基于紅外通信的遙控解碼器設(shè)計(jì)

沈航，林淼，吳洪玲，胡鋼，陳超

（1.研祥智能科技股份有限公司，廣東深圳 518107；2.廣東省工業(yè)邊緣智能創(chuàng)新中心，廣東深圳 518107）

0 引言

紅外光是電磁波的一種，其波長(zhǎng)處于微波與紅光之間。在電磁波譜當(dāng)中，間隔為0.76～1 000 μm的波譜段即為紅外光譜區(qū)［1-2］。自20世紀(jì)80年代以來，紅外遙控技術(shù)在日本開始流行起來，主要的應(yīng)用范疇在電視機(jī)中［3］。紅外通信作為一種在電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用的無(wú)線通訊技術(shù)，具有移動(dòng)通信設(shè)備所必需的體積小、功率低的特點(diǎn)，其傳輸速率適用于家庭和辦公室網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；且傳輸信號(hào)無(wú)干擾，傳輸準(zhǔn)確度高。紅外遙控是指利用波長(zhǎng)為0.76～1.5 μm之間的近紅外線來傳送控制信號(hào)。紅外遙控是一種非接觸的無(wú)線控制技術(shù)，工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外遙控能有效隔離電氣干擾，安全可靠［4-5］。一般紅外遙控系統(tǒng)分發(fā)射和接收兩個(gè)組成部分，其中發(fā)射部分主要元件為紅外發(fā)光二極管。紅外遙控常用38 kHz載波頻率，軟硬件實(shí)現(xiàn)方式各異，本文考慮軟件實(shí)現(xiàn)電路板元件少，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，選用軟件方式實(shí)現(xiàn)38 kHz載波。

目前紅外遙控技術(shù)的主要應(yīng)用有儀器儀表智能化的現(xiàn)代系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備中的輸入控制等。在本文中，紅外遙控解碼器主要體現(xiàn)在工業(yè)設(shè)備控制，企業(yè)在生產(chǎn)帶遙控器產(chǎn)品時(shí)會(huì)使用多種編碼類型的遙控器，常見的遙控編碼包括RC5、NEC、Toshiba、RCA、MITSHIBISHI、Sanyo等。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)遙控器當(dāng)中，會(huì)碰到不同編碼的遙控器對(duì)應(yīng)不同的產(chǎn)品，而在對(duì)這些遙控器做產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)，需要根據(jù)對(duì)應(yīng)遙控碼來匹配相應(yīng)的工業(yè)系統(tǒng)遙控器進(jìn)行設(shè)備遙控檢測(cè)［6］。因此，當(dāng)前遙控器產(chǎn)品檢測(cè)需要多種遙控器進(jìn)行人工檢測(cè)，浪費(fèi)成本，操作復(fù)雜。

本文針對(duì)遙控器產(chǎn)品“一遙控碼對(duì)應(yīng)一遙控器”的檢測(cè)問題，基于通用的紅外通信、解碼環(huán)境，設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)多種編解碼方式的紅外遙控解碼器，基于串口通信協(xié)議約定，設(shè)計(jì)串口通信數(shù)據(jù)幀格式，將紅外遙控碼封裝為數(shù)據(jù)幀，利用38 kHz載波實(shí)現(xiàn)紅外遙控，將遙控碼編碼規(guī)則轉(zhuǎn)換成指令脈沖編碼信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射。對(duì)本文提出的設(shè)計(jì)方法，通過應(yīng)用演示證明了其有效性。

1 硬件組成與環(huán)境搭建

1.1 紅外遙控解碼器架構(gòu)

紅外遙控解碼器架構(gòu)如圖1所示。紅外遙控解碼器通過串口接口與電腦主板連接，當(dāng)單片機(jī)編碼IC接收到電腦主板發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號(hào)。通過紅外遙控解碼器發(fā)射電路、發(fā)射機(jī)、接收電路、信號(hào)解調(diào)、紅外信號(hào)的接收［7］，搭建紅外通信、解碼環(huán)境。紅外遙控解碼器在接收到遙控器發(fā)送的紅外光信號(hào)后，對(duì)紅外光信號(hào)進(jìn)行解碼，將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，得到數(shù)字遙控碼，將數(shù)字遙控碼轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制的遙控鍵值。紅外遙控解碼器把遙控鍵值通過遙控解碼器的八段數(shù)碼管顯示出來，讓用戶清晰可見；同時(shí)把遙控鍵值通過單片機(jī)串口按照指定協(xié)議傳輸給其他儀器設(shè)備，以控制其他儀器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 紅外遙控解碼器架構(gòu)

