Передача сигнала ик что это

Как работает икрокрасный порт

В двухтысячных инфракрасный порт был в каждом крутом мобильнике, а сейчас он остался всего в паре моделей. Рассказываем, почему так произошло и как вообще работает ИК-порт.

Как устроена инфракрасная связь

Представьте, что есть две башни на каком-то расстоянии друг от друга. На одной стоит человек с фонариком, на другой — человек с блокнотом. Человек с фонариком светит азбукой Морзе в сторону человека с блокнотом. Тот записывает и расшифровывает сигналы.

Теперь представьте, что фонарик не обычный (с видимым светом), а необычный — он светит в инфракрасном диапазоне. Человек обычным зрением не видит это излучение, но может увидеть в специальных очках. Такие очки как раз есть у того, кто принимает сигнал.

Вот это и есть инфракрасная связь.

Приёмник и передатчик

Для ИК-связи нужно два устройства — приёмник и передатчик, причём устроены и работают они по-разному.

В передатчике стоит инфракрасный светодиод — специальная лампочка, которая может светиться в инфракрасном спектре, когда через неё проходит ток. Задача передатчика — отправить луч на приёмник и передать данные с помощью этого луча.

Для отправки данных чаще всего используют примерно то же самое, что и в азбуке Морзе — моргают лампочкой с разной частотой, причём каждое такое моргание обозначает что-то своё. Например, если лампочка моргает с интервалом 0,1 сек пять раз подряд, потом делает паузу на полсекунды и всё начинается сначала, то это может означать сигнал включения устройства. Таким образом, чередуя разную частоту моргания, передатчик отправляет на приёмник нужные данные.

Приёмник устроен иначе — в нём нет светодиода, но есть фотореле. Оно может улавливать инфракрасный свет и преобразовывать его в электрические импульсы. Дальше устройство расшифровывает то, что получил приёмник, и выполняет нужные команды. Или не выполняет — если приёмник получил команду, которой нет в устройстве.

Чтобы ИК-связь работала, оба устройства должны находиться в зоне прямой видимости. Это значит, что между ними не должно быть преград, чтобы луч мог спокойно долететь от одного устройства к другому. Если стать на пути луча, связи не будет — и это самое большое ограничение ИК-связи, из-за чего её мало где используют.

Однонаправленная связь: пульт дистанционного управления

Самое популярное решение для инфракрасной связи — пульты дистанционного управления от телевизоров. В них передача данных работает только в одном направлении — от пульта к телевизору. Для этого в телевизор ставят приёмник, а в пульт — передатчик, так получается проще и дешевле. При этом пульт не знает, получил ли телевизор нужную команду и смог ли её обработать: всё, что он делает, это отправляет команды.

Смысл в том, что когда есть ведущее и ведомое устройство, можно обойтись одной парой устройств. В случае с пультом за верную отправку сигналов отвечает человек — если что-то не сработало, он нажмёт кнопку на пульте ещё раз. Но если нужно не просто отправить данные, но и убедиться в том, что они приняты верно, нужна двусторонняя связь.

Главная уязвимость ИК-связи

Главная уязвимость ИК-связи в том, что приёмники принимают излучение от чего угодно. Если оно излучает в ИК-спектре, для приёмника это уже сигнал. Этим пользуются, например, универсальные пульты от телевизора: телевизору не так важно, откуда пришёл сигнал — с оригинального пульта или клона. Ему главное — чтобы совпали команды.

Зная команды нужных устройств и имея в распоряжении передатчик ИК-сигналов, можно перехватить управление — например, включить или выключить телевизор в школьном классе во время урока; отключить информационное табло в аэропорту, поменять канал телевизора в витрине магазина.

ИК-порт в телефонах

Раньше чтобы отправить мелодию или картинку с одного телефона на другой, нужно было использовать ИК-порт: блютус тогда только начинал развиваться, Телеграма не было, а вайфай был совсем экзотикой. В двухтысячные это было самым популярным способом что-то передать друг другу: включаем ИК-порты и кладём телефоны рядом друг с другом на пару минут:

Чтобы всё это работало, в телефон ставили одновременно приёмник и передатчик — так телефоны могли установить двухстороннюю связь и сообщить друг другу, если что-то пошло не так в процессе передачи. Скорость передачи данных была тоже медленной: чтобы передать картинку 320×240 пикселей, нужно было ждать примерно 30 секунд, а на отправку мелодии требовалось несколько минут.

Потом ИК-связь оптимизировали и сделали её гораздо быстрее (10 мегабит в секунду), но было уже поздно — появился быстрый блютус, полноценный мобильный интернет, аська для передачи данных и вайфай.

