嚴(yán)豐　陳學(xué)英

摘 要： 設(shè)計一種基于現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA的紅外遙控彩燈多模式顯示控制系統(tǒng)。具有成本低、性能可靠、擴(kuò)展性好等優(yōu)點。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，提出一種由SC9148B紅外發(fā)射芯片及外圍電路作為發(fā)送器，HS0038B紅外一體化芯片作為接收器，F(xiàn)PGA作為核心控制器的紅外遙控系統(tǒng)的構(gòu)建方法。該系統(tǒng)通過時序仿真與FPGA邏輯驗證，結(jié)果表明，該設(shè)計能很好地實現(xiàn)彩燈紅外遙控信號的解碼控制、鍵值信號存儲及譯碼、彩燈多模式顯示等功能。

關(guān)鍵詞： 紅外遙控； FPGA； 解碼； 顯示

中圖分類號： TN929.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）19?0040?03

Abstract： A multi?mode coloured?lantern display control system with infrared remote control based on FPGA was designed， which has the advantages of low?cost， reliable performance and excellent scalability. The circuit structure of the system is introduced in detail. A construction method of infrared remote control system is put forward， which takes the infrared emission chip SC9148B and peripheral circuit as the transmitter， the integrated infrared chip HS0038B as the receiver， and FPGA as the core controller. This system was verified by time sequence simulation and FPGA logic validation. The actual results show that this design can realize the functions of decoding control of infrared remote control signal for the coloured lanterns， storage and decoding of the key value signal， and multi?mode coloured?lantern display.

Keywords： infrared remote control； FPGA； decoding； display

現(xiàn)代電子技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計方法正逐步退出歷史舞臺，基于可編程[1]邏輯器件FPGA的芯片設(shè)計技術(shù)逐步成為電子系統(tǒng)設(shè)計的主流。傳統(tǒng)的紅外遙控彩燈控制系統(tǒng)的信號解碼多采用單片機(jī)或ARM實現(xiàn)，其編碼器和解碼器的設(shè)計均為軟件方式，實際應(yīng)用中容易受到外界干擾而程序跑飛，且軟件解碼為串行運(yùn)算，響應(yīng)速度慢，CPU資源占用多，系統(tǒng)可靠性較低。相比之下，基于并行處理的FPGA具有非常顯著的優(yōu)勢，其速度快、系統(tǒng)集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、設(shè)計更改方便。本文采用市場主流的FPGA技術(shù)實現(xiàn)彩燈的紅外遙控，充分融合了通信技術(shù)、數(shù)字邏輯處理技術(shù)及FPGA技術(shù)[2]在工程實踐中的一體化應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

紅外遙控系統(tǒng)[3]一般主要由紅外發(fā)射器、紅外接收器和核心解碼微控制器及其外圍電路等四部分構(gòu)成。本設(shè)計中，在數(shù)十米范圍內(nèi)，當(dāng)按鍵被按下時，紅外發(fā)射器產(chǎn)生與指令/按鍵對應(yīng)的控制信號，并對控制信號進(jìn)行識別/編碼，經(jīng)過調(diào)制后，通過紅外發(fā)射管將串行數(shù)據(jù)以紅外光的形式發(fā)送出去。接收器接收來自發(fā)送器的紅外信號，并對接收到的信號進(jìn)行檢波、放大、濾波解調(diào)、整形等，最后從載波上恢復(fù)出基帶信號。還原后的基帶信號被送入核心解碼控制器FPGA，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號完成彩燈控制。

2 紅外發(fā)射電路設(shè)計

2.1 紅外通信協(xié)議

發(fā)射電路采用SC9148B為主芯片，其調(diào)制方式采用脈位調(diào)制（Pulse Position Modulation，PPM），將遙控指令編碼成脈沖序列[4]。其遙控指令的‘1是以占空比為[34]的正脈沖表示，‘0則用占空比為[14]的正脈沖表示，[a=16（38 kHz）。]

脈位調(diào)制編碼方式如圖1所示。編碼協(xié)議由12位按鍵碼組成，每一位均按照上述編碼規(guī)則所代表的‘0，‘1構(gòu)成，時間長度為[12×4a=48a。]當(dāng)按鍵被按下時，發(fā)射電路將以12位碼（48a）為一組發(fā)送兩次編碼，其中60a時間間隔為從按鍵按下到發(fā)送編碼的延遲時間，80a為重復(fù)發(fā)送12位碼（48a）的間隔時間，208a為重復(fù)發(fā)送兩次編碼的間隔時間。編碼指令如圖2所示格式連續(xù)發(fā)送。

電路工作原理為，當(dāng)檢測到按鍵按下時，DOUT端口輸出38 kHz高頻調(diào)制信號，經(jīng)紅外發(fā)射驅(qū)動電路放大后，通過紅外發(fā)射管發(fā)送出去。