1.2 單片機(jī)電路介紹

單片機(jī)的P3.0接紅外發(fā)射管LED G，連接圖如圖2所示（以SC51P0304單片機(jī)作為處理器為例）。紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光波，經(jīng)調(diào)制后，將紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，再送到后置放大器。發(fā)射機(jī)由調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、指令鍵、指令編碼系統(tǒng)、發(fā)射電路等幾部分組成，當(dāng)按下指令鍵或推動(dòng)操作桿時(shí)，指令編碼電路產(chǎn)生指令編碼信號(hào)，對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，再由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大后由發(fā)射電路向外發(fā)射經(jīng)調(diào)制定的指令編碼信號(hào)。接收電路由放大電路、指令譯碼電路、調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行電路等組成，接收電路接收發(fā)射器發(fā)出的編碼指令信號(hào)，并進(jìn)行放大后送解調(diào)電路，解調(diào)電路將指令編碼信號(hào)解調(diào)出來，還原為編碼信號(hào)，指令譯碼器將編碼指令信號(hào)進(jìn)行譯碼，最后由驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)各種指令的操作控制［8-9］。

圖2 P3.0接紅外發(fā)射管LED G的連接示意圖

紅外信號(hào)解調(diào)將一體化紅外接頭讀取到的信號(hào)儲(chǔ)存起來，對(duì)實(shí)際測(cè)試編碼進(jìn)行比較，相同后輸出即可，紅外信號(hào)的接收采用一體化紅外接收頭，將紅外接收管、放大器、濾波器及解調(diào)器集成在個(gè)硅片上，不僅尺寸小、無(wú)需外部元件，并且具有抗光電干擾性能好、接收角度寬等特點(diǎn)［10-11］。

2 紅外通信解碼

紅外遙控解碼器架構(gòu)主要含電腦主板端、單片機(jī)及紅外發(fā)光二極管，電腦主板為控制端，基于此架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)紅外通信解碼，一方面將各種類型遙控碼編碼規(guī)則寫入單片機(jī)，設(shè)計(jì)一種串口通信數(shù)據(jù)幀格式，基于串口通信協(xié)議約定及遙控碼編碼規(guī)則，將電腦主板遙控碼控制信號(hào)封裝成遙控碼數(shù)據(jù)幀傳輸給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)電腦主板端與解碼器單片機(jī)串口通信數(shù)據(jù)傳輸；另一方面，38 kHz載波實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射過程，需要在單片機(jī)接收到電腦主板串口數(shù)據(jù)幀中遙控碼信號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)遙控碼編碼規(guī)則轉(zhuǎn)換成指令脈沖編碼信號(hào)，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號(hào)。

2.1 基于串口通信的紅外遙控碼封裝

單片機(jī)與電腦主板控制端通過串口通信協(xié)議進(jìn)行通信，串口通信協(xié)議約定如下：波特率9 600，數(shù)據(jù)位8，停止位2，校驗(yàn)位None。紅外遙控解碼器要實(shí)現(xiàn)多種遙控碼兼容，必須把所有類型的遙控碼編碼規(guī)則寫入單片機(jī)中，同時(shí)為了區(qū)分遙控碼類型，設(shè)計(jì)單片機(jī)與主控端串口通信數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 電腦主板控制端與單片機(jī)串口通信數(shù)據(jù)幀格式

紅外碼類型定義：0x00研祥碼；0x01 TOSHIBA碼；0x02 NEC碼；0x03 MITSUBISHI碼；0x0n。編碼規(guī)則接收一個(gè)完整的碼包括：兩個(gè)3 ms的頭脈沖，八位客戶碼，接下來是遙控碼，最后是4.5 ms的保護(hù)碼。接收碼必須要驗(yàn)證頭脈沖寬度、客戶碼、保護(hù)脈沖寬度3個(gè)部分都是正確的才可以保證所接收碼的正確性。根據(jù)數(shù)據(jù)幀規(guī)則，研祥碼數(shù)據(jù)幀為：0xA5 0x5A 0x000x02客戶碼數(shù)據(jù)碼，其他遙控碼按其對(duì)應(yīng)的編碼規(guī)則進(jìn)行編排。

基于以上方法，解碼器將遙控碼編碼信號(hào)封裝成數(shù)據(jù)幀通過串口發(fā)送給單片機(jī)，比如用戶在控制端遙控碼類型項(xiàng)選擇研祥碼，遙控碼項(xiàng)選擇0x02作為客戶碼，0x1C作為數(shù)據(jù)碼，封裝成數(shù)據(jù)幀為：0xA5 0x5A 0x00 0x02 0x02 0x1C，通過串口發(fā)送給單片機(jī)。

2.2 紅外發(fā)射

紅外發(fā)射將單片機(jī)指令脈沖編碼信號(hào)調(diào)制在載波振蕩器產(chǎn)生的載波上，用脈碼調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的紅外光波。紅外遙控解碼器將二進(jìn)制脈沖碼調(diào)制在38 kHz載波上，緩沖放大后送至紅外發(fā)光二極管，轉(zhuǎn)化為紅外信號(hào)發(fā)射出去。發(fā)射紅外遙控碼過程如圖3所示（以SC51P0304單片機(jī)作為處理器為例）。

