali, kdybychom namísto osvětlené fotodiody použili odpovídající proudový zdroj – fotodioda je v tomto ohledu pouze kvantovým převodníkem).
Ze záření s korelovanými fluktuacemi intenzity
- Typickým zdrojem je výbojový zdroj světla, v interiéru obvykle zářivka. Fluktuace intenzity zde nepocházejí pouze od kvantové povahy záření, ale i od nestability plasmatu, ve kterém záření vzniká. Nestabilita má modulovanou a stochastickou složku. Charakter modulované složky závisí na způsobu napájení výbojky, stochastická složka je širokopásmová. Elektrický proud procházející plasmatem koreluje modulované a víceméně i stochastické odchylky intenzity záření podél elektrického výboje. Plasma samo má akumulační schopnost, k zářivému přechodu mezi energetickými hladinami pak nedochází okamžitě po vybuzení atomu, ale s náhodným zpožděním. Jako relevantní dolnofrekvenční propust může u zářivek sloužit i luminofor se svou dobou dosvitu, ne však pro detekované IR fotony generované přímo plasmatem. Korelovaná složka šumu je přímo úměrná stejnosměrné složce proudu fotodiodou. Proto je v interiéru světlo blízké zářivky dominantním zdrojem rušení. Při záměrně intenzivním přesvětlení může dojít až k přebuzení vstupních obvodů přijímače tímto šumem.
Z modulovaného IR signálu, který například přenáší jiné, pro konkrétní přijímač rušivé sdělení
- Povely IR dálkovými ovladači sdílejí společné prostředí v čase (sdělení bývají krátká), případně v modulační frekvenci (používá se několik odlišných frekvencí) a v současné době již i v použité spektrální oblasti IR záření (dosud obvyklé IR LED emitují maximum spektrální hustoty výkonu na vlnové délce 940 nm, jinou část spektra používají například stereoskopické brýle).
Autor bude vděčný za případné připomínky ze strany odborníků na oblasti dotčené těmito poznámkami.
IR přijímač s MSP430G2230
Dále popsaný univerzální přijímač kromě své vstupní části obsahuje nový mikrořadič MSP430G2230, který se v současné době (červenec 2012) dostává k distributorům. Je to součástka neobvyklá svým úsporným osmivývodovým pouzdrem, taktovaná je interním kalibrovaným generátorem s tomu odpovídající stabilitou ±3 % v deklarovaném teplotním rozsahu. Pro širší rozsah napájecího napětí byla použita taktovací frekvence pouze 12 MHz.
IR receiver circuit diagram
Vaše návrhy nepatří do šuplíku!
Zajímavá konstrukce nebo jen neobvyklé řešení?
Podělte se o své zkušenosti s ostatními!
Nechte se inspirovat a pište na redakce@hw.cz .
Přijímač reaguje pouze na povely doplněné adresou, na kterou je navázán, výjimkou jsou speciální povely k navázání adresy a k jemnému doladění taktovací frekvence.
Bylo zjištěno, že při přímém čelním osvětlení použité fotodiody BPW41N slunečním světlem v létě kolem poledne její zkratový proud nepřesáhne 1 mA. I při tomto proudu fotodiodou D1 vstupní obvody přijímače zůstávají funkční. Diferenciální odpor fotodiody s rostoucí intenzitou osvětlení klesá. Aby byla i při vyšších intenzitách osvětlení zajištěna správná funkce LC filtru, je od něj fotodioda oddělena tranzistorem T1. Zároveň je tak odstraněn vliv kapacity diody na rezonanční frekvenci filtru. Kvalita rezonančního obvodu (a související šířka pásma filtru) je určena především velikostí odporu R4 a zesílením stupně T2 - T4. Indukčnost L je tvořena dvěma sériově zapojenými cívkami, jejichž magnetické pole je v prostoru orientováno opačně. Intenzita magnetického pole tak se vzdáleností od sestavy strmě klesá a zároveň je malá v prostoru mezi cívkami, ve kterém jsou umístěny jejich vývody. Touto cestou je zmenšen ztrátový úhel induktoru (a jeho související tepelný šum) a omezena magnetická vazba s vnějšími zdroji rušení. Velikost indukčnosti respektuje dostupnou součástkovou základnu, vyšší indukčnost by umožnila mírně zvýšit dosah spojení v šeru a ve tmě. Zesilovací stupeň s T5 pokrývá vstupní rozsah A/D převodníku nastavený jako rail-to-rail. Přijímač funguje i při silném přebuzení vstupních obvodů signálem sdělení, v tomto režimu toleruje výrazné zkreslení signálu.
