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.

Принцип работы ИК приемника

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 кодировнной 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, настороенный 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:

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. Опто-волоконные линии связи используют ИК излучение ближней и средней области спектра (некоторые и видимого) для передачи данных.

Часть информации о протоколах приведена в переводе с сайта sbprojects.com, другая часть - собственные исследования и анализ разрозненных данных из всемирной паутины.