基于EFM32GG230單片機(jī)的紅外無線自學(xué)習(xí)系統(tǒng)

汪波濤，張珣

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，杭州310018）

引 言

當(dāng)前民用遙控設(shè)備，主要分為兩種遙控方式：紅外和無線。無線設(shè)備通常采用315 MHz與433 MHz頻段無線電或者紅外線進(jìn)行遙控操作。多數(shù)遙控器都采用了“一對一”的控制方式[1]，不同設(shè)備之間采用的頻率一般都不相同，波形長短也不一樣，這樣就導(dǎo)致人們生活中有很多遙控器，需要控制一個設(shè)備的時候，必須尋找到對應(yīng)的遙控器才能進(jìn)行相關(guān)控制，這給實際生活帶來了麻煩與不便。無線自學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)可任意學(xué)習(xí)無線和紅外波形，進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮后存儲到EFM32GG230的FLASH中，將多個遙控器的功能綜合到一個系統(tǒng)上，實現(xiàn)“一機(jī)多發(fā)”。

1 紅外無線自學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計概況

1.1 EFM32GG230系列簡介

遙控器是需要長期待機(jī)的設(shè)備控制器件，傳統(tǒng)遙控器采用電池供電，功耗大、耗電快。本系統(tǒng)采用了EFM32GG230，該款芯片是挪威Energy Micro推出的超低功耗ARM架構(gòu)的MCU，具有豐富的外設(shè)接口。在活動模式下執(zhí)行來自FLASH實際代碼時，每MHz所耗電量為180μA，在深度睡眠EM3模式下為900 n A，在關(guān)機(jī)模式下為20 n A，EFM32GG230的LESENSE、LEUART，以及LETIMER模塊均針對低功耗設(shè)置。LESENSE能夠在低功耗模式EM2下對電流進(jìn)行檢測，無需CPU干預(yù)，待檢測完成后喚醒CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算。LEUART在9 600 bps的波特率下僅為150 n A。在應(yīng)用基準(zhǔn)測試中，EFM32GG230微控制器的低電流性能加上低于2μs的啟動時間，使其電池壽命延長了至少4倍。

1.2 紅外、無線遙控原理

紅外線是波長在750 nm至1μm之間的電磁波，它的頻率低于可見光，是一種人的眼睛看不到的光線。紅外遙控具有抗干擾能力強(qiáng)、信息傳輸可靠、功耗低、成本低、易于實現(xiàn)等顯著優(yōu)點。

一般的紅外遙控系統(tǒng)由紅外遙控信號發(fā)生器、紅外遙控信號接收器、微處理器和外圍電路構(gòu)成。當(dāng)遙控器某個按鍵按下，其內(nèi)部的信號發(fā)射器產(chǎn)生預(yù)先設(shè)定好的編碼脈沖，經(jīng)過載波調(diào)制后由紅外發(fā)射管串行輸出，紅外信號的調(diào)制有脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖位置調(diào)制（PPM）等方法。二進(jìn)制的調(diào)制由發(fā)射端單片機(jī)來完成，不同的遙控器有不同的載波頻率。以常見的電視紅外遙控為例，它把編碼后的二進(jìn)制信號調(diào)制成頻率為38 kHz的間斷脈沖串，此脈沖串即是用于紅外發(fā)射二極管發(fā)送的信號。其調(diào)制原理如圖1所示。

圖1 紅外發(fā)射調(diào)制原理（38 kHz載波）

另一端遙控接收模塊完成對紅外遙控信號的接收、放大、檢波、整形、解調(diào)出遙控編碼脈沖。遙控編碼脈沖是一組串行二進(jìn)制編碼，對于一般的紅外遙控系統(tǒng)，此串行編碼輸入到微控制器，由其內(nèi)部完成遙控指令解碼，并執(zhí)行相應(yīng)的遙控功能。

無線發(fā)射的原理與紅外基本一致，433和315分別指的是工作頻率在433 MHz和315 MHz的無線信號，其采用調(diào)幅方式進(jìn)行發(fā)射，發(fā)射距離一般在50～120 m，無線方式優(yōu)勢在于傳輸距離比紅外遠(yuǎn)，而且可穿墻[2]。

1.3 整體設(shè)計

從整體設(shè)計來看，本系統(tǒng)分為信號接收學(xué)習(xí)模塊、MCU控制模塊、信號轉(zhuǎn)發(fā)模塊。通過紅外接收頭接收紅外波形信號（433、315分別采用各自的接收模塊），然后利用EFM32GG230的引腳捕獲CC0、CC1、CC2對信號進(jìn)行捕獲，完全捕獲的原始信號進(jìn)入EFM32GG230主控 MCU，由EFM32GG230進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，壓縮后存儲到FLASH中。當(dāng)需要發(fā)射時，通過EFM32GG230從FLASH中提取壓縮后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)還原，而后與EFM32GG230內(nèi)部的PWM功能產(chǎn)生的載波進(jìn)行信號調(diào)制，調(diào)制好的信號經(jīng)由發(fā)射處理模塊進(jìn)行發(fā)射操作，完成一次遙控轉(zhuǎn)發(fā)。圖2為學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)框圖。

