Маленькие красные глазки

Да, много появилось у народа всяких хитрых приборов – цифровые фотокамеры, органайзеры (это так называемые “записные книжки” - для тех, кто не знает), ноутбуки, мобильные телефоны… И все эти штуки (ну, или почти все) имеют некое средство, с помощью которого они могут общаться с настольным компьютером – “инфракрасный порт”. Основы для появления и совершенствования девайсов с “глазастой” технологией были заложены еще в 1993 г., когда была образована международная организация The Infrared Data Association. Задачи этой организации – создание и распространение стандартов для недорогих устройств, передающих данные с помощью инфракрасного излучения, при этом должна обеспечиваться совместимость устройств от разных производителей.

В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1, кроме которого встречаются и собственные разработки фирм. Основные характеристики интерфейсов по скоростям следующие:

IrDA SIR (Slow Infra Red) – 9,6 – 115,2 Кбит/с;

IrDa MIR (Middle Infra Red) – 1,2 Мбит/с;

IrDA FIR (Fast Infrared) - Infra Red 4 Мбит/с;

Sharp ASK (Amplitude Shifted Keyed IR) - 9,6 – 57,6 Кбит/с.

Планируется развивать технологию, шире внедряя протоколы физического уровня FIR(Fast Infrared) и VFIR (Very Fast Infrared). Они отличаются скоростью передачи данных (4 Мбит/с и 16 Мбит/с соответственно). Когда станут более доступными микросхемы, которые могут это дело реализовать, скорость передачи данных наконец-то перестанет раздражать большинство пользователей…

Технология, которую создали в IRDA, подразделяется на две части: IRDA-D (Infrared Data Technology) – взимодействие по типу “точка-точка” с файл-ориентированной передачей данных и IRDA-C (Infrared Control Technology) – управление и взаимодействие с периферийными устройствами. Естественно, что “перемигивание” упомянутой выше техники с компьютером чаще всего относится к первому разделу.

Наличие ИК порта в современных компьютерах – вещь практически необходимая (естественно, для тех, у кого есть что стыковать…). На современных материнских платах большинства производителей предусмотрен специальный разьем – Infrared Module Connector для подключения небольшого модуля, который и обеспечит взаимодействие компьютера с периферией. Программная поддержка такого устройства – обычное дело для современных операционных систем.

А что же установлено внутри у этого самого “специального модуля”? Заглянем?...

В театре все начинается с вешалки, а в модуле приемника-передатчика – с микросхемы.

Специализированные микросхемы для этих модулей выпускают многие фирмы, вот примеры:

Infineon Technologies Corp (IRMS5000, IRMS5100),

Hewlett-Packard (HDSL-1001,HDSL-3000),

Rohm (RPM851A),

Vishay Telefunken (TFDU4100, TFDU4200, TFDU4400, TFDU4500),

IBM (IBM31T110A),

Zilog (ZHX1000, ZHX1010, ZHX1810), и множество других.

Они различаются (как правило, незначительно) схемами включения и разводкой выводов. Скорости поддерживаются в диапазоне от 9,6 до 115 Кбит/с. На скоростях до 115,2 Кбит/с для инфракрасной связи используются UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter – универсальный асинхронный приемопередатчик), совместимые с UART 16450/16550. В современных системных платах на использование инфракрасной связи может конфигурироваться порт СОМ2. На средних и высоких скоростях обмена приеняются специальные микросхемы, ориентированные на интенсивный программно-управляемый обмен или DMA, с возможностью использования прямого управления шиной (Bus Mastering).

Рассмотрим структурную схему одного из вариантов микросхем (но не всегда и не для всех доступного).

Функциональная схема чипа IRMS5000 изображена на рисунке 1. Приемная часть состоит из инфракрасного фотодиода-приемника VD1, регулируемого дифференциального усилителя А1, фильтра нижних частот (ФНЧ) Z1, компаратора (устройства сравнения) U1, подавителя внешнего освещения с цепью автоматической регулировки усиления А3 и оконечного усилителя приемника А5, имеющего выход с тремя состояниями.

Система управления питанием А2 дает возможность запретить передачу и перевести микросхему в режим низкого энергопотребления, весьма желательный для устройств с автономным питанием. Входные и выходные сигналы совместимы по уровням с ТТЛ и КМОП микросхемами, что позволяет напрямую соединять ее с другими устройствами. Функциональное назначение выводов IRMS5000 приведено в таблице 1.

Таблица 1

При подаче на вход TxD импульса положительной полярности (уровень меняется с низкого на высокий) микросхема генерирует импульс тока через излучающий диод VD2, длительность “вспышки” будет соответствовать длительности входного импульса. При засветке приемного фотодиода VD1 световым импульсом на выходе RxD приемника формируется импульс соответствующей длительности, но уровень на выходе приемника будет меняться с высокого на низкий.

Схема ИК модуля была опубликована в журнале “Радио”, №9 за 2001 год. Статья так и называется “Модуль ИК порта для ПК” , автор – А.Шувариков. Вот и принципиальная схема:

Микросхема IRMS5000 использована в типовом включении. Резистор R1 ограничивает максимальный ток через излучающий светодиод (его величину при использовании микросхем других типов необходимо уточнить).

Согласно рекомендациям изготовителя, как можно ближе к корпусу микросхемы между выводами питания включены керамический коденсатор С1 и оксидный С2.

В упомянутой журнальной статье приводится рисунок печатной платы, рассчитанной на установку SMD компонентов для поверхностного монтажа. Без каких-то изменений в схеме может быть использована микросхема IRMS5100.

