一種遠(yuǎn)程控制編碼芯片的ASIC研究與設(shè)計(jì)

唐 寧，劉瑋德

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004)

遠(yuǎn)程遙控技術(shù)，是指實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的遙遠(yuǎn)距離控制，在工業(yè)、航天、家電、聲控等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。紅外遙控是一種無線、遠(yuǎn)距離的控制技術(shù)，具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、成本低、易實(shí)現(xiàn)、信息傳輸可靠等顯著優(yōu)點(diǎn)，被諸多電子設(shè)備特別是家用電器廣泛采用，并越來越多地應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)之中［1-2］。例如，據(jù)專業(yè)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，2012年智能電視市場份額將占據(jù)近30%，智能電視對人機(jī)交互技術(shù)的需求較傳統(tǒng)電視高很多［3］，所以對控制芯片的要求也提高很多，所以，成本越低的同類紅外遙控產(chǎn)品就更具有競爭力，因此對傳統(tǒng)的紅外遙控電路進(jìn)行優(yōu)化，并且縮減版圖面積，可以有效提高該產(chǎn)品的市場競爭力。

1 遠(yuǎn)程控制編碼芯片電路的設(shè)計(jì)框架

文中設(shè)計(jì)的新型的遠(yuǎn)程控制編碼芯片的電路的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其主要由5個(gè)部分組成，分別為時(shí)序控制電路、用戶碼掃描電路、鍵盤掃描電路、編碼電路、輸出控制電路。圖中振蕩電路部分可通過外接晶體振蕩器來實(shí)現(xiàn)，這樣能夠縮小芯片的面積。當(dāng)有按鍵按下，電路鍵盤掃描模塊收到按鍵信號之后才會(huì)開始工作，這樣就減小了芯片的待機(jī)功耗，同時(shí)時(shí)序控制電路開始對輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻等控制。當(dāng)按鍵掃描模塊捕獲輸入信號之后，會(huì)將其傳入編碼電路模塊，該模塊根據(jù)不同的按鍵信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼，之后將編碼傳入輸出控制模塊，輸出控制模塊將編碼進(jìn)行排序編幀，使其以符合所定紅外傳輸協(xié)議的格式輸送到外部。

圖1 遠(yuǎn)程控制編碼芯片的電路的整體結(jié)構(gòu)框圖

2 具體電路設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)序電路模塊的設(shè)計(jì)

本芯片的輸入時(shí)鐘頻率是455 kHz，同時(shí)輸出信號是采用ppm編碼方式，所以要對輸入時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻等一系列的整理。

如圖2所示時(shí)序電路模塊中的Powerup端口是上電復(fù)位端口，當(dāng)系統(tǒng)供電，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短暫的復(fù)位信號對電路中的各個(gè)門進(jìn)行復(fù)位清空數(shù)據(jù)初始化。

圖2 時(shí)序處理電路模塊電路圖(截圖)

模塊中每一個(gè)D觸發(fā)器的輸出端接一個(gè)非門作為觸發(fā)器的輸入信號，構(gòu)成一個(gè)分頻器［4］，輸入時(shí)鐘頻率455 kHz，因?yàn)椴捎玫膒pm編碼方式所需用到的最小時(shí)鐘信號的周期是0.56 ms，所以經(jīng)過計(jì)算455/(1/0.56)=255，即2的8次方，所以需要經(jīng)過8次分頻。

2.2 用戶碼掃描模塊的設(shè)計(jì)

用戶碼的存在是為了讓信號接收器能區(qū)分不同的遙控設(shè)備，本課題設(shè)計(jì)的遙控電路可以讓用戶自定義8位用戶碼。

用戶碼通過在I/O端口與CCST端口之間外接二極管來設(shè)置，有二極管當(dāng)前bit位為“1”，否則為“0”。

具體原理:I/O端口產(chǎn)生一次順序脈沖掃描，例如KI/O 0～7依 次 產(chǎn) 生00000001，00000010，00000100，00001000，00010000，00100000，01000000，10000000的脈沖信號，如果該端口外接了二極管，當(dāng)這個(gè)端口的高電平脈沖到達(dá)的時(shí)候，CCST端口將會(huì)被置成1，若無外接二極管，CCST端口的值將會(huì)保持為0。

用戶碼掃描模塊如圖3所示，t0～t7為此時(shí)的I/O口輸出數(shù)據(jù)。

圖3 用戶碼掃描模塊(截圖)

2.3 按鍵掃描模塊的設(shè)計(jì)