圖2 學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)框圖

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計流程

進(jìn)入程序后開始等待信號，如果得到學(xué)習(xí)信號，則進(jìn)一步判斷是紅外學(xué)習(xí)還是無線學(xué)習(xí)，無線學(xué)習(xí)有自適應(yīng)能力，能夠自動判斷收到的信號是433 MHz還是315 MHz，然后進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)壓縮，壓縮后存儲到FLASH中以待后期取用。如果得到的是發(fā)射信號，則進(jìn)行判斷是紅外信號還是無線信號，然后從FLASH中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，如果FLASH中并沒有數(shù)據(jù)（即沒有學(xué)習(xí)），則返回到開始處繼續(xù)等待，若有數(shù)據(jù)則進(jìn)行解壓縮操作，然后進(jìn)行載波調(diào)制（紅外信號），最后由相關(guān)模塊發(fā)射出去。發(fā)射模塊配有多個發(fā)射探頭，可根據(jù)需要選擇不同通道進(jìn)行發(fā)射，也可以多通道共同發(fā)射信號，發(fā)射完畢后回到開始處等待新指令。本系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

2.2 數(shù)據(jù)壓縮算法

本系統(tǒng)采用的波形數(shù)據(jù)壓縮算法為替代壓縮算法，經(jīng)過大量的分析，遙控器基本分為紅外遙控器、433遙控器和315遙控器，后兩種合稱為無線遙控器。紅外遙控器控制的設(shè)備包括電視、DVD、電動窗簾、電風(fēng)扇、熱水器、空調(diào)等。據(jù)大量紅外遙控器的波形分析，空調(diào)遙控器的波形為最長，測試中波形最長的空調(diào)遙控器為日本的DAIKIN空調(diào)，捕獲的脈沖數(shù)達(dá)到了5 000多個，將信號和載波分離解調(diào)后實際波形達(dá)到了300多個，如果直接保存，將大大浪費(fèi)FLASH的寶貴空間。相關(guān)的壓縮代碼如下所示：

由以上代碼可以看出，本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)體來存儲一個碼的相關(guān)信息，包括該碼波形的波形類型個數(shù)、各種波形的長度、數(shù)據(jù)長度、壓縮后的數(shù)據(jù)以及學(xué)習(xí)標(biāo)志。

經(jīng)過仔細(xì)觀察分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的絕大部分遙控器的編碼都有一個共性，就是其中整段碼中單個脈沖的類型為有限個數(shù)，除了開頭和結(jié)尾部分存在部分不同的波形，其他中間部分的波形一般為兩三種，加上幾種比較少見的波形，整體而看，波形個數(shù)為5或6個。

為了盡可能地適應(yīng)市面上的遙控器類型，將波形總數(shù)設(shè)置為10種，基本上可以涵蓋現(xiàn)有市面上任何一種遙控器上單個按鍵的碼值波形類型。分別用0～9來表示這10種波形，然后再利用一個結(jié)構(gòu)圖數(shù)組來存儲相應(yīng)波形的高低電平長度。

這樣，就將原先較長的高低電平長度存儲值變成了脈沖類型號的存儲，需要存儲的數(shù)據(jù)長度大大壓縮，本來需要16位甚至更多的位來存儲一個脈沖，現(xiàn)在只需要4位即可存下一個脈沖類型，壓縮率達(dá)到了75%。

發(fā)射相關(guān)碼時，只需根據(jù)脈沖號發(fā)射相應(yīng)脈沖的高低電平。經(jīng)試驗，此壓縮方法轉(zhuǎn)發(fā)成功率極高，幾乎0失誤，實現(xiàn)完美壓縮、自如發(fā)射。

結(jié) 語

本系統(tǒng)不必考慮需要學(xué)習(xí)的編碼到底是什么協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，也不用考慮無線碼是433還是315，其具有自適應(yīng)判斷能力，能夠自動識別碼型。不采用使用高低電平寬度存儲數(shù)據(jù)的方法，避免過度地浪費(fèi)寶貴的內(nèi)存空間，而利用波形類型號存儲，存儲時所用空間會小得多，大大降低了硬件成本，提高了空間利用率，簡化了電路。

本系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，能夠很好地控制各種設(shè)備，一次學(xué)習(xí)成功率和轉(zhuǎn)發(fā)成功率都很高，無線、紅外轉(zhuǎn)發(fā)切換流暢，獲得了滿意的效果，具有廣闊的市場前景。

[1]安穎，張春英，王裕琛.紅外遙控器在單片機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2003（6）：60-62.

[2]李朝青.無線發(fā)送/接收IC芯片及其數(shù)據(jù)通信技術(shù)選編[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.