ИК-связь сейчас

В 2021 году ИК-порт ставят только в некоторые модели смартфонов, да и то их количество плавно сокращается. Причина в том, что даже с супербыстрой передачей данных инфракрасная связь мало кому нужна: гораздо проще отправить данные по почте или кинуть в мессенджер, чем направлять телефон на другой телефон и стоять рядом.

ИК-связь всё ещё нужна в промышленности и в отдельных бизнесовых сферах. Например, если вы придёте на иноязычную пресс-конференцию, вам могут выдать наушники с инфракрасным приёмником — перевод будут транслировать с помощью инфракрасных излучателей в комнате.

Ещё с помощью ИК могут собирать данные с промышленных датчиков и актуаторов, ИК-излучение нужно для навигации роботов и в компьютерном зрении. Но точно не для передачи рингтончиков. Ушла эпоха.

Инфракрасная связь

IrDA — Infrared Data Association, ИК-порт, Инфракрасный порт — группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве носителя.

Является разновидностью атмосферной оптической линии связи ближнего радиуса действия.

Была особо популярна в конце 1990-х начале 2000-х годов. В данное время практически вытеснена более современными способами связи, такими как WiFi и

Скоростные возможности, напротив, до сих пор, в несколько раз превышают, например, возможности последней, на сегодняшний момент, версии протокола Bluetooth (спецификация 2.0).

IrDA спецификации включают в себя IrPHY(SIR, MIR, FIR, VFIR, UFIR), IrLAP, IrLMP, IrCOMM, Tiny TP, IrOBEX, IrLAN, IrSimple и IrFM(находится в разработке).

Содержание

Аппаратная реализация

Аппаратная реализация, как правило, представляет собой пару из передатчика, в виде светодиода, и приемника, в виде фотодиода расположенных на каждой из сторон линии связи. Наличие и передатчика и приемника на каждой из сторон явлеяется необходимым для использования протоколов гарантированной доставки данных.

В ряде случаев, например при использовании в пультах дистанционного управления бытовой техникой, одна из сторон может быть оснащена только передатчиком а другая только приемником.

Иногда устройства оснащают несколькими приемниками, что позволяет одновременно поддерживать связь с несколькими устройствами. Использование при этом одного передатчика возможно благодоря тому, что протоколы логического уровня, для обеспечения гарантированной доставки данных, требуют лишь незначительного обратного трафика.

Наличие нескольких передатчиков встречается гораздо реже.

Большинство оптических сенсоров, используемых в фото и видео камерах, имеет диапазон чуствительности гораздо шире видимой части спектра. Благодаря этому работающий инфракрасный передатчик можно увидеть на экране или фотоснимке в виде яркого пятна.

Возможности

В повседневной жизни мы постояно сталкиваемся с ИК-портами каждый день.

Дистанционный пульт управления передает команды на телевизор или видеомагнитофон с помощью IrDA. Сейчас ИК-портами все еще оснащается большинство мобильных телефонов, ноутбуков и карманных компьютеров. ИК-портами оснащаются некоторые принтеры и цифровые фотоаппараты. Большинство настольных ПК, напротив, не имеет инфракрасного порта в стандартной системной конфигурации, и для них необходим ИК-адаптер, который подключается к компьютеру через СОМ-порт или в специальный разъем на материнской плате.

Через ИК-порт, с помощью протокола высокого уровня — IrOBEX можно, например, передать , мелодию, картинку или файл на другой мобильник или компьютер, на котором также имеется ИК-порт. Этот же протокол позволяет организовывать синхронизацию данных.

Протокол IrCOMM позволяет использовать мобильный телефон как беспроводной модем.

Протокол IrLAN позволяет подключить связать устройства в локальную сеть, наподобие ПО.

IrPHY

IrPHY (Infrared Physical Layer Specification) — представляет обязательный протокол самого низкого уровня среди спецификаций IrDA. Соответствует физическому уровню сетевой модели OSI

Основные характеристики спецификации IrPHY выглядят следующим образом:

• Дальность: не менее одного метра.ГАМИД
• Минимальное поддерживаемое отклонение от оси приемника/передатчика: не менее 15°.
• Скорость передачи данных: от 2.4 кбит/c до 16 Мбит/c (100 Mбитная версия находится в разработке).
• Модуляция: немодулированный сигнал, без несущей.
• Волновой диапазон: от 850 до 880 нанометров.
• Режим передачи данных: полудуплексный.