Готовую плату можно укрепить на обратной стороне крышки для пятидюймового отсека. Размеры окошка перед платой будут зависеть от расстояния между плоскостью крышки и оптикой микросхемы (линзами на ее поверхности). Эти данные можно узнать из все той же статьи.

Разводка выводов Infrared Module Connector для материнских плат может быть различной, в каждом конкретном случае лучше заглянуть в руководство.

Вот один из вариантов:

Программное обеспечение для такого модуля в ОС Windows 9x, Windows Ме, Windows 2000 отличаются, но незначительно. Установка ПО сводится к определению в BIOS режимов работы UART таким образом:

UART Mode Selection – IrDA;

UART Duplex Mode – Half;

Rxd, TxD Active – Lo, Hi;

IR Transmittion Delay – Enabled.

После сохранения выбранных установок в BIOS производится перезагрузка ПК. В процессе инициализации устройств Plug and Play ОС обнаружит новое устройство - Serial Infrared Port, установит для него соответствующие драйвера и предложит перезагрузку, после чего порт будет готов к работе. Его дальнейшее применение будет зависеть от взаимодействующего с ПК устройства и используемого для этого программного обеспечения.

Данная краткая информация может пригодиться при разработке, наладке или ремонте модулей. За более полной документацией следует обратиться на страничку производителя. Для контроля прохождения сигналов лучше пользоваться осциллографом, хотя в некоторых случаях может быть достаточно простого тестера.

Как-то в одной из многочисленных конференций встретился вопрос о том, как можно реализовать такой модуль на дискретных элементах (в переводе на человеческий язык, отдельных транзисторах, резисторах и т.д.). Из приведенного выше примера видно, что все-таки лучше использовать специализированные микросхемы. Хотя, учитывая “стандартность” уровней сигналов, попробовать все-таки можно. Попытаемся?

ВНИМАНИЕ! Данная разработка – чистый эксперимент, который нежелательно проводить на ценных материалах (дорогих системных платах). Поэтому испытывать и дорабатывать ее (при необходимости) вам придется на свой страх и риск (стандартное примечание, не правда ли?).

Схема, с помощью которой можно попытаться сотворить чудо, приводится на рисунке (хотя чуда может и не произойти…).

Приемник инфракрасного сигнала выполнен на транзисторе VT1 и фотодиоде VD1. В исходном состоянии сопротивление фотодиода велико, транзистор открыт. На входе элемента DD1.1 высокий уровень, на выходе элемента DD1.2 – тоже “единица”. При засветке фотодиода достаточным уровнем излучения транзистор закроется, и уровень на входе элемента DD1.1 прейдет в “ноль”. На выходе DD1.2 тоже будет “ноль”. Таким образом, логика работы схемы совпадает с требуемой – посмотрите описание IRMS5000. Недостаток данной схемы – малая чувствительность приемника.

Сигнал на передачу со входа TxD поступает на элемент DD1.3, затем на DD1.4 (возможно, на входе придется поставить эмиттерный повторитель для согласования с “компьютерным” сигналом). После триггеров Шмитта сигнал поступает на шестерку мощных инверторов, включенных параллельно (это нужно, чтобы обеспечить требуемый ток в случае использования мощных излучающих диодов, например, “лазерной указки”). Если будет применяться маломощный диод, можно уменьшить число задействованных элементов (но для повышения надежности их лучше оставить). Здесь логика работы тоже будет соответствовать работе микросхемы IRMS5000 – при подаче положительного импульса на вход светодиодом-излучателем VD4 будет выдан “световой” импульс соответствующей длительности.

Триггеры Шмитта формируют сигнал, придавая ему более прямоугольную форму. Обычные логические элементы такой способностью не обладают.

В качестве фотодиода и светодиода можно попробовать применить оптопару из старых “мышей”, только нужно правильно определить, “что есть что”. Приемный фотодиод обычно печатными проводниками соединен с микросхемой контроллера, излучающий светодиод подсоединен к “общему” проводу и через резистор – к “питанию”. Устанавливать фотодиод придется так, чтобы не было прямой засветки от “своего” излучателя. В данной схеме отсутствует автоматическая регулировка усиления приемника, поэтому также необходимо избегать боковой засветки от посторонних источников (можно, конечно, попробовать применить кусок схемы из приемника системы дистанционного управления от телевизора, но полностью, без переделок, она не подойдет). Еще, возможно, придется подбирать полярность подключения фотодиода – ведь под рукой могут оказаться диоды самых различных типов, и добиваться четкого срабатывания схемы придется долго (у автора в схеме были опробованы самые различные фотодиоды – начиная от выпущенных лет 30 назад до выдранных из компьютерных “мышей”). Возможно, также придется подбирать количество диодов, подключенных последовательно излучателю, или установить вместо них гасящий резистор, чтобы уменьшить ток через светодиод. Не исключено, что дальность связи будет очень малой, но это же все-таки эксперимент. Можно попробовать поставить в качестве излучателя “лазерную указку”, но тогда придется изготавливать специальный штатив, да и со стандартными приемниками такая штука работать не сможет – только если изготовить точно такой же девайс и установить у знакомого в доме напротив. Только вот неизвестно, как потом все это будет работать – если вдруг система начнет требовать какие-нибудь программы, драйвера…

Питание +5 Вольт лучше брать не с разъема Infrared Module Connector – неизвестно, какой ток выдержит тоненький печатный проводник. Достаточно подключиться к контакту +5 В на одном из разъемов питания.

Данную схему опробовать оказалось не на чем – ну нет под рукой ничего с “маленькими красными глазками”! Так что дело за отважными людьми, у которых есть немного времени и которые ничего не боятся.

Удачи в экспериментах!