Naprogramovaný mikrořadič pro přijímač bude možno na požádání získat u autora.
V současné době jsou vyvinuty dva vysílače se šestnácti tlačítky, lišící se pouze instalovaným programem.
Verze programu „light“
- je zamýšlena pro nezávislé ovládání až čtyř zdrojů světla jedním vysílačem, případně až šestnáctice světel čtveřicí vysílačů, a to povely „vypni“, „uber“, „přidej“ a „zapni“. Povely „uber“ a „přidej“ jsou při držení příslušného tlačítka opakovány rychle.
IR vysílač s MSP430G2001
Verze „fullkb“
- zatím nemá konkrétní určení a grafickou podobu klávesnice, je prozatím používána jako demonstrační. Slouží k vysílání šestnácti povelů s jednotnou adresou, kterou lze vybrat ze čtyř možných. Povely ze druhého a třetího řádku jsou při držení příslušného tlačítka opakovány rychle.
Vysílač je tvořen membránovou klávesnicí, mikrořadičem MSP430G2001, IR LED doplněnou proudovým stabilizátorem 100 mA, indikační LED a lithiovým napájecím článkem.
IR control transmitter circuit diagram
Časování budicích signálů pro čtení membránové klávesnice je přizpůsobeno jejím parazitním kapacitám a poměrně velké hodnotě interních rezistorů cca 20 kΩ na vstupních vývodech. Počtem vývodů použitý procesor neumožňuje přímo číst rozsáhlejší matrici kláves, než 4x4 bránou P1. Zbylé dva vývody P2.6 a P2.7 jsou použity k ovládání LED a ke dvouúrovňovému napájení.
Jednotlivé klávesy slouží k vysílání běžných povelů. Kombinacemi čtveřic kláves pak lze konfigurovat vysílač i přijímač. U vysílače lze nastavit výstupní výkon ve dvou úrovních – sepnutí LED na 5 % periody (hlavní diagonála klávesnice, tedy zleva shora doprava dolů) a na 35 % periody (vedlejší diagonála klávesnice, tedy zleva dole doprava nahoru). Konkrétnímu vysílači lze sloupečkem kláves přiřadit jednu ze čtyř adres ze skupin vzájemně odlišných mezi oběma verzemi programu. U verze „light“ pak je klávesnice rozdělena na 4 řádky lišící se vzájemně dalšími dvěma adresovými bity, klávesy ve shodném sloupečku vysílají shodný povel lišící se adresou. Řádkem kláves lze vyslat speciální povel k navázání přijímače na adresu vysílače (kód 0x00 – u verze „light“ odpovídajícím řádkem kláves, u verze „fullkb“ horním řádkem). Dolním „půlkruhem“ kláves je s rychlým opakováním vysílán speciální povel k jemnému doladění taktovací frekvence přijímače (kód 0xFF). Speciální povely musejí být vyslány z malé vzdálenosti od konkrétního přijímače nebo se zvýšeným výkonem vysílače, aby je přijímač neodmítl.
Dosud nedošlo k takovému rozladění vysílače a/nebo přijímače, které by naznačovalo, že povel k jemnému doladění bude někdy k užitku, ale katalogové tolerance hodinových generátorů procesorů tuto funkci odůvodňují. Tovární kalibrace MSP430G2230 se jeví jako optimální a MSP430G2001 lze před instalací programu snadno rekalibrovat in-circuit.
Dvouúrovňové napájení procesoru vysílače zamezuje chybě při zápisu změny konfigurace do datové FLASH, při kterém napájecí napětí nesmí poklesnout pod 2,2 V. Procesor MSP430G2001 nemá A/D převodník, napájecí napětí tedy není možno změřit a k restartu dojde až při úrovni pod 1,8 V. Při běžné činnosti je proto procesor napájen přes ochrannou diodu vývodu P2.7 a pokud takto snížené napájecí napětí nevyvolá restart, pro zápis do FLASH je vývod P2.7 nastaven jako výstup ve stavu 1 a napájecí napětí je „zkratováním“ ochranné diody zvýšeno.