Интересно что спецификация не определяет максимальных допустимых значений для таких параметров как дальность или отклонение от оси, тем не менее типичное расположение устройств для организации соедениения подразумевает расстояние от 5 до 50 сантиметров, на одной оси. Устройства с односторонеей связью (например пульт ДУ и телевизор), как правило, поддерживают дальность не менее 10 метров.

Использование полудуплексного режима мотивируется тем, что, при попытке одновременного приема и передачи данных, излучение собственного передатчика будет сильно мешать приему сигнала от передатчика удаленного, что делает реализацию полнодуплексного режима очень сложной и нецелесообразной.

Скорости передачи данных делятся на несколько поддиапазонов — SIR, MIR, FIR, VFIR, UFIR каждый из которых характеризуется не только разными скоростями но и использованием различных кодовых схем. Что, собственно, и делает возможным более быструю передачу данных.

‘Serial Infrared (SIR) использует теже скорости передачи данных, что и встречаются спецификация последовательного соединения RS232 (COM-порт), а именно, 9.6 кбит/с, 19.2 кбит/с, 38.4 кбит/с, 57.6 кбит/с, 115.2 кбит/с. Совпадение поддерживаемых скоростей не случайно, и позвоялет довольно легко реализовать COM IrDA адаптеры.

Как правило наименьшая доступная скорость для устройств составляет именно 9600 бит/с и именно она используется для передачи сигналов поиска, оповещения и сопряжения.

MIR — Medium Infrared — поддерживает скорости передачи данных 0.576 Мбит/с и 1.152 Мбит/с.

Хотя MIR и не является офиициальным термином IrDA, однако то, что схема кодирования используемая для этих скоростей, отлична как от SIR так и от FIR, делает этот термин довольно удобным и распространенным.

Fast Infrared — устаревший термин спецификации IrDA, ранее использовавшийся для обозначения устройсв поддерживающих скорость передчи данных от 9600 бит/с до 4 Мбит/с, что включает в себя и SIR и MIR.

В наше время, как правило, термин FIR используется для обозначения собственно скорости 4 Мбит/с.

Некоторые источники используют термин FIR для обозначения всех скоростей превышающих SIR.

Very Fast Infrared — термин использующийся для обозначения поддержки скоростей передачи вплоть до 16 Мбит/с.

Хотя детали спецификации все еще находятся в состоянии разработки, на данный момент, 16 Мбит/с это самая высокая скорость передачи данных по IrDA поддерживаемая серийными устройствами.

Например инфракрасный передатчик TFDU8108 поддерживает все скорости передачи данных от 9.6 кбит/с до 16 Мбит/с.

Ultra Fast Infrared — находится в состоянии разработки, ожидается что будет поддерживать скорости вплоть до 100 Мбит/с.

IrLAP

Infrared Link Access Protocol — обязательный протокол второго уровня, располагается поверх IrPHY, соответствует канальному уровню сетевой модели OSI.

IrLAP отвечает за:

• Контроль доступа.
• Поиск расположенных вблизи устройств.
• Установление и поддержку двунаправленного соединения.
• Распределение первичной и вторичной ролей среди устройств.

IrLAP делит все сообщающиеся устройства на одно Первичноое и остальные (одно и более) вторичное. Первичное устройство контролирует все Вторичные и может передавать им данные без «разрешения». Вторичное устройство может отправлять данные только по запросу с Первичного.

IrLMP

Infrared Link Management Protocol — обязательный протокол третего уровня. Соответствует сетевому уровню сетевой модели OSI.

Состоит из двух подуровней — LM-MUX (Link Management Multiplexer) и LM-IAS (Link Management Information Access Service).

Перехват инфракрасных пультов с помощью Flipper Zero

Flipper Zero — пацанский мультитул-тамагочи для пентестера
Первый пост
/>

Пульты от телевизоров, кондиционеров, музыкальных проигрывателей передают команды через ИК-порт. Инфракрасный порт во Flipper Zero позволяет рулить всеми ИК-устройствами: перехватывать сигналы пультов и сохранять их на SD-карту, брутфорсить неизвестные коды от бытовой техники и загружать свои коды пультов и новые протоколы.

В статье я покажу:

• Как устроены инфракрасные приемники и передатчики
• Какие бывают цифровые сигналы ИК-пультов
• Перехват и анализ ИК-сигналов
• Как с помощью Flipper Zero стать инфракрасным властелином

Как работает ИК-порт

Инфракрасное излучение — это невидимое для человека электромагнитное излучение с длиной волны от 0,7 до 1000 мкм. Бытовые пульты дистанционного управления используют ИК-сигнал для передачи данных и работают в диапазоне излучения 0,75..1,4 мкм. Микроконтроллер в пульте мигает инфракрасным светодиодом с определенной частотой — так цифровой сигнал становится ИК-сигналом.

