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(lái)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(jì)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(hào)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(hào)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(duì)單一的載波頻率進(jìn)行學(xué)習(xí)，而不能識(shí)別不同的載波頻率的遙控信號(hào)。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(duì)較少。

1 模塊硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于STC單片機(jī)，芯片型號(hào)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(hào)為STC12C5410AD。32腳LQFP封裝，CPU 最大頻率 35 MHz，10 KB Flash，512 B RAM，共 6個(gè)16位普通定時(shí)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(jì)算紅外載波頻率和信號(hào)波形測(cè)量分析。

E2PROM存儲(chǔ)芯片選擇24C16，具有16 KB存儲(chǔ)空間，使用I2C總線通信。芯片的主要作用是存儲(chǔ)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(shí)鐘頻率為35 MHz，具有單時(shí)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(hào)經(jīng)三極管偏置電路放大。紅外發(fā)射電路波形信號(hào)從CLK引腳輸入，CS為門控端，信號(hào)經(jīng)三極管放大后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，如圖3所示。

1.5 E2PROM存儲(chǔ)電路

外部存儲(chǔ)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(jì)

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(cè)、紅外波形檢測(cè)、檢測(cè)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

2.1 載波頻率檢測(cè)

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(cè)是模塊主要功能之一。利用外部觸發(fā)中斷和定時(shí)器聯(lián)合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)載波頻率。

理論計(jì)算：假如紅外信號(hào)的載波頻率為40 kHz。則周期T=25μs。單片機(jī)時(shí)鐘頻率為 24 MHz，定時(shí)器計(jì)數(shù)周期為1/24 MHz=0.041 7μs。假如在載波的一個(gè)下降沿啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)數(shù)，到下一個(gè)下降沿停止計(jì)時(shí)，并讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，這個(gè)定時(shí)器的理論計(jì)數(shù)值為 25μs/0.041 7μs=600。

為了減小定時(shí)器計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率的計(jì)算誤差，本設(shè)計(jì)方案中存儲(chǔ)的頻率是定時(shí)器的計(jì)數(shù)值而并非實(shí)際的載波頻率。載波頻率檢測(cè)方法如下：

(1)將單片機(jī)的定時(shí)器0配置為16位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)時(shí)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(shí)，下降沿觸發(fā)外部中斷1，在中斷函數(shù)中啟動(dòng)定時(shí)器0開始計(jì)數(shù)。下一個(gè)下降沿時(shí)停止計(jì)數(shù)，并讀出計(jì)數(shù)值存入緩沖區(qū)。

(3)連續(xù)測(cè)量14個(gè)數(shù)據(jù)，將14個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行冒泡法排列，分別去掉2個(gè)最大值和2個(gè)最小值，對(duì)剩下的數(shù)據(jù)求平均值。

(4)計(jì)算出來(lái)的平均值加上一個(gè)誤差補(bǔ)償值則為載波在一個(gè)周期內(nèi)定時(shí)器0的計(jì)數(shù)值。直接將計(jì)數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖4 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖

2.2 波形測(cè)量

波形測(cè)量是指對(duì)紅外信號(hào)的編碼波形進(jìn)行測(cè)量。實(shí)際測(cè)量調(diào)制信號(hào)高低電平的時(shí)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(cè)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(gè)數(shù)和不同低電平的時(shí)間。具體測(cè)量步驟如下：

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

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

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

(4)存儲(chǔ)外部中斷1和定時(shí)器0的計(jì)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(shí)器0初值并返回步驟(3)。

(5)分析測(cè)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(guò)串口反饋學(xué)習(xí)成功，并傳回按鍵編號(hào)。

(7)通過(guò)串口反饋學(xué)習(xí)失敗。

2.3 波形數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)

波形測(cè)量后得到兩組數(shù)據(jù)，分別是調(diào)制段的載波脈沖個(gè)數(shù)和低電平的時(shí)間計(jì)數(shù)值。所測(cè)波形數(shù)據(jù)中包含一段完整的波形數(shù)據(jù)，之后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的低電平,這個(gè)低電平的時(shí)間一般都會(huì)大于10 ms。通過(guò)判別低電平時(shí)間,就可以提取出一段完整的波形數(shù)據(jù)。

