可識別載波的紅外遙控自學(xué)習(xí)模塊研究與設(shè)計*

程小輝，康燕萍

（桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

紅外遙控器是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷囊环N遙控設(shè)備，可以用來遙控電視機(jī)、DVD、空調(diào)、風(fēng)扇等生活電器。但是紅外遙控的傳輸協(xié)議沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的生產(chǎn)廠家設(shè)計的遙控也各有異同,主要表現(xiàn)在載波頻率的不同和紅外信號傳輸協(xié)議的不同,常用的紅外遙控器中載波頻率主要有38 kHz和40 kHz。常用的紅外遙控信號傳輸協(xié)議有 NEC協(xié)議、Philips協(xié)議、ITT協(xié)議、Nokia NRC協(xié)議等。

目前的自學(xué)習(xí)紅外遙控器，只能針對單一的載波頻率進(jìn)行學(xué)習(xí)，而不能識別不同的載波頻率的遙控信號。這樣的自學(xué)習(xí)遙控器存在一定的局限性，學(xué)習(xí)遙控的數(shù)量也相對較少。

1 模塊硬件設(shè)計

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計基于STC單片機(jī)，芯片型號為STC12C5410AD。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 單片機(jī)芯片介紹

選擇單片機(jī)型號為STC12C5410AD。32腳LQFP封裝，CPU 最大頻率 35 MHz，10 KB Flash，512 B RAM，共 6個16位普通定時器，具有UART和SPI接口。該芯片是本模塊的核心部件，主要作用是計算紅外載波頻率和信號波形測量分析。

E2PROM存儲芯片選擇24C16，具有16 KB存儲空間，使用I2C總線通信。芯片的主要作用是存儲復(fù)制后的紅外二進(jìn)制編碼波形。

1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

STC12C5410AD支持的最大外部時鐘頻率為35 MHz，具有單時鐘機(jī)器周期，運(yùn)行速度是普通51單片機(jī)速度的12倍。最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

1.4 紅外接收及發(fā)射電路

紅外接收電路使用傳統(tǒng)的紅外接收管，接收信號經(jīng)三極管偏置電路放大。紅外發(fā)射電路波形信號從CLK引腳輸入，CS為門控端，信號經(jīng)三極管放大后驅(qū)動紅外發(fā)射管，如圖3所示。

1.5 E2PROM存儲電路

外部存儲器使用24C16芯片,通信接口使用模擬I2C總線，24C16的SDA引腳和SCL引腳分別與單片機(jī)的P3.7和P1.0相連，并用10 kΩ電阻上拉。

2 模塊軟件設(shè)計

本紅外自學(xué)習(xí)模塊主要工作模式分為：自學(xué)習(xí)模式和紅外遙控模式。自學(xué)習(xí)模式是學(xué)習(xí)紅外遙控的載波頻率和波形復(fù)制。工作步驟分為：載波頻率檢測、紅外波形檢測、檢測數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)儲存。軟件總體設(shè)計流程如圖4所示。

2.1 載波頻率檢測

因?yàn)椴煌募t外遙控使用的載波頻率有所不同，所以載波頻率的檢測是模塊主要功能之一。利用外部觸發(fā)中斷和定時器聯(lián)合使用來實(shí)現(xiàn)檢測載波頻率。

理論計算：假如紅外信號的載波頻率為40 kHz。則周期T=25μs。單片機(jī)時鐘頻率為 24 MHz，定時器計數(shù)周期為1/24 MHz=0.041 7μs。假如在載波的一個下降沿啟動定時器計數(shù)，到下一個下降沿停止計時，并讀取定時器的計數(shù)值，這個定時器的理論計數(shù)值為 25μs/0.041 7μs=600。

為了減小定時器計數(shù)值轉(zhuǎn)換成時間或頻率的計算誤差，本設(shè)計方案中存儲的頻率是定時器的計數(shù)值而并非實(shí)際的載波頻率。載波頻率檢測方法如下：

(1)將單片機(jī)的定時器0配置為16位計數(shù)器，計數(shù)時鐘不進(jìn)行12分頻；外部中斷1配置為下降沿觸發(fā)。

(2)當(dāng)接收到紅外波形時，下降沿觸發(fā)外部中斷1，在中斷函數(shù)中啟動定時器0開始計數(shù)。下一個下降沿時停止計數(shù)，并讀出計數(shù)值存入緩沖區(qū)。

(3)連續(xù)測量14個數(shù)據(jù)，將14個數(shù)據(jù)進(jìn)行冒泡法排列，分別去掉2個最大值和2個最小值，對剩下的數(shù)據(jù)求平均值。

