自制PC机红外线接口电路设计与原理分析(Irda)
作者：dolphin时间：2016-09-29
红外线通讯是一种廉价、近距离、无连线、低功耗和保密性较强的通讯方案，在PC 机中主要应用在无线数据传输方面，但目前已经逐渐开始在无线网络接入和近距离遥控家电方面得到应用。
鉴于红外线通讯的诸多好处，现在的主板几乎全部提供了红外线接口，以便用户利用它进行与带红外线接口的设备通讯，如笔记本电脑、打印机、Modem、掌上电脑、移动电话等等。但计算机主板上仅仅提供了红外线接口，并未提供完整的发射接收装置，所以用户在想使用红外线通讯时，仍然需要购买红外线连接器。
目前市面上较少有商品化的连接器销售。下面就介绍三个 DIY 方案，以供大家参考。
一、主板红外接口
主板上的红外线接口大多是一个5针插座，其管脚定义依次是：
1. IRTX（Infrared Transmit，红外传输）；
2. GND（电源地线）；
3. IRRX（Infrared Receive，红外接收）；
4. NC（未定义）；
5. VCC（电源正极）。
根据IRDA（Infrared Data Association，红外数据协会）提供的“异步串行通讯标准”资料显示，IRTX引脚能提供 6.0mA 的输出电流，而 IRRX 引脚在吸收1.5mA 电流就能对输入信号作出反应。资料同时显示红外线接口的发射部分已将传输数据进行 38kHz 的载波，而接收部分将进行信号分离处理，所以在制作接口电路时无须再考虑载波和分离电路。
二、标准红外接口
下图为 IRDA 提供的红外通讯电路标准方案。
红外发射电路由红外线发射管L2和限流电阻R2组成。当主板红外接口的输出端IRTX输出调制后的电脉冲信号时，红外线发射管将电脉冲信号转化为红外线光信号发射出去。电阻R2起限制电流的作用，以免过大的电流将红外管损坏。当R2的阻值越小，通过红外管的电流就越大，红外管的发射功率也随电流的增大而增大，发射距离就越远，但R2的阻值不能过小，否则会损坏红外管或主板红外接口！红外接收电路由红外线接收管L1和取样电阻R1组成。当红外接收管接收到红外线光信号时，其反向电阻会随光信号的强弱变化而相应变化，根据欧姆定律可以得知通过红外接收管L1和电阻R1的电流也会相应变化，而在取样电阻两端的电压也随之变化，此变化的电压经主板红外接口的输入端IRRX输入主机。由于不同的红外接收管的电气参数不同，所以取样电阻R1的阻值要根据实际情况作一定范围的调整。
该电路为IRDA的标准方案，一般的DIY可以使用该电路。电路虽然很简单，但其性能还是不错的，我用该电路连接笔记本电脑，在没有误码的情况下，传输速度可以达到57.6Kbps！
三、扩展红外接口
下图为 IRDA 提供的红外通讯电路扩展方案。
该电路是在标准电路的基础上，增加了抗干扰电路和增大发射功率电路。抗干扰电路由电阻R4、电解电容E1、E2、独石电容C2、C3组成，主要是滤除PC机电源中的干扰波。如果您的机器电源质量较好的话，可以省略该部分电路。增大发射功率电路由电阻R2、R3、功率三极管P1和电容C1组成，C1的作用是改善输出信号的波形，三极管是放大输出电流，以提高发射功率。
四、增强红外接口
下图为本人根据试验整理的红外通讯电路增强方案。
该电路中主要改进的地方是发射部分采用对管放大，进一步提高了发射功率；而接收部分采用三极管对接收信号进行放大，提高了接收的灵敏度。工作原理可以参考上面的叙述。
五、系统设置
系统的设置分为BIOS和操作系统两部分。在BIOS中将红外线接口打开，接口一般与COM2使用同一地址和中断，所以在打开了红外接口后，COM2口会不能使用，如果您有其他设备使用COM2口时要注意！操作系统的设置一般系统在找到红外接口后。会自动设置完成。用户要注意在使用红外接口时，要记住打开红外线接口，就是双击“红外线监视器”，在“选项”中，将“启动红外线接口”选上即可。相信大家都会的，我就不多说了。
六、元器件选择
元器件的选择主要是发射管和接收管的测试。
1. 测试红外发射管：红外发射管实际上是一个特殊的二极管，用万用表电阻档测量，发射管的反向电阻通常为无穷大，正向电阻一般为500K左右。如果您有一台笔记本电脑，可以由PC机的红外接口引出IRTX和GND两条线，IRTX连接发射管的正极，GND连接发射管的负极，将发射管对准笔记本电脑的红外线发射窗口，在笔记本电脑的“红外线监视器”中会发现“你的PC”。
2. 测试红外接收管：红外接收管也是一个二极管，测量时，它的正向电阻大于500K，而且不受光照的影响，反向电阻在没有光线直射时，一般大于300K，强光照射时应小于10欧，有时会为负数，这是因为在强光照射时，二极管的PN结将获得的光能转化为电能，形成了0.7V的结电压。
七、联机调试
由于红外收发器的电路相对简单，所以调试也很方便。发射部分基本上不用调试，注意检查发射管的极性连接是否正确。接收部分同样要注意接收管的极性是否连接正确。
在通讯时，IRTX和GND之间应该有0.7V左右的电压波动，如果没有就是红外接口有问题，或者是红外接口没有打开；IRRX和GND之间同样有0.7V的电压波动，如果波动范围较小，可以调整取样电阻，加大它的阻值，但不要太大，否则会降低接收的抗干扰能力。在联机正常的情况下，可以将笔记本电脑放远些，再调整取样电阻，使通讯距离尽量大些。其他的增大通讯距离的方法还有几个：可以在接收管前面加一个红色滤光片，以滤除其他光线的干扰；还可以在接收管和发射管前面加凸透镜，提高其光线采集能力等等。