當(dāng)按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少封裝端口，可以將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處通過一個(gè)按鍵加以連接在矩陣式鍵盤中，這樣，就可以構(gòu)成n×n個(gè)按鍵，極大地?cái)U(kuò)展了按鍵數(shù)量。

確定矩陣式鍵盤上哪個(gè)按鍵按下的方法叫行列掃描法，原理如下:

第一步，使行線為輸入線，列線是輸出線，拉高所有的列線，判斷行線的變化，如果有按鍵按下，按鍵按下的對應(yīng)行線被拉高，否則，所有的行線都為低電平。無按鍵按下時(shí)KI 0～7全為0，若有按鍵按下則KI 0～7相或后的CC端產(chǎn)生變化，表示有按鍵輸入。

第二步，在第一步判斷有鍵按下后，延時(shí)若干時(shí)間消除機(jī)械抖動(dòng)，再次讀取行值，如果此行線還處于高電平狀態(tài)則進(jìn)入下一步，否則返回第一步重新判斷。下圖判定是否有按鍵按下，當(dāng)無按鍵按下KI 0～7全為低電平，若有按鍵按下其中一個(gè)端口則被置為高電平。

第三步，開始掃描按鍵位置，采用逐行掃描，每間隔一定的時(shí)間，分別拉高第1列、第2列、第3列、第4列等，無論拉高哪一列其列都為低電平，讀取行值找到按鍵的位置，分別把行值和列值儲(chǔ)存在寄存器里。

脈沖掃描電路如圖4所示，keyt0～keyt7為脈沖輸出數(shù)據(jù)，此時(shí)從I/O口輸出。

圖4 脈沖掃描電路(截圖)

第四步，從寄存器中找到行值和列值并把其合并，得到按鍵值，對此按鍵值進(jìn)行編碼，如圖5所示。

圖5 編碼電路(截圖)

右下角的部分為鎖存器當(dāng)列值置為高電平時(shí)，如果此時(shí)某個(gè)行值也對應(yīng)變?yōu)楦唠娖?，那么他們對?yīng)的鎖存器的輸出端將會(huì)被置為1，最后左下角部分根據(jù)這64個(gè)鎖存器的值進(jìn)行編碼得到data。

2.4 數(shù)據(jù)編幀模塊的設(shè)計(jì)

本遙控發(fā)射的碼型的一幀碼含有一個(gè)引導(dǎo)碼，8位的用戶編碼及其8位反碼，8位的按鍵數(shù)據(jù)碼及其8位反碼。

引導(dǎo)碼由時(shí)間長度為9 ms的載波和長度為4.5 ms的低電平時(shí)間構(gòu)成，它是作為引導(dǎo)碼而存在的，之后接著的是16位的地址碼，即用戶碼，再接著16位數(shù)據(jù)碼。當(dāng)重復(fù)發(fā)送幀時(shí)，引導(dǎo)碼由時(shí)間長度為9 ms的載波和長度為2.25 ms的低電平時(shí)間和0.56 ms的載波構(gòu)成，之后全為低電平，每一幀的長度為108 ms。表示數(shù)據(jù)“0”使用高電平與低電平比例1∶1.每個(gè)長度為0.56 ms，表示數(shù)據(jù)“1”使用高電平與低電平比例1∶3，即高電平占0.56 ms，低電平占1.68 ms［5-6］。

要實(shí)現(xiàn)幀，首先需要通過一組計(jì)時(shí)器來劃分好各個(gè)時(shí)間段，計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

圖6 計(jì)時(shí)器電路(截圖)

輸入的時(shí)鐘周期為0.56 ms，經(jīng)過3個(gè)分頻器得到的時(shí)鐘周期為4.5 ms，該信號再通過4個(gè)D觸發(fā)器，每個(gè)D觸發(fā)器的輸出信號置高電平的時(shí)刻均比前一個(gè)D觸發(fā)器晚了4.5 ms。

因?yàn)樽詈笠l(fā)射的幀信號是行輸入，而之前得到的用戶碼和按鍵編碼都是列數(shù)據(jù)，所以要對列數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，然后排好的數(shù)據(jù)隊(duì)列使用“0”和“1”的編碼方式進(jìn)行編碼。圖中sel0～4為一組經(jīng)過處理的時(shí)鐘信號，可以作為選擇器的信號，用戶碼UD和數(shù)據(jù)碼data通過sel信號實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的選擇排序，電路如圖7所示。

圖7 編幀電路(截圖)