(4)計算出來的平均值加上一個誤差補(bǔ)償值則為載波在一個周期內(nèi)定時器0的計數(shù)值。直接將計數(shù)值進(jìn)行存儲。

圖4 軟件總體設(shè)計流程圖

2.2 波形測量

波形測量是指對紅外信號的編碼波形進(jìn)行測量。實(shí)際測量調(diào)制信號高低電平的時間。以紅外NEC[1]協(xié)議為例，紅外NEC協(xié)議編碼波形如圖5所示。

圖5所示的黑色部分是載波，空白部分是低電平。波形測量的方法：采用外部中斷觸發(fā)的方式分別記錄不同黑塊中載波脈沖的個數(shù)和不同低電平的時間。具體測量步驟如下：

(1)配置單片機(jī)的定時器0和外部中斷1，與測量載波頻率時的配置相同。

(2)當(dāng)接收到紅外波形時下降沿觸發(fā)外部中斷1，在中斷函數(shù)中啟動定時器0開始計數(shù)，中斷計數(shù)器值自增1。

(3)下一個下降沿時定時器0停止計數(shù)，中斷計數(shù)器值自增1，并讀出定時器計數(shù)值。將計數(shù)值與載波頻率中測量值比較，若前者數(shù)值大于后者兩倍，則表明測量的是低電平，執(zhí)行步驟(4)；否則，重置定時器0初值，并返回執(zhí)行步驟(3)。

(4)存儲外部中斷1和定時器0的計數(shù)值，并判斷數(shù)據(jù)緩存是否存滿，若存滿則執(zhí)行步驟(5)；否則重置定時器0初值并返回步驟(3)。

(5)分析測出的數(shù)據(jù)，并提取一段完整的波形存入E2PROM中,執(zhí)行步驟(6)。若不能分析出一段完整波形，則執(zhí)行步驟(7)。

(6)通過串口反饋學(xué)習(xí)成功，并傳回按鍵編號。

(7)通過串口反饋學(xué)習(xí)失敗。

2.3 波形數(shù)據(jù)分析與存儲

波形測量后得到兩組數(shù)據(jù)，分別是調(diào)制段的載波脈沖個數(shù)和低電平的時間計數(shù)值。所測波形數(shù)據(jù)中包含一段完整的波形數(shù)據(jù)，之后會出現(xiàn)一個較長時間的低電平,這個低電平的時間一般都會大于10 ms。通過判別低電平時間,就可以提取出一段完整的波形數(shù)據(jù)。

存儲波形數(shù)據(jù)時，先定義一個結(jié)構(gòu)體，其成員有：載波頻率、按鍵編號、波形存儲首地址和存儲數(shù)據(jù)長度。其中按鍵編號和存儲數(shù)據(jù)長度采用無符號字符型，其余兩個采用無符號整型，因此一個結(jié)構(gòu)體變量的字節(jié)長度是6 B。24C16的存儲容量是16 KB,將存儲空間分成兩個區(qū)域，前2 KB來存儲波形的結(jié)構(gòu)體變量數(shù)據(jù)，后14 KB來存儲波形數(shù)據(jù)。理論上計算存儲器至少能存儲55個波形。

2.4 紅外信號發(fā)射

發(fā)射紅外信號時，先根據(jù)按鍵編號從24C16中讀取相應(yīng)按鍵的載波頻率、按鍵編號、波形數(shù)據(jù)存儲首地址和存儲數(shù)據(jù)長度。然后對按鍵編號進(jìn)行比較，確認(rèn)無誤后根據(jù)波形數(shù)據(jù)存儲首地址將波形數(shù)據(jù)讀取出來。再根據(jù)波形數(shù)據(jù)給定時器0賦不同的初值，在定時器0的定時中斷函數(shù)里對P3.5進(jìn)行電平翻轉(zhuǎn)，從而輸出編碼波形。波形信號經(jīng)過三極管功率放大驅(qū)動紅外發(fā)光二極管發(fā)射波形。

2.5 模塊UART通信協(xié)議設(shè)置

2.5.1 串口參數(shù)設(shè)置

串口參數(shù)設(shè)置為：波特率1 200 b/s、數(shù)據(jù)位 8 bit、停止位1 bit、無校驗(yàn)位、無流控制。

2.5.2 通信協(xié)議設(shè)置

(1)模塊接收數(shù)據(jù)格式

起始位 (0xfe)+命令位+數(shù)據(jù)長度+數(shù)據(jù)域+數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

命令位詳解：①0x00：模塊進(jìn)入學(xué)習(xí)模式；②0x01：模塊按照接收到的按鍵編碼發(fā)送紅外信號；③0x02：獲取指定按鍵編號的波形數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)長度：通信協(xié)議中數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)字節(jié)總數(shù)。

數(shù)據(jù)域：要發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)命令位為0x00，數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)無效，可為一個字節(jié)的任意數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)校驗(yàn)：數(shù)據(jù)域中所有數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和。