鉴于红外线通讯的诸多好处，现在的主板几乎全部提供了红外线接口，以便用户利用它进行与带红外线接口的设备通讯，如笔记本电脑、打印机、Modem、掌上电脑、移动电话等等。但计算机主板上仅仅提供了红外线接口，并未提供完整的发射接收装置，所以用户在想使用红外线通讯时，仍然需要购买红外线连接器。
目前市面上较少有商品化的连接器销售。下面就介绍三个 DIY 方案，以供大家参考。
一、主板红外接口
主板上的红外线接口大多是一个5针插座，其管脚定义依次是：
1. IRTX（Infrared Transmit，红外传输）；
2. GND（电源地线）；
3. IRRX（Infrared Receive，红外接收）；
4. NC（未定义）；
5. VCC（电源正极）。
根据IRDA（Infrared Data Association，红外数据协会）提供的“异步串行通讯标准”资料显示，IRTX引脚能提供 6.0mA 的输出电流，而 IRRX 引脚在吸收1.5mA 电流就能对输入信号作出反应。资料同时显示红外线接口的发射部分已将传输数据进行 38kHz 的载波，而接收部分将进行信号分离处理，所以在制作接口电路时无须再考虑载波和分离电路。
二、标准红外接口
下图为 IRDA 提供的红外通讯电路标准方案。
红外发射电路由红外线发射管L2和限流电阻R2组成。当主板红外接口的输出端IRTX输出调制后的电脉冲信号时，红外线发射管将电脉冲信号转化为红外线光信号发射出去。电阻R2起限制电流的作用，以免过大的电流将红外管损坏。当R2的阻值越小，通过红外管的电流就越大，红外管的发射功率也随电流的增大而增大，发射距离就越远，但R2的阻值不能过小，否则会损坏红外管或主板红外接口！红外接收电路由红外线接收管L1和取样电阻R1组成。当红外接收管接收到红外线光信号时，其反向电阻会随光信号的强弱变化而相应变化，根据欧姆定律可以得知通过红外接收管L1和电阻R1的电流也会相应变化，而在取样电阻两端的电压也随之变化，此变化的电压经主板红外接口的输入端IRRX输入主机。由于不同的红外接收管的电气参数不同，所以取样电阻R1的阻值要根据实际情况作一定范围的调整。
该电路为IRDA的标准方案，一般的DIY可以使用该电路。电路虽然很简单，但其性能还是不错的，我用该电路连接笔记本电脑，在没有误码的情况下，传输速度可以达到57.6Kbps！
三、扩展红外接口
下图为 IRDA 提供的红外通讯电路扩展方案。
该电路是在标准电路的基础上，增加了抗干扰电路和增大发射功率电路。抗干扰电路由电阻R4、电解电容E1、E2、独石电容C2、C3组成，主要是滤除PC机电源中的干扰波。如果您的机器电源质量较好的话，可以省略该部分电路。增大发射功率电路由电阻R2、R3、功率三极管P1和电容C1组成，C1的作用是改善输出信号的波形，三极管是放大输出电流，以提高发射功率。
四、增强红外接口
下图为本人根据试验整理的红外通讯电路增强方案。
该电路中主要改进的地方是发射部分采用对管放大，进一步提高了发射功率；而接收部分采用三极管对接收信号进行放大，提高了接收的灵敏度。工作原理可以参考上面的叙述。
五、系统设置
系统的设置分为BIOS和操作系统两部分。在BIOS中将红外线接口打开，接口一般与COM2使用同一地址和中断，所以在打开了红外接口后，COM2口会不能使用，如果您有其他设备使用COM2口时要注意！操作系统的设置一般系统在找到红外接口后。会自动设置完成。用户要注意在使用红外接口时，要记住打开红外线接口，就是双击“红外线监视器”，在“选项”中，将“启动红外线接口”选上即可。相信大家都会的，我就不多说了。
六、元器件选择
元器件的选择主要是发射管和接收管的测试。
1. 测试红外发射管：红外发射管实际上是一个特殊的二极管，用万用表电阻档测量，发射管的反向电阻通常为无穷大，正向电阻一般为500K左右。如果您有一台笔记本电脑，可以由PC机的红外接口引出IRTX和GND两条线，IRTX连接发射管的正极，GND连接发射管的负极，将发射管对准笔记本电脑的红外线发射窗口，在笔记本电脑的“红外线监视器”中会发现“你的PC”。
2. 测试红外接收管：红外接收管也是一个二极管，测量时，它的正向电阻大于500K，而且不受光照的影响，反向电阻在没有光线直射时，一般大于300K，强光照射时应小于10欧，有时会为负数，这是因为在强光照射时，二极管的PN结将获得的光能转化为电能，形成了0.7V的结电压。
七、联机调试
由于红外收发器的电路相对简单，所以调试也很方便。发射部分基本上不用调试，注意检查发射管的极性连接是否正确。接收部分同样要注意接收管的极性是否连接正确。
在通讯时，IRTX和GND之间应该有0.7V左右的电压波动，如果没有就是红外接口有问题，或者是红外接口没有打开；IRRX和GND之间同样有0.7V的电压波动，如果波动范围较小，可以调整取样电阻，加大它的阻值，但不要太大，否则会降低接收的抗干扰能力。在联机正常的情况下，可以将笔记本电脑放远些，再调整取样电阻，使通讯距离尽量大些。其他的增大通讯距离的方法还有几个：可以在接收管前面加一个红色滤光片，以滤除其他光线的干扰；还可以在接收管和发射管前面加凸透镜，提高其光线采集能力等等。
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