數(shù)據(jù)在排序的同時(shí)，已經(jīng)排好的數(shù)據(jù)，如果為0，DT信號也將為0，如果為1，DT信號也將為1，這樣通過選擇排列信號AA0與AA1，則可以實(shí)現(xiàn)“0”和“1”的編碼。

若當(dāng)按鍵持續(xù)按下，重復(fù)幀的結(jié)構(gòu)為引導(dǎo)碼由時(shí)間長度為9 ms的載波和長度為2.25 ms的低電平時(shí)間和0.56 ms的載波構(gòu)成，之后全為低電平，電路構(gòu)成與第一次編幀的電路結(jié)構(gòu)類似，只是不用加入客戶碼和數(shù)據(jù)碼，具體電路如圖8所示。

2.5 電路運(yùn)行控制模塊的設(shè)計(jì)

圖8 重復(fù)碼產(chǎn)生電路(截圖)

當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，KI0～KI7全為低電平，經(jīng)過圖9所示電路的處理得到控制信號CC，CC信號與各模塊復(fù)位信號相與，則僅當(dāng)有按鍵按下時(shí)，CC才會(huì)置高電平，各模塊復(fù)位端解除被鉗制狀態(tài)，整體電路開始工作。

圖9 電路運(yùn)行控制電路(截圖)

3 電路仿真驗(yàn)證與分析

利用QuartusII對電路進(jìn)行總體仿真，結(jié)果如圖10所示。

圖10 電路運(yùn)行仿真結(jié)果(截圖)

波形圖中test信號為電路輸出信號，當(dāng)有按鍵按下，經(jīng)過掃描，KI的值出現(xiàn)變化，經(jīng)過處理后，完整編碼由test端口在約125.19 ms時(shí)輸出，到134.13 ms為止，是大約9 ms的高電平引導(dǎo)碼，從134.13～138.6 ms，間隔4.47 ms，即大約4.5 ms的低電平引導(dǎo)碼。

從138.6 ms開始是8位用戶碼和8位用戶碼反碼組成的地址碼，仿真時(shí)設(shè)定的初始用戶碼的值為11111111，因?yàn)椴捎玫膒pm編碼方式，所以理論輸出信號的用戶碼部分應(yīng)該是8組高電平與低電平比例1∶3，即高電平占0.56 ms，低電平占1.68 ms的波形組成，觀察仿真波形用戶碼部分從138.6 ms開始，高電平持續(xù)至139.16 ms，共計(jì)0.56 ms，低電平從139.16 ms處至140.82 ms處，持續(xù)1.66 ms，剛好一共8組。用戶碼反碼部分理論輸出信號應(yīng)為00000000，輸出波形應(yīng)為高電平與低電平比例1∶1，高、低電平各占0.56 ms的波形共8組，仿真圖的反碼部分從從156.59 ms開始，高電平持續(xù)至157.15 ms處，持續(xù)約0.56 ms，低電平從157.15 ms處開始至157.72 ms，持續(xù)約0.57 ms，此為一組信號碼，表示信號“0”，一共8組，所以用戶碼與用戶碼反碼部分符合所需要求規(guī)范，其中細(xì)小誤差是由于手動(dòng)測量造成，不影響所得結(jié)論。

再接下來的是8位數(shù)據(jù)碼和8位數(shù)據(jù)反碼，根據(jù)初始設(shè)定的按鍵輸入信號，經(jīng)過按鍵掃描得到的數(shù)據(jù)data［0～7］為“11111000”，分析仿真結(jié)果，數(shù)據(jù)碼部分從165.60 ms處開始，高低電平比例為1∶3的波形共5組，高低電平的比例為1∶1的信號共3組，根據(jù)所用紅外協(xié)議，該信號表示的值為“11111000”，與理論值相同。數(shù)據(jù)碼反碼部分從180.25 ms處開始，依次出現(xiàn)占空比1∶1的波形5組，1∶3的波形3組，所表示的信號為“00000111”，剛好為之前數(shù)據(jù)信號值的反碼。全波形持續(xù)108 ms。

當(dāng)按鍵持續(xù)按下，繼續(xù)輸出波形如圖11所示，即只由9 ms的高電平引導(dǎo)碼和4.5 ms的低電平引導(dǎo)碼組成，符合所采用的紅外協(xié)議。

圖11 按鍵持續(xù)按下時(shí)電路輸出信號(截圖)

4 小結(jié)

綜上，仿真結(jié)果符合所定紅外傳輸協(xié)議。經(jīng)過了電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，電路能夠輸出所需信號波形，達(dá)到了預(yù)期的目的。

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