Пульт передает данные пакетами ИК-импульсов

Для приема сигнала используют фотоприемник, который преобразует ИК-излучение в импульсы напряжения — с ними уже можно работать как с цифровым сигналом. Обычно в приемниках установлен темный фотофильтр, пропускающий излучение с нужной длиной волны, чтобы фильтровать помехи.

Как устроен ИК-порт во Flipper Zero

У ИК-порта Flipper Zero стоит специальное темное окошко — оно блокирует помехи от видимого света и пропускает ИК-излучение от пультов. Это помогает выделять полезный ИК-сигнал и убирать засветы видимого света. Именно этот фильтр мы привыкли видеть во всех ИК-портах. За ним уже расположены элементы приемника и передатчика. Flipper Zero может быть как приемником, так и передатчиком ИК-сигнала.

[Видео] Расположение ИК-порта во Flipper Zero

Сразу за окошком ИК-порта расположена печатная плата. На ней с двух сторон расположено 3 ИК-светодиода — это передатчики сигнала. Их специально 3, чтобы увеличить мощность передачи. На нижней стороне печатной платы расположен фотоприемник TSOP, с помощью которого принимается ИК-сигнал. На выход TSOP выдает цифровой сигнал, который обрабатывается микроконтроллером STM32.

Ниже можно посмотреть интерактивную схему и 3D модель iButton платы, на которой установлены ИК-светодиоды, приемник TSOP, динамик и контакты iButton:

[Кликабельно] Схема и 3D модель платы ИК-порта

Ниже находится интерактивная схема проекта Altium, работающая прямо в теле поста Хабра. Попробуйте переключиться между вкладками SCH, PCB, 3D, BOM. Пока такой oEmbed элемент нельзя создать самостоятельно, но скоро эта функция будет доступна публично через Altium Viewer altium.com/viewer/

Интерактивная схема и 3D модель платы ИК-порта

Приемник ИК-сигнала во Flipper Zero

Внутри Флиппера стоит цифровой приемник ИК-сигнала TSOP, поэтому он может перехватывать любые сигналы ИК-пультов. Если у вас телефон типа Xiaomi, в котором тоже есть ИК-порт, имейте в виду, что он может ТОЛЬКО передавать сигналы, но не может принимать.

Инфракрасный приемник во Флиппере достаточно чувствительный. Можно ловить сигнал даже стоя сбоку, между пультом и телевизором, не обязательно направлять пульт вплотную к приемнику Флиппера. Это пригождается, когда кто-то переключает каналы, стоя рядом с телевизором, а вы с Флиппером находитесь далеко. Например, когда в кафе бармен переключает телевизор, а вам хочется перехватить управление захватив сигнал.

[Видео] Захват ИК-сигнала

Так как декодинг инфракрасного сигнала происходит программно, потенциально Флиппер поддерживает прием и передачу любых кодов ИК-пультов. В том числе, неизвестных ему протоколов, которые не удалось распознать — в этом случае используется запись и воспроизведение сырого сигнала, без расшифровки.

[Видео] Демонстрация функции обучения: Флиппер захватывает два сигнала переключения каналов и управляет телевизором

Интерфейс сохраненных пультов во Флиппере отображается вертикально — так удобнее держать устройство в руке, направляя ИК-порт в сторону приемника.

Чтобы прочитать ИК-сигнал, нужно направить ИК-порт Флиппера на ИК-окошко пульта. Если вы находитесь не в поле, то сигнал, скорее всего, отразится от какой-нибудь поверхности и попадет на ИК-порт Флиппера, даже если ИК-окошко пульта направлено немного в другую сторону.

Для чтения ИК-сигнала нужно перейти в меню Infrared -> Learn new remote , откуда его можно сохранить как новый пульт. К одному пульту можно добавить несколько сигналов, выбрав нужный пульт в меню Infrared -> Saved remotes . В одном пульте может быть неограниченное число сигналов (кнопок).

Универсальный пульт из Flipper Zero

[Видео] Брутфорсим выключение телевизора в кафе

Flipper Zero можно использовать как универсальный пульт для управления любым телевизором, кондиционером или медиацентром. В этом режиме Флиппер перебирает сигналы всех известных ему кодов всех производителей по словарю, лежащему на SD-карте. Когда пользователь решает выключить телевизор, висящий в ресторане, ему не нужно искать пульт именно от этой модели телевизора. Достаточно нажать кнопку выключения в режиме универсального пульта, и Флиппер будет последовательно посылать команды выключения от всех телевизоров, которые он знает: Sony, Samsung, Panasonic… и так далее. Когда телевизор услышит свой сигнал, он отреагирует и выключится.

