一体化红外线接收模块及其在红外抄表通讯中的应用

一体化红外线接收模块及其在红外抄表通讯中的应用

韩茂生

深圳供电局有限公司  广东 深圳   518000

摘要：随着电力自动化和智能化的发展，抄表自动化的要求越来越高，目前，市场上用于实现抄表自动化需要的仪表模块主要是以Temic 公司的红外线接收模块 TSOP 18 xx 系列芯片为代表的通用型模块，本文介绍了一种一体化红外线接收模块技术和基于该技术的红外抄表通讯方案。

关键词：TSOP 1838芯片；一体化红外线接收模块；红外抄表通讯

1 引言

目前，用于实现抄表自动化的仪表模块主要是以Temic公司的TSOP 18 xx系列芯片为代表的通用型模块，该系列芯片具有体积小、功耗低、功能强等等优点。其中，TSOP 18 xx系列芯片内置红外通信接口，实现红外线通讯；另外还有一些专用芯片，如C8051F030和C8051F03等，这些专用芯片具有更高的性价比。在实际应用中发现这两种类型的产品不能实现对电表数据进行无线传输，本文介绍一种基于TSOP 1838的红外抄表通讯方案。该红外通讯方案是在红外线通讯模块上增加了一块红外接收模块，通过此模块将采集到的数据实时地发送给控制系统。

2 TSOP18xx系列芯片概述

TSOP18xx系列是由美国 Temic公司研制生产的一种通用型红外接收模块，其产品性能价格比非常高，已广泛应用于各个领域，其中包括：工业控制系统、家电设备和个人健康监护系统等。该产品采用16位单片机进行控制，通过4根双绞线（ADL）或4根光电耦合线与上位机进行通讯，具有功耗低、接收灵敏度高、抗干扰能力强、价格低廉等优点，可广泛应用于电力、煤气、燃气、热力、水及工业过程等领域。

TSOP18xx系列具有以下特点：(1)有：30 kHz,33 kHz,36 kHz,36.7 kHz,38 kHz,40kHz,56 kHz；(2)3~6)V的大范围操作电压；(3)工作电流：3 m A；(4)远程控制：4米以上；(5)内置式金属防护设备；(6)一种集成剪裁电路的功能；(7)各种主要的发送代码；(8)一种在各种情况下也能实现更高的接收灵敏度的智能自动增益控制（AGC）。

TSOP18xx系列红外模组接收端采用了一种黑色的环氧聚焦过滤透镜，该透镜能有效地消除可见光的干扰，并能有效地改善光学系统的可靠性和过滤噪音。该模块包含红外PIN接收管\前置放大器以及解调器.

3 TSOP18xx系列在红外抄表通讯中的应用

在研制单相复费率电表时，笔者选择了38 KHz的红外接收模块TSOP1838作为其信号源，以完成单相复费率电表与抄表机的数据传输，从而实现了抄表机和电表的无线通信。红外通信系统包括两大部分：发送和接收。接收部分的工作原理是TSOP1838接收单相复费率电表存储器中的数据，经过正反极性转换、信号放大和脉冲调制后，送到红外发射二极管H1、H2。

其中接收模块采用光响应中心频率为38kHz的TSOP1838模块,因为红外线发射部分的载波频率为38kHz,所以两者的频率应严格保持一致,这样才能接收到较远距离的红外辐射。当TSOP1838接收到来自远方单相复费率电表存储器的数据后，首先将该数据存储到芯片内部的 FLASH中，然后进行正反极性转换，将正极转换为低电压，反极转换为高电压。这样经过正反极性转换后，红外发射二极管H1和H2的发射部分被高电平覆盖，只有红外接收模块的光响应中心频率高于高电平；在低电平时，TSOP1838模块将高电平置低电平。当红外发射二极管H1和H2再次发射后，其光响应中心频率又变高了。这样，红外发射二极管H1和H2再次接收到来自远方单相复费率电表存储器数据之后才能准确地检测出红外线发射器的发射波。