例如，模塊進(jìn)入學(xué)習(xí)模式接收到的數(shù)據(jù)應(yīng)該是0xfe 0x00 0x01 0x00 0x00；控制模塊發(fā)送編碼為2的按鍵信號數(shù)據(jù)應(yīng)該是0xfe 0x01 0x01 0x02 0x02。

(2)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)格式

起始位(0xfe)+狀態(tài)位+數(shù)據(jù)長度+數(shù)據(jù)域+數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

狀態(tài)位詳解：①0x00：紅外信號學(xué)習(xí)成功；②0x01：紅外信號學(xué)習(xí)失??；③0x02：數(shù)據(jù)域中發(fā)送指定按鍵的編碼波形數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)分析與性能測試

3.1 載波頻率學(xué)習(xí)測試對比與分析

測試方法：用一個模塊編寫程序發(fā)出固定頻率的信號，該信號需要經(jīng)過示波器測量確認(rèn)，并讓另一模塊接收，測量該頻率相應(yīng)的定時器計數(shù)值，通過串口發(fā)送到PC機(jī)的串口調(diào)試助手顯示。再計算出該頻率相應(yīng)的定時器理論計數(shù)值，將兩個數(shù)值進(jìn)行比較。測試結(jié)果如表1所示。

表1 載波頻率測試結(jié)果

理論值的計算方法：載波頻率為F,一個周期的時間T=1/F；單片機(jī)的時鐘頻率 f=24 MHz，定時器 0不采用12分頻方式，定時器計一個數(shù)的時間t=1/f。因此在一個T時間內(nèi)定時器0的計數(shù)值為C=T/t。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，測量值與理論值存在偏差，但是這個偏差值接近一個固定值34，通過軟件對測量數(shù)據(jù)加34來達(dá)到理論計算值。經(jīng)過補(bǔ)償后，將測量的頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號發(fā)出，用示波器測量發(fā)出的頻率與接收到的頻率一致。通過實(shí)驗(yàn)測得模塊學(xué)習(xí)載波的范圍是30 kHz～65 kHz。

載波頻率的數(shù)據(jù)測量可通過補(bǔ)償來達(dá)到理論要求。下面對實(shí)際的紅外遙控進(jìn)行載波頻率識別測試，使用示波器捕捉載波波形進(jìn)行比較。載波識別是本模塊的一大亮點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[1-7]中的紅外學(xué)習(xí)模塊都使用紅外一體化接收頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它們的共同點(diǎn)是載波頻率固定，不能學(xué)習(xí)多種載波的遙控信號。而載波學(xué)習(xí)的一個重要指標(biāo)是經(jīng)過學(xué)習(xí)后的載波頻率必須與原載波一致。

圖6所示為學(xué)習(xí)模塊識別載波頻率后發(fā)送的載波波形，頻率為38.46 kHz,占空比為1/2。用示波器測量紅外遙控發(fā)射的載波頻率為38.64 kHz,占空比為1/3。由圖6可見，該學(xué)習(xí)模塊能夠識別載波頻率。占空比的差異只與遙控器的功耗有關(guān)，但不影響遙控功能。

圖6 學(xué)習(xí)模塊學(xué)習(xí)后發(fā)送的載波

3.2 紅外波形學(xué)習(xí)測試對比與分析

紅外遙控自學(xué)習(xí)模塊另一重要功能是將學(xué)習(xí)到的紅外波形完整地發(fā)送出去，并且與原來的波形一致。通過示波器實(shí)驗(yàn)可以比對學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)發(fā)的波形與原有波形。圖7所示為按下遙控器1號鍵時，通過紅外接收管接收到的部分波形。圖8所示為模塊學(xué)習(xí)復(fù)制信號后發(fā)送的部分波形。經(jīng)過比較，兩種波形基本一致。

圖7 紅外遙控按鍵1發(fā)送的部分波形

圖8 模塊學(xué)習(xí)后發(fā)送的部分波形

實(shí)際功能測試：紅外遙控自學(xué)習(xí)模塊的主要功能是學(xué)習(xí)紅外遙控器的相關(guān)按鍵，并且能控制相關(guān)的紅外遙控設(shè)備。使用該模塊學(xué)習(xí)彩色電視機(jī)的遙控，能夠成功控制電視機(jī)頻道選擇；學(xué)習(xí)空調(diào)遙控，能成功控制空調(diào)的開關(guān)和調(diào)溫等操作。

本文介紹的紅外遙控自學(xué)習(xí)模塊具有自動識別載波頻率和波形學(xué)習(xí)的功能。實(shí)驗(yàn)證明，紅外自學(xué)習(xí)模塊具有良好的通用性和寬載波學(xué)習(xí)范圍，解決了目前遙控器只識別單一載波的問題。通過實(shí)際功能測試，驗(yàn)證了該模塊設(shè)計方案的可行性。

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