Programy pro vysílače jsou v assembleru a lze je na požádání získat u autora.
Byl vyvinut demonstrační prostředek propojující datové rozhraní přijímače s terminálem vývojového prostředku Ti CCS.
Interface pro PC terminál a pro vypálení programu
Slouží ke zobrazování přijatých povelů a případně k ovládání procesoru dvouvodičovým rozhraním SBW.
Interface output
Obrázek znázorňuje výpis povelů přijatých přijímačem na terminálu CCS. Měřítko na časové ose je 2-11 s. První sada 6-ti přijatých sdělení ilustruje rychlé opakování povelu při držení tlačítka „přidej“, změnu délky periody impulsů vyjádřenou jako odchylku frekvence a související informaci o intenzitě přijatého signálu ovlivněné frekvenční charakteristikou vstupního LC filtru. Další jednotlivě vyslané příkazy se liší okolnostmi přenosu IR signálu, hodnota intenzity nad 180 odpovídá přebuzení vstupních obvodů a její vyjádření již dále výrazně neroste. Jak bylo uvedeno výše, dolní čtyři bity této hodnoty představují mantisu semilogaritmického vyjádření. Rozdíl hodnot příslušejících dvěma intenzitám v poměru 1:2 je tedy 16.
Demonstrační prostředek je osazen procesorem MSP430G2211 a jeho schéma a program v C lze na požádání získat u autora.
Autor článku: Louis Seidelmann, louis@seidelmann.cz
Komentáře
nevidím dôvod na stavbu,
nevidím dôvod na stavbu, keďže v inetobchodoch je takýchto zariadení celá kopa a stojíto pár dolárov. IR je mimochodom veľmi ľahko rušitelné. :(
Konstrukce vypada velmi
Konstrukce vypada velmi zajimave. Zaujala me slozitost celeho zapojeni. Proc autor pouzil tak velke mnozstvi diskretnich soucastek? Proc se autor neinsiroval teba vstupnim dilem RONJA pojitka? Jinak IR imho neni moc rusitelne. Hlavne ne od bezneho EM pole, coz je v dnesni dobe pomerne vyhoda.
odpověď na komentář
Ona ta složitost je tak nějak kompromisní. Malé a levné součástky, které lze osadit strojně, nevyženou náklady až tak vysoko. S více součástkami by bylo možno dosáhnout jen malého zlepšení a s méně součástkami velkého zhoršení parametrů. Myslím tím hlavně odolnost proti vnějšímu rušení a vlastnímu šumu. Jistě se to dá i ošidit a stále to bude fungovat lépe, než běžné IR sestavy. To ale nebylo mým cílem.
Nebylo by snazsi nepouzit integrovany prijmac?
Zdravim,
chtel bych se zeptat, zda by misto pomerne slozite vstupni casti nebylo snazsi pouzit intergovany IR prijmac, treba
http://www.gme.cz/ir-prijimace-vysilace/tsop31236-p520-055/
Tento kontretne je na nosnou frekvenci 36kHz, ma intergovany filtr a jedine, co zbyde na procesor je dekodovat prijaty signal. Pred delsi dobou jsem ho pripojil k 89S51 a pouzil k dalkovemu ovladani zesilovace (jako vysilac jsem pouzil dalkovy ovladac od TV) - funguje to velmi dobre (i odrazem od zdi) z pomerne velke vzdalenosti.
Myslim si, ze by tyo celou konstrukci zjednodusilo a mozna i zlevnilo.
Pekny den.
Jak bylo v článku vysvětleno,
Jak bylo v článku vysvětleno, Vámi navrhovaný integrovaný přijímač s amplitudovým demodulátorem je pro popsaný inovativní princip modulace nepoužitelný, je určen pro příjem tradičního amplitudově modulovaného signálu. Na popsané řešení pohlížejte jako na vzorové. Složitým by se mohlo jevit, pokud by pro příjem IR signálu s fázovou modulací v low-cost produkci byl k dispozici integrovaný přijímač.