在红外发射电路设计中选择红外发射二极管时,要注意以下几个问题：第一,红外发射二极管的最大平均输出功率必须大于红外接收模块的噪声要求。因此，在选择红外发射二极管时，既要考虑其功率和噪声，还要注意其工作频率；第二,由于现在大多数红外发射二极管为球面透镜封装,一般发射管的管座直径不大于40 mm，所以红外发射管使用面透镜封装时，其管座直径应大于40 mm。

在红外发射电路设计中,我们采用了两个波长为950nm的红外发射二极管。这两个红外发射二极管的有效辐射波长均为950 nm，这也是现在市场上大多数通用型红外发射二极管的有效辐射波长。TSOP1838模块内安装的红外发射电路应保证其工作频率与红外接收模块内所用频率一致，这样才能防止其他类型发射二极管对红外接收模块的干扰。如，如果此发射二极管的工作频段高于红外接收模块所用频率，在进行数据通讯时会引起误码和噪声。因此，需要采用一种双倍频技术和高线性调频技术相结合的方式来解决这一问题，即在红外线发射二极管H1、H2上加一个倍频晶体或双倍频晶体。另外，TSOP1838内置了抗连续脉动光干扰电路，它可使接收端能承受较长时间的脉动光干扰以保证数据传输的可靠性。

4 红外通信程序设计

为了保证数据传输的正确性，红外通讯程序主要由数据帧、控制码和校验和三部分组成。数据接收帧中包括地址码、数据块长度、校验和及数据包结束标志16H。地址码作为发送指令，是整个通讯过程的基础，也是接收方能确定发送的信息是否存在并确认接收的依据。控制码位于接收帧中，起着控制作用，它将接收帧中的命令、数据进行编码存储，并作为系统参数使用。校验和为对每个字符进行校验，以确定字符是否正确识别。其中地址域为12位BCD码,控制码C是为了识别是读还是写数据,数据域包括数据标识和数据、密码等,其结构随控制码的功能而改变。

为了提高可靠性,传输时在发送方的数据域按字节进行加33H处理,即：3×（ASCII码）。为了保证数据包长度为32位，其中 ASCII码区4个字节、32位长度。数据包结束标志就是4个字符的位置，4个字符对应于一个数据块。数据块长度由发送方控制，每发送一次为33H。当接收方确定一个数据块的起始地址时，则开始传输过程。

在通讯主程序中,首先抄表器要进行波特率、通讯端口、数据位等初始化设置,然后向电表发送3个字节的FEH以唤醒电表。然后抄表器向电表请求读取其地址(表号),然后读取电表的当前纪录，从而完成通讯。整个通讯过程共分三个阶段。

第一步，抄表器读取电表地址（表号）和数据库并将表号输入抄表机；第二步，抄表器调用接收子程序，接收到的数据；第三步，抄表器发送 FEH以唤醒电表。发送子程序先进行波特率初始化，然后根据需要发送数据帧。最后继续发送缓冲区内下一帧数据,直到发送缓冲区数据全部发送完毕,退出通讯。

结束语

总而言之，经过实际测试，本系统能够可靠地进行数据传送，传输速率为1200 bps，传送距离超过4 m。该系统已经在一种新型的单相复费率电能表上得到了成功的应用，其红外通信接口和通信软件的各项性能指标都通过了电力部门的检验，并且已经在一些公司开始批量生产，由此可见，其具有良好的应用价值。

参考文献

[1]王丽,黄朝兵,钟晓杰.一种红外抄表系统的设计与实现[J].信息系统工程,2010,(12):46-49+43.

[2]李博.红外通讯在电能表抄表中的应用[J].上海计量测试,2004,(03):32.

[3]王柏林,侯勇.多功能电度表及红外抄表器的红外通讯设计[J].电测与仪表,2001,(11):33-37.