學習目標 : 認識faya紅外線發射和接收模組的功能及使用方式
學習時間 : 60min
示範模組 : (1) faya brickNano x 2
(2) faya 紅外線發射模組
(3) faya 紅外線接收模組
(4) faya 按鍵模組
工具 : (1) 樂高積木底板 (相容)
====================功能介紹====================
faya紅外線發射/接收模組透過紅外線的介面傳輸資料，本篇教學同時介紹發射和接收模組，透過一發一收的資料傳送，進行硬體的連接與程式的示範。兩個模組的使用方式很容易上手:
- 當發射模組Din埠收到下源觸發後，資料開始傳送
- 欲傳送的資料由發射模組Din輸入，接收到的資料由Dout輸出
- 若超過180ms未有資料從Din輸入，則系統重置，需重新觸發
faya紅外線發射模組利用兩顆紅外線LED當發射器，兩顆LED30度夾角排列可增加發射角度，模組上的可變電阻可用來調整載波頻率。
====================原理知識===================
以下解釋提供給有需要知道背後原理的人:
紅外線發射器的電路如下所示，左下方的區域，透過2個反向器組合成邏輯閘震盪電路，藉由10K歐姆的可變電阻，改變RC充放電的時間，進而設定輸出震盪頻率，由於我們的接收器可解調38KHz的載波，因此在使用發射模組前，需先調整可變電阻(可變電阻箭頭指向大約9點鐘方向)，讓輸出產生38KHz的載波。
接下來討論兩種輸入情況:
(1) 當Din為LOW訊號時，U1D的輸出(pin11)為HIGH，此時U1C的輸出(pin8)會和U1C的輸入(pin10)會反向，pin10連接pin6為38KHz方波，因此pin8也是38KHz的方波，此方波推動Q1，使紅外線LED發射38KHz載波。
(2) 當Din為HIGH訊號時，U1D的輸出(pin11)為LOW，此時U1C的輸出(pin8)必為HIGH，Q1會持續導通，但不會受到pin10的38KHz載波影響。
如果我們把輸入Din設為常HIGH，LED持續發射無載波的HIGH訊號，當等到Din拉到LOW時，pin9為HIGH，輸出pin8由pin10的38KHz載波決定，此輸出推動Q1進而發射載波訊號，讓接收器解調，這個拉LOW後開始傳輸的動作和很多串列通訊協定一樣，UART也是其中之一，我們可以好好利用這個特性傳輸訊號。
用示波器分別記錄發射模組的Din(CH1)和R4(CH2)腳位，所得波形和電路設計結果一致:
紅外線接收模組的電路如下所示 ，透過紅外線接收器(FM6038)將38KHz的載波訊號解調，所得到的解調訊號，經過CD4528推動LED，由於CD4528的A接LOW，由真值表得知，當/B為下源觸發時，Q為HIGH，LED會閃一下，可用來偵測是否有訊號接收並解調成功。
接收器具Internal Pull-Up Output特性，平時輸出為HIGH，當發射器送出下源訊號觸發後，接收器拉LOW開始解調，由於接收器會把訊號反向，因此當訊號包含38KHz載波時，會解得LOW，當訊號不含載波時，會解調得HIGH訊號，如下圖所示 (參考來源)
用示波器分別記錄發射模組的R4(CH1)和接收模組的Dout(CH2)腳位，所得波形和電路設計結果一致，詳細的接收器datasheet請參考這邊。
綜合以上發射和接收模組的動作，我們得知當傳送模組Din訊號拉LOW後，訊號開始傳輸，傳輸結果於Dout輸出，用示波器分別量測發射器Din和接收器Dout，可得兩個波型一致的結果:
====================範例實作====================
了解模組功能(原理)後，我們用以下範例來展示模組的功能:
目標:
本實作需要兩個Arduino模組，一邊傳送一邊接收，發射端裡用鍵模組的上/下/左/右鍵產生訊號，經過紅外線傳輸後，結果顯示在接收端的串列埠視窗
(1)當按下PB0時，透過紅外線傳輸，串列埠視窗顯示"UP"
(2)當按下PB1時，透過紅外線傳輸，串列埠視窗顯示"LEFT"
(3)當按下PB3時，透過紅外線傳輸，串列埠視窗顯示"RIGHT"
(4)當按下PB4時，透過紅外線傳輸，串列埠視窗顯示"DOWN"
接線:
(1) 電源線連接
[發射端]如下圖所示，連接的說明請看這篇文章 或簡易版
[接收端]如下圖所示，連接的說明請看這篇文章 或簡易版
(2) 訊號線連接
[發射端]
Arduino_D2 ===> 按鍵模組_PB0
Arduino_D3 ===> 按鍵模組_PB1
Arduino_D4 ===> 按鍵模組_PB3
Arduino_D5 ===> 按鍵模組_PB4
Arduino_Tx ===> 紅外線發射模組_Din
(註:我們直接利用UART協定傳輸紅外線資料，因此紅外線的發射端接到Arduino Tx)
[接收端]
Arduino_Rx ===> 紅外線發射模組_Dout
(註:我們直接利用UART協定傳輸紅外線資料，因此紅外線的接收端接到Arduino Rx)
完成接線後的發射接收端如下圖所示，發射和接收端大約距離10公分!
範例程式:
[發射端]
備註:
- L25 : Serial.begin(2400); 設定串列埠傳輸速度為2400 bps，經測試，4800bps也能順利傳輸，但9600 bps則會有亂碼產生!
- L36/41/46/51 : 此指令會將字串值些送往串列埠Tx，由於我們的接線將Arduino Tx直接連到紅外線發射模組的Din，因此這些經過串列傳輸協定(UART Protocol) 的字串就跟著38KHz的調變，透過紅外線發射至空氣中了!
[接收端]
備註:
- L14 : Serial.begin(2400); 設定串列埠傳輸速度和發射端一致的2400 bps，記得開串列埠視窗也要選擇2400bps，才不會有亂碼產生。
- L22~L25 : 接收器解調了空中帶有38KHz載波的調變訊號，還原為帶有UART通訊協定的字串，Serial.read() 將字串讀出，並用Serial.print()指令將字串輸出到串列埠視窗。
範例結果:
將以上兩個程式各自上傳成功後，開啟接收端的串列埠視窗(記得選對COM Port)，就會得到以下的結果!
討論:
(1) 在這個範例，我們透過串列埠傳輸(UART)的協定，將訊號由發射端經過紅外線模組成功的送至接收端，Arduino本身也提供紅外線協定的副程式讓大家使用，我們會在未來做示範。
(2) 本範例的傳輸距離大約10公分，大家可試試看最遠的傳輸距離，或者用板子將發射與接收器隔開，觀察會發生什麼情況。
(3) 傳輸的結果如發生亂碼(如下圖)，可能的原因有二 (A) 載波偏離38KHz太遠，請調整發射器的可變電阻，沒有示波器可觀察載波頻率的人，可把可變電阻的箭頭指向9點鐘位置。(B) 串列埠視窗右下角的baud rate設定為和程式未一致，我們在程式設定2400 bps，因此視窗中也要設定此數值 (2400 baud)。
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