存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)時(shí)，先定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，其成員有：載波頻率、按鍵編號(hào)、波形存儲(chǔ)首地址和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。其中按鍵編號(hào)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度采用無(wú)符號(hào)字符型，其余兩個(gè)采用無(wú)符號(hào)整型，因此一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量的字節(jié)長(zhǎng)度是6 B。24C16的存儲(chǔ)容量是16 KB,將存儲(chǔ)空間分成兩個(gè)區(qū)域，前2 KB來(lái)存儲(chǔ)波形的結(jié)構(gòu)體變量數(shù)據(jù)，后14 KB來(lái)存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)。理論上計(jì)算存儲(chǔ)器至少能存儲(chǔ)55個(gè)波形。

2.4 紅外信號(hào)發(fā)射

發(fā)射紅外信號(hào)時(shí)，先根據(jù)按鍵編號(hào)從24C16中讀取相應(yīng)按鍵的載波頻率、按鍵編號(hào)、波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)首地址和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。然后對(duì)按鍵編號(hào)進(jìn)行比較，確認(rèn)無(wú)誤后根據(jù)波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)首地址將波形數(shù)據(jù)讀取出來(lái)。再根據(jù)波形數(shù)據(jù)給定時(shí)器0賦不同的初值，在定時(shí)器0的定時(shí)中斷函數(shù)里對(duì)P3.5進(jìn)行電平翻轉(zhuǎn)，從而輸出編碼波形。波形信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管功率放大驅(qū)動(dòng)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(wú)校驗(yàn)位、無(wú)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(zhǎng)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(hào)；③0x02：獲取指定按鍵編號(hào)的波形數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(wú)效，可為一個(gè)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(hào)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(zhǎng)度+數(shù)據(jù)域+數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

狀態(tài)位詳解：①0x00：紅外信號(hào)學(xué)習(xí)成功；②0x01：紅外信號(hào)學(xué)習(xí)失敗；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(cè)試

3.1 載波頻率學(xué)習(xí)測(cè)試對(duì)比與分析

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

表1 載波頻率測(cè)試結(jié)果

理論值的計(jì)算方法：載波頻率為F,一個(gè)周期的時(shí)間T=1/F；單片機(jī)的時(shí)鐘頻率 f=24 MHz，定時(shí)器 0不采用12分頻方式，定時(shí)器計(jì)一個(gè)數(shù)的時(shí)間t=1/f。因此在一個(gè)T時(shí)間內(nèi)定時(shí)器0的計(jì)數(shù)值為C=T/t。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，測(cè)量值與理論值存在偏差，但是這個(gè)偏差值接近一個(gè)固定值34，通過(guò)軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)加34來(lái)達(dá)到理論計(jì)算值。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，將測(cè)量的頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號(hào)發(fā)出，用示波器測(cè)量發(fā)出的頻率與接收到的頻率一致。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)量可通過(guò)補(bǔ)償來(lái)達(dá)到理論要求。下面對(duì)實(shí)際的紅外遙控進(jìn)行載波頻率識(shí)別測(cè)試，使用示波器捕捉載波波形進(jìn)行比較。載波識(shí)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(hào)。而載波學(xué)習(xí)的一個(gè)重要指標(biāo)是經(jīng)過(guò)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(shí)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(cè)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(shí)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(cè)試對(duì)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(lái)的波形一致。通過(guò)示波器實(shí)驗(yàn)可以比對(duì)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(hào)鍵時(shí)，通過(guò)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(hào)后發(fā)送的部分波形。經(jīng)過(guò)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(cè)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(dòng)識(shí)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(shí)別單一載波的問題。通過(guò)實(shí)際功能測(cè)試，驗(yàn)證了該模塊設(shè)計(jì)方案的可行性。

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