Такой перебор занимает время. Чем больше словарь, тем больше потребуется ждать, пока закончится перебор всех сигналов. Узнать, какой именно сигнал распознал телевизор, нельзя, так как у телевизора нет обратной связи.

Режим перебора сигналов по словарю

Чтобы воспользоваться режимом универсального пульта, нужно перейти в меню Infrared -> Universal library и выбрать тип устройства, которым нужно управлять.

Для проверки или редактирования словаря, на SD-карте нужно открыть или создать соответствующий файл. Например, для телевизоров файл словаря содержит примерно следующие строки:

Мы планируем поставлять словари вместе с прошивкой и хранить их в отдельном репозитории, куда все пользователи смогут предлагать свои коды и ключи.

Универсальные пульты отключения телевизора

Есть устройства, специально созданные для тех, кого раздражают телевизоры, и они хотят их выключить. В таких устройствах зашита база данных сигналов для выключения телевизоров разных производителей. Принцип работы такой же как у Флиппера: устройство просто перебирает по словарю все сигналы подряд, в надежде, что в какой-то сигнал подойдет. При этом база сигналов обычно захардкожена в прошивку, и ее не просто расширить.

Сравнение устройств отключения телевизоров с Флиппером

• Кнопкус Артемия Лебедева — простое и красивое устройство в прорезиненном корпусе с одной кнопкой. После нажатия кнопки начинается перебор кодов. К сожалению список сигналов не очень большой, телевизор в офисе и дома не сработал. Дополнить базу данных сигналов в этом устройстве никак нельзя, внутри какой-то нонеймный микроконтроллер, который непонятно как прошивать.
• TV B GONE — известный старый проект с открытой прошивкой и железом. Сразу 4 мощных ИК-диода делают его очень дальнобойным. Можно добавлять свои коды, но для этого потребуется программатор.

Главное отличие Флиппера в том, что его словарь для перебора хранится на SD-карте и может быть легко обновлен и дополнен. Также пользователи могут создавать свои словари для новых классов бытовой техники и автоматики. При этом Флиппер умеет принимать сигналы, и его можно обучить любым пультам, которых вдруг не нашлось в базе.

Инфракрасный фотоприемник TSOP

Фотоприемник TSOP-75538, используемый во Flipper Zero для приема ИК-сигнала

ИК-приемник во Флиппере — это микросхема TSOP-75338. Этот компонент сам фильтрует сигнал и поддерживает его на одном логическом уровне, усиливая при необходимости. Поэтому TSOP-75338 способен принять даже очень слабый сигнал от маленьких разряженных пультов или отраженный от стен. А встроенный усилитель позволяет всегда получать на выходе микросхемы одинаковые уровни, вне зависимости от силы ИК-сигнала. Это значительно упрощает программную обработку сигнала на стороне процессора.

Плата Flipper Zero, на которой расположен ИК-приемник и передатчик. Схема демонстрирует подключение ИК-приемника TSOP-75538

В схеме питания фотоприемника TSOP-75338 во Flipper Zero стоит RC-фильтр. Он нужен, так как микроконтроллер производит помеху на линиях питания, из-за чего цифровой сигнал на выходе фотоприемника может не соответствовать принимаемому сигналу. Для согласования уровней приемника-TSOP и микроконтроллера STM32 используется диод. На выходе TSOP-а микроконтроллер STM32 уже обрабатывает цифровой сигнал.

/>
Функциональный состав ИК-приемника TSOP-75338:

• ИК-фильтр
• ИК-фотоприемник
• Усилитель с фильтром на конкретную несущую частоту
• Усилитель с автоматической регулировкой
• Демодулятор-детектор, выделяющий огибающую

Для передачи обычно используют сигнал с частотной модуляцией. Поэтому на стороне приема устанавливают демодулятор.

Наш приёмник предназначен для демодуляции сигнала с несущей частотой 38 кГц. Большинство пультов работает на несущей частоте 36-38 кГц.

Почему именно частотная модуляция

Цифровой ИК-сигнал накладывается на шумы и суммируется с ним

На стороне приемника ИК-сигнала, почти всегда есть фоновый шум, потому что вокруг множество предметов излучающих в ИК-диапазоне, например, обычные лампы освещения. Поэтому на приемник приходит суммарный сигнал от шума и полезного сигнала.