圖3 發(fā)射紅外遙控碼過程

為實(shí)現(xiàn)38 kHz載波頻率，單片機(jī)內(nèi)置定時(shí)器產(chǎn)生周期性26.3μs的矩形脈沖，定時(shí)器產(chǎn)生中斷輸出一個(gè)相反的信號(hào)使輸出端產(chǎn)生周期的38 kHz脈沖信號(hào)。二進(jìn)制脈沖碼的形式最為常用的是PWM碼（脈沖寬度調(diào)制碼）和PPM碼（脈沖位置調(diào)制碼）［12］，PWM碼和PPM碼分別代表NEC碼和PHILIPS的RC-5碼、RC-6碼等。本文設(shè)計(jì)采用PPM碼，以寬脈沖表示1，窄脈沖表示0。碼位寬的代表1，碼位窄的代表0。紅外碼發(fā)送處理過程如圖4所示（以SC51P0304單片機(jī)作為處理器為例）。

圖4 紅外碼發(fā)送處理過程

遙控碼編碼脈沖信號(hào)由碼、功能碼、功能反碼、系統(tǒng)碼、系統(tǒng)反碼等信號(hào)組成。引導(dǎo)碼由寬度為3 ms的高電平和寬度為3 ms的低電平組成，用來標(biāo)志遙控編碼脈沖信號(hào)的開始。功能碼代表相應(yīng)的控制功能，接收機(jī)可根據(jù)功能碼的數(shù)值完成各種功能操作［13-14］。系統(tǒng)碼用來指示遙控系統(tǒng)的種類，以區(qū)別其他遙控系統(tǒng)，防止各遙控系統(tǒng)的誤動(dòng)作，系統(tǒng)反碼與功能反碼分別是系統(tǒng)碼與功能碼的反碼，反碼的加入是為了能在接收端校對(duì)傳輸過程中數(shù)據(jù)是否產(chǎn)生差錯(cuò)。

對(duì)于同一臺(tái)設(shè)備，功能碼是固定的，在發(fā)送紅外碼時(shí)，將要發(fā)送的功能碼按指定的遙控碼編碼規(guī)則轉(zhuǎn)換成指令脈沖編碼信號(hào)，將指令脈沖編碼信號(hào)調(diào)制在38 kHz的載波上即可［5］。在轉(zhuǎn)換指令脈沖編碼信號(hào)階段，根據(jù)接收到的串口數(shù)據(jù)幀中的遙控碼類型標(biāo)識(shí)來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，指定類型按指定遙控碼編碼規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)遙控解碼器支持多種類型的遙控碼發(fā)射。

3 解碼器應(yīng)用

把USB連接線的一端接到遙控解碼器的USB接口上，另一端接到儀器或設(shè)備的USB接口上；按下遙控解碼器的電源開關(guān)，遙控解碼器啟動(dòng)初始化程序，大約200 ms，初始化完成進(jìn)入工作狀態(tài)。初始化完成后，數(shù)碼管顯示兩個(gè)0：用遙控器對(duì)著遙控解碼器的紅外接收器按鍵，其對(duì)應(yīng)的遙控鍵值就出現(xiàn)在遙控解碼器的數(shù)碼管上，按下電視機(jī)遙控器的信號(hào)選擇鍵，1C顯示在數(shù)碼管上。同時(shí)，如果接收儀器/設(shè)備端成功安裝了USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)并且啟動(dòng)了串口工具，可看到串口軟件接收到一串?dāng)?shù)據(jù)：A5 5A 00 02 02 1C，其中，“A5 5A”是協(xié)議頭，“00”是遙控碼類型，“02”是遙控碼數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，“02 1C”是遙控碼數(shù)據(jù)。遙控解碼器的電源開關(guān)和紅外接收器指示如圖5所示。

圖5 遙控解碼器的電源開關(guān)和紅外接收器指示

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款實(shí)現(xiàn)多種編解碼方式的紅外遙控解碼器，解碼器通過基于串口通信的紅外遙控碼封裝方法，實(shí)現(xiàn)多種類遙控碼的數(shù)據(jù)幀封，并基于38 kHz載波實(shí)現(xiàn)遙控碼編碼脈沖信號(hào)調(diào)制，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)紅外發(fā)射。將本文解碼器引入不同編碼遙控器的檢測(cè)當(dāng)中，能夠解決當(dāng)前在對(duì)帶遙控器產(chǎn)品做檢測(cè)時(shí)，需要使用多種遙控器做人工檢測(cè)，浪費(fèi)遙控器制作成本、操作復(fù)雜、浪費(fèi)人力以及增加工人學(xué)習(xí)難度的問題，可普遍應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，大大提升設(shè)備控制效率和準(zhǔn)確率。