许多计量和分项计量应用需要使用到红外(IR) LED通信，这是一种低成本的通用接口，常在制造过程中使用，也可作为维护配置用接口或用于手持设备和移动设备读出内部数据或内部系统参数。一些欧盟标准，如EN1434-3的要求光接口符合EN62056-21。使用两个单独的红外LED(一个用于接收，一个用于发送)。IEC62056-21(在欧洲也被称为EN62056-21)红外通信在全世界电表中非常流行。

1 系统描述

在现在有着各种各样的IR通信解决方案，如集成了TX/RX 红外LED模块，其包含两个LED，一个用于发送，一个用于接收操作，双LED红外模块易于集成和缩短开发时间，因为它们可同时处理红外信号的放大和解调。然而，这是需要付出成本代价的。另一种方法是在一个MCU设备内处理调制和解调，但对MCU资源提出了要求，如需要超低功耗定时器和比较器，并且对速率也有一定的要求。

而本文介绍的是一个更简单的解决方案，使用单个TSPF6200 IR LED代替双LED方式。这一方式对软件要求更高，但同时也是最低组件成本的解决方案。通过单片机实现红外LED的发射和接收控制，以及红外串口双向通信的定时控制。但需要注意，如果两个单独的IR LED没有与分计设备中的单个LED充分对齐，智能仪表设备中的单个IR LED可能还需要一个HHU中的单个IR LED来支持两种传输和接收模式。最大的光谱强度在发射是沿着LED的中心轴，发射和接收红外LED之间的任何错位都会降低光谱强度，从而减少红外光学链路可正确识别的距离。本文的设计是一个双向红外通信子系统，支持IrDA PHY1.4规范的强制性9600bps数据速率。本文的设计解决方案可以集成在任何计量应用，由于其简单的电路和超低的功耗水平，特别适用于智能燃气、水和热量表等应用。

本设计的主要组成包括以下两个部分：

（1）CC1350无线SoC(包括用于超低功耗实现的传感器控制器引擎)

（2）TSPF6200红外LED具有890 nm的峰值传输波长和最大光谱灵敏度在860到870 nm。

2 系统关键参数

3 系统框图

图1 设计系统框图

4 硬件

4.1 硬件

本设计的硬件很简单:R2 = 62 Ω和D1 = TPSF6200，这是最低要求的组件。元件R3 = 511 kΩ和C2 = 1.00 MΩ（可选）建立一个1.87 V参考电平的外部电压分压器(当VDD为3.3 V时，SRF06EB板为TIDA-00848 HCA板)。1.87 V参考馈送到传感器控制器内部COMPA模块的REF引脚。

图2 原理图

4.2 关键元器件

CC1350是CC13xx和CC26xx家族中第一款具有低成本的超低功耗无线mcu，支持Sub-1 GHz和2.4 GHz RF频率。CC1350在支持多个物理层和射频标准的平台上结合了一个灵活的、超低功耗的射频收发器和一个强大的48 Mhz ARM®Cortex®-M3 内核。专用无线电控制器(Cortex-M0)处理存储在ROM或RAM中的底层射频协议命令，从而确保超低功耗和处理Sub-1 GHz协议和2.4 GHz协议的灵活性。ARM Cortex-M3的运行频率高达48 MHz，系统内置可编程Flash 128KB，8KB的SRAM作为缓存(或作为通用RAM)，和20 KB的超低泄漏SRAM在设备中。该传感器控制器经过超低功耗的优化。CC1350控制器采用16位架构，拥有12-Bit ADC，具有专用的2KB超低泄漏SRAM用于代码和数据。使用XOSC_LF时，CC1350在3.6V时的待机电流通常为0.8µA。

5 软件

第一个IrDA PHY标准在1994年发行,描述了IrDA兼容传输模式，有时也称为SIR。为了省电将比特长度缩短至原长度的3/16(详见表1)，这有利于延长电池驱动的智能计量和分计量装置有效工作的时间。红外发射LED被驱动以一个简单的脉冲序列发送光信号传输到接收器。这种类型的传输覆盖了高达115.2 kbit/s的数据范围，这是标准UART支持的最大数据速率。IrDA所需的最小传输速度仅为9600bps。所有传输必须在9600bps启动，以实现设备兼容性;建立双向IR链路后，可以协商更高的数据速度。

表1 IrDA PHY定义

IrDA接收和发送操作的超低功耗软件实现是在CC1350的传感器控制器引擎(SCE)内处理的。后者定期启用和检查红外LED在接收模式下的输入信号。通常，这是默认的操作模式，其中计量节点(例如，水表或HCA设备)将轮询IR LED来获取传入的唤醒命令字节。轮询周期可以通过CCS开源项目进行调整，通过修改TRXIRLED任务的TI RTOS周期或在SCE命令中使用不同的tick sleep周期命令来调整。通常，这个轮询周期不会超过2到3秒;为了避免这样长时间的唤醒周期，本设计使用1秒进行实际的负载循环和功耗估计。1秒周期也用于CapTouchButton任务，并允许SCE每秒钟顺序执行两个任务，作为低功耗和可接受的IR响应延迟和CapTouch检测延迟之间的折中方案。此外，一个单独的SCE示例代码项目还支持流行的NEC IR协议，该协议广泛应用于消费电子产品，如电视、SAT接收机等。

6 测试结果

下图为来自Tevion遥控(RC)的红外发射信号，其中Tevion RC的密钥“1”在irSIG中被检测和解码为32位[2-33]。最初的两个irSIG[0:1]数组元素在高周期(9 ms)保存79个112.5 μs的滴答定时器计数，在低周期(4.5 ms)保存41个滴答定时器计数。由于RC(发射机)和接收器(被测设备)之间的相位差，前期和后期LOW相位的滴答数将在79和40左右变化，其中大部分为±1的滴答数。RC密钥“1”在第三字节irSIG[18-25]中被编码为“1000 0000”，同样的值被反转传输，正如在irSIG[26-33]中看到的“0111 1111”。下图3显示了Key 1具有两个I/O (TX和RX_ENB);需要注意的是，右边的最后一个脉冲是“消息结束”的脉冲。

图3 红外信号测试

本设计的功耗采用Agilent测量单元进行测量，用于电池电流测量和分析。根据时间测量，工作平均电流为1.731µA。

5 结束语

目前大多数计量应用产品通常由电池供电，而红外LED通信满足了超低功耗和低成本的要求。本文介绍的是一种极为简单的双向LED通信解决方案，使用单个TSPF6200 IR LED代替双LED方式实现了单路双向LED通信，由于功耗低、成本低、易开发等优点，有利于广泛的应用在燃气表、水表和热能表等使用电池供电的计量和子计量产品中，具有非常大的理论意义和实用价值。

参考文献：

[1]韩慧,曹帮琴,倪荣军.基于MSP430单片机的红外光通信装置的设计与实现[J].科技通报,2014,(11).72-74.

[2]陈惠特.基于单片机的红外遥控系统设计[J].信息通信,2015,(3).49.