• Шум в ИК-диапазоне создают многие источники света, так как источником ИК-излучения является выделяемое тепло. Поэтому фоновый шум будет иметь случайный характер. На гифке выше, для наглядности, он изображен как синусоида.
• Полезный сигнал — пакеты ИК-импульсов, отправляемые пультом. Идеальный пакет импульсов выглядит как ровный меандр. Но такой сигнал возможно увидеть только при полном отсутствии шумов. В реальности меандр всегда будет накладываться на шум и суммироваться с ним.

Частотная модуляция позволяет отличить ИК-сигнал с данными от шума. Когда полезный ИК-сигнал мигает с частотой 38 кГц, то пульсации ИК-частоты видны на фоне непульсирующего излучения. Таким образом фотоприемник может судить о наличии сигнала и отличать его от засвета.

Передатчик ИК-сигнала во Flipper Zero

Схема подключения ИК-передатчика к микроконтроллеру во Флиппере

Передачей ИК-сигнала напрямую управляет микроконтроллер Флиппера STM32. Через внешний транзистор он посылает импульсы на светодиоды. Чтобы повысить мощность ИК-передатчика, используется сразу 3 светодиода вместо одного.

Импульсы на стороне передатчика преобразовываются в инвертированный цифровой сигнал на стороне приемника

Как и в пультах, данные с Flipper Zero передаются пакетами импульсов. В приемнике, из принятых пакетов импульсов, демодулятор формирует огибающие (меандры) и выдает их на выход. Зачастую цифровой сигнал на выходе приемника является инвертированной огибающей.

Для увеличения импульсной мощности передатчика (дальности передачи) используются пакеты импульсов, а не целый меандр. При этом средняя мощность уменьшается или остается прежней, а значит и энергопотребление уменьшается или остается прежним.

В основном передатчики работают с несущими частотами 30..50 кГц. Этот диапазон несущих частот при разработке первых передатчиков имел наименьший уровень помех для доступной элементной базы. Не путать с частотой самого ИК-излучения, соответствующей длине волны 940 нм (318,93 ТГц).

Анализируем ИК-протоколы с Arduino

Для быстрой проверки и отладки ИК-протоколов мы используем библиотеку IRMP от Arduino. На гитхабе можно найти инструкцию, как собрать устройство для анализа ИК-протоколов.

Схема анализатора ИК-протоколов на базе Arduino IRMP

Собрав все ИК-пульты в офисе, мы убедились, что почти все они имеют разные ИК-протоколы. Но безоговорочно доверять собранному анализатору тоже нельзя. Если ИК-протокол неизвестен, то анализатор на Arduino IRMP может распознавать его как протокол Siemens. Для приема ИК-сигнала мы используем непосредственно плату Флиппера. А многообразие известных ИК-протоколов в библиотеке IRMP позволяет быстрее разрабатывать софт.

[Видео] Анализатор ИК-протоколов на базе Arduino IRMP

Чем различаются ИК-протоколы

Следующие 4 фактора в своих сочетаниях дают разные ИК-протоколы:

• способ кодирования бита информации
• состав передаваемых данных
• порядок передаваемых данных
• несущая частота модуляции — часто лежит в диапазоне 36..38 кГц

Способы кодирования бита информации

1. Метод интервалов

Биты кодируются разной длительностью паузы после пакета импульсов. Ширина пакетов импульсов одинаковая для “0” и “1″, различается только время паузы между пакетами.

При интервальном кодировании биты различаются только временем паузы между импульсами

2. Кодирование бита данных длительностью

Биты кодируются разной длительностью пакетов импульсов. Паузы между пакетами импульсов одинаковые для «0» и «1», различается ширина пакетов импульсов.

При кодировании битов длительностью различается ширина пакета импульсов для «0» и «1»

3. Бифазный метод

Биты кодируются положением пакета импульсов и паузы в передаваемом интервале. Длительности пакета импульсов и паузы постоянны. Сигнал разделен на 2 фазы. Логический «0» — первая фаза без импульсов, вторая с импульсами. Логическая «1» — первая фаза с импульсами, вторая без импульсов.

При кодировании битов бифазным методом изменяется положение паузы и пакета импульсов

4. Комбинирование предыдущих и редкие экзотические методы

• команда управления
• адрес устройства
• проверочная информация
• любая другая сервисная информация

Существуют ИК-протоколы, пытающиеся стать универсальными для нескольких типов оборудования. Наиболее известными являются форматы: RC5 и NEC.

К сожалению, наиболее известные, не значит наиболее встречаемые. Лично я встретил в своем окружении лишь два ИК-пульта с протоколом NEC и ни одного с RC5.

Очень часто производители аппаратуры используют свои собственные ИК-протоколы, даже внутри одних и тех же типов оборудования (например телевизоров). Поэтому часто пульты от разных производителей, а иногда и от разных моделей одного производителя, не могут работать с другими устройствами того же типа.

Protocol Name	Details
SIRCS	Sony
NEC	NEC with 32 bits, 16 address + 8 + 8 command bits, Pioneer, JVC, Toshiba, NoName etc
NEC16	NEC with 16 bits (incl. sync)
NEC42	NEC with 42 bits
SAMSUNG	Samsung
SAMSUNG32	Samsung32: no sync pulse at bit 16, length 32 instead of 37
SAMSUNG48	air conditioner with SAMSUNG protocol (48 bits)
LGAIR	LG air conditioner
MATSUSHITA	Matsushita
TECHNICS	Technics, similar to Matsushita, but 22 instead of 24 bits
KASEIKYO	Kaseikyo (Panasonic etc)
PANASONIC	Panasonic (Beamer), start bits similar to KASEIKYO
MITSU_HEAVY	Mitsubishi-Heavy Aircondition, similar timing as Panasonic beamer
RECS80	Philips, Thomson, Nordmende, Telefunken, Saba
RC5	Philips etc
DENON	Denon, Sharp
RC6	Philips etc
APPLE	Apple, very similar to NEC
RECS80EXT	Philips, Technisat, Thomson, Nordmende, Telefunken, Saba
NUBERT	Nubert
BANG_OLUFSEN	Bang & Olufsen
GRUNDIG	Grundig
NOKIA	Nokia
SIEMENS	Siemens, e.g. Gigaset
FDC	FDC keyboard
RCCAR	RC Car
JVC	JVC (NEC with 16 bits)
RC6A	RC6A, e.g. Kathrein, XBOX
NIKON	Nikon
RUWIDO	Ruwido, e.g. T-Home Mediareceiver
IR60	IR60 (SDA2008)
KATHREIN	Kathrein
NETBOX	Netbox keyboard (bitserial)
LEGO	LEGO Power Functions RC
THOMSON	Thomson
BOSE	BOSE
A1TVBOX	A1 TV Box
ORTEK	ORTEK — Hama
TELEFUNKEN	Telefunken (1560)
ROOMBA	iRobot Roomba vacuum cleaner
RCMM32	Fujitsu-Siemens (Activy remote control)
RCMM24	Fujitsu-Siemens (Activy keyboard)
RCMM12	Fujitsu-Siemens (Activy keyboard)
SPEAKER	Another loudspeaker protocol, similar to Nubert
MERLIN	Merlin (Pollin 620 185)
PENTAX	Pentax camera
FAN	FAN (ventilator), very similar to NUBERT, but last bit is data bit instead of stop bit
S100	very similar to RC5, but 14 instead of 13 data bits
ACP24	Stiebel Eltron ACP24 air conditioner
VINCENT	Vincent
SAMSUNGAH	SAMSUNG AH
IRMP16	IRMP specific protocol for data transfer, e.g. between two microcontrollers via IR
GREE	Gree climate
RCII	RC II Infra Red Remote Control Protocol for FM8
METZ	METZ
ONKYO	Like NEC but with 16 address + 16 command bits

Смотрим ИК-сигнал осциллографом

[Видео] Захват инфракрасного сигнала с помощью осциллографа

Чтобы увидеть, как выглядит передаваемый ИК-сигнал от пульта, надежнее всего использовать осциллограф. Он не демодулирует и не инвертирует принимаемый сигнал, а отображает его «как есть». Это полезно при отладке. Что должно приходить, я покажу на примере ИК-протокола NEC.

Осциллограмма популярного протокола NEC

При передаче кодированной посылки, в начале передатчик формирует преамбулу, которая представляет собой один или несколько пакетов импульсов. Это позволяет приемнику определить необходимый уровень усиления и фона. Но есть протоколы и без преамбулы, например, Sharp.

Далее данные передаются в виде нулей и единиц, в зависимости от метода кодирования бита. Порядок следования, признак начала, метод кодирования и количество данных определяются протоколом передачи.

ИК-протокол NEC содержит короткую отправляемую команду и код повтора, посылаемый, если кнопка осталась нажата. И команда, и код повтора имеют вначале одинаковую преамбулу.

Команда в NEC, помимо преамбулы, состоит из байта адреса и байта номера-команды. По номеру-команды устройство понимает, что именно нужно выполнять. Байты адреса и номера-команды дублируются инверсными значениями, для проверки целостности передачи. В конце команды дополнительно стоит стоп-бит.

В коде повтора после преамбулы содержится логическая “1” — стоп бит.

Логический “0” и “1” в протоколе NEC определяются интервалами: вначале передается пакет импульсов, после которого идет пауза, задающая значение бита.

Инфракрасный щуп для осциллографа

Осциллограф записывает ИК-сигнал пульта с помощью Silver-bullet

Для захвата ИК-импульсов на осциллографе я использовал самодельный щуп Silver Bullet, придуманный автором программы AnalysIR. Это просто ИК-светодиод и резистор, запаянные в аудио-штекер RCA, который подключен через переходник BNC->RCA к осциллографу. Собирается за пять минут. Все компоненты для сборки такого щупа можно купить в ЧИП и ДИП.

Схема щупа для захвата ИК-сигнала на осциллографе

Когда ИК-излучение пульта попадает на ИК-светодиод щупа, через него начинает проходить небольшой ток. Этот ток создает разницу напряжения на выводах светодиода, которую отчетливо видно на осциллографе. Для получения на осциллографе четкого сигнала важно, чтобы передатчик вплотную прислонялся к щупу.

Что не так с кондиционерами

Пульты от кондиционеров посылают один большой пакет с полным списком настроек

Пульты от кондиционеров представляют собой полноценные устройства с экранчиком, и, при управлении кондиционером, мы смотрим не на кондиционер, а на экран пульта. Там устанавливается температура, мощность вентилятора и т.д. При этом, сам пульт не знает, услышал ли его сигнал кондиционер, он просто посылает сигнал каждый раз при изменении настроек на пульте.

Но что произойдет, если мы уйдет в другую комнату с пультом от кондиционера, изменим настройки температуры на пульте, но кондиционер не услышит сигнал в момент нажатия на пульт? Допустим на кондиционере сохранилось значение 19°C, мы ушли в другую комнату и полностью поменяли все настройки на пульте, поставили 30°C. Потом подошли к кондиционеру снова и нажали кнопку на пульте, поднимающую температуру на 1°C вверх. Если бы пульт просто посылал нажатие каждой кнопки, как это делают другие пульты, на кондиционере бы установилась температура 20°C, а на экране пульта мы бы увидели 31°C. Получилась бы рассинхронизация данных на пульте и в памяти кондиционера.

Поэтому пульты от кондиционеров, в отличие от остальной техники, передают не команду нажатой кнопки, а сразу целиком все параметры кондиционера, которые видны на экранчике пульта. То есть всегда шлют ВСЕ данные отображаемые на экране пульта в одном большом пакете.

Такие протоколы намного более сложные, так как требуют описания всего пакета данных целиком, а не только одной команды, как в случае с телевизорами.

[Видео] Захват ИК-сигналов программой AnalysIR, используя приемник IR-toy

Для разных кондиционеров данные с пульта могут быть совершенно различными. Помимо отличий в хранении данных, существуют модели с разными уровнями мощностей, контролем влажности, зональностью и прочим. Из-за этого посылаемые данные иногда имеют большой размер и могут передаваться за несколько посылок.

Из-за обилия кондиционеров с их функциями, создание удобного пользовательского интерфейса и правильной посылки данных — громоздкая задача. Сейчас мы можем работать с некоторыми кондиционерами, но поддержка большого количества моделей еще не реализована.

Как анализировать ИК-сигналы на компьютере

Схема использования программы AnalysIR с оборудованием IR-Toy

Для работы с ИК-сигналом на компьютере я использую программу AnalysIR. Это программа для анализа ИК-протоколов, которая поддерживает разные устройства для захвата ИК-сигнала. Самый простой вариант — это изготовить самодельный приемник на базе Arduino и TSOP, и подключить его по USB. Я использую IR-toy V2 в качестве приемника. Список поддерживаемых приемников: AnalysIR.pdf.

AnalysIR показывает не импульсы ИК-диодов, как это делает осциллограф, а огибающую ИК-сигнала. Получая огибающую, программа высчитывает задержки и длительности пакетов импульсов — все это записывается в лог и помогает анализировать неизвестные ИК-протоколы. AnalysIR знает более 100 ИК-протоколов и умеет автоматически их распознавать. Кстати автор программы предложил добавить поддержку Флиппера в качестве ИК-приемника. Что думаете об этой идее?

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.

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 кодированной 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, настроенный 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:

• JVC
• Mitsubishi
• Philips RECS80
• RCA Protocol
• X-Sat Protocol

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