3 紅外接收電路

采用通用紅外接收頭HS0038B完成對紅外光信號的接收、放大、濾波與解調(diào)[5]，解調(diào)后的邏輯電平信號通過擴(kuò)展I/O口送入FPGA中，由FPGA編程實現(xiàn)接收信號的解碼功能及相應(yīng)的彩燈模式控制，從而實現(xiàn)彩燈多模式顯示的紅外遙控功能。設(shè)計解碼器時應(yīng)該注意，HS0038B內(nèi)部集成有反相器以保證接收頭有足夠的靈敏度，從載波上恢復(fù)出來的基帶信號與原調(diào)制發(fā)射前的基帶信號是反相的。

4 FPGA解碼電路與模式控制電路

FPGA解碼控制器的核心思想是： 根據(jù)本設(shè)計的紅外通信協(xié)議，12位發(fā)送數(shù)據(jù)命令中的位碼‘1或者‘0的時間長度為[4a，]本設(shè)計將在每一個[4a]時間里，對每一位碼元進(jìn)行高電平脈沖采樣[6?7]，為方便計算采樣脈沖個數(shù)，最大限度減少誤差，故使用采樣時鐘頻率為50 MHz。若采樣后所得的脈沖數(shù)超過10 000而少于30 000，則判斷為邏輯‘1；若所得脈沖數(shù)超過30 000而少于80 000，則判斷為邏輯‘0；若脈沖數(shù)不滿足條件，則視為無效。全局時鐘脈沖采樣數(shù)計算過程如下：endprint

解碼控制器工作流程圖如圖4所示。系統(tǒng)復(fù)位進(jìn)入初始狀態(tài)。首先進(jìn)行輸入上邊沿檢測，若上升沿有效，表示檢測到紅外基帶信號，進(jìn)而判斷是否接收到完整12位數(shù)據(jù)編碼，接收到則經(jīng)延時同步（同步時間大于80a）后回到初始狀態(tài)進(jìn)行下一次12位編碼數(shù)據(jù)檢測，否則進(jìn)入脈沖采樣狀態(tài)。當(dāng)高電平采樣脈沖數(shù)小于10 000，視為無效，回到初始狀態(tài)；脈沖數(shù)大于10 000而小于30 000，視為接收到數(shù)據(jù)編碼1；脈沖數(shù)大于30 000而小于80 000，視為接收到數(shù)據(jù)編碼0；脈沖數(shù)大于80 000，視為無效，回到初始狀態(tài)。解碼控制器輸出的串行碼逐位進(jìn)入后級串/并轉(zhuǎn)換器。

解碼核心FPGA控制器采樣頻率為50 MHz。FPGA設(shè)計部分主要包括三個模塊，即時鐘管理電路（Digital Clock Manager，DCM），解碼控制電路，顯示模式控制電路。其中解碼電路包含解碼控制器，信號同步延時器，串/并轉(zhuǎn)換器三個模塊；顯示模式控制電路由譯碼器、彩燈循環(huán)顯示電路組成。FPGA邏輯設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖5所示。

DCM模塊將輸入時鐘頻率轉(zhuǎn)換為50 MHz頻率的全局時鐘信號clk，給后續(xù)所有模塊提供工作時鐘。解碼控制器對輸入的基帶信號進(jìn)行采樣，如圖5所示，采樣后的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換器[8?9]后被并行輸出，再由譯碼器轉(zhuǎn)換為與按鍵指令對應(yīng)的模式控制信號，控制彩燈進(jìn)行多模式顯示。為保證信號同步[10]，移位寄存器的時鐘周期為[4a，]由50 MHz全局時鐘分頻得到。

經(jīng)實際測試系統(tǒng)工作正常，性能良好，F(xiàn)PGA解碼模塊實現(xiàn)了對紅外編碼的實時解碼和顯示。收發(fā)距離約為20 m。在Modesim仿真環(huán)境下，F(xiàn)PGA解碼與模式控制電路系統(tǒng)時序仿真驗證，如圖6所示。

下面給出仿真結(jié)果的說明，為方便描述，圖6（a）中的信號從上至下用[a1，][a2，][a3，…]表示；圖6（b）中的信號從上至下用[b1，][b2，][b3，…]表示。[a1]為50 MHz時鐘信號，[a3]為仿真選用的12位串行編碼輸入信號111100100000，[a10]為12位并行碼數(shù)據(jù)；[b1]為2位模式控制信號，[b2]為彩燈循環(huán)顯示數(shù)據(jù)碼。由仿真圖可以看到，每一個[a3]信號到來時，解碼控制器準(zhǔn)確無誤地將其并行輸出，并由譯碼器轉(zhuǎn)換為模式控制信號11，在[b1]控制模式下，彩燈依次點亮（低電平代表燈亮），對應(yīng)碼型依次為01110111，10111011，11011101，11101110。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于FPGA紅外遙控彩燈控制電路，可根據(jù)紅外發(fā)射器的編碼格式，利用FPGA可編程特性靈活地對其進(jìn)行相應(yīng)的解碼。本設(shè)計很好地實現(xiàn)了四路紅外遙控彩燈顯示模式的循環(huán)控制，用戶可根據(jù)實際需求自由改變彩燈的循環(huán)模式。相比專業(yè)芯片或者單片機(jī)軟件設(shè)計技術(shù)，F(xiàn)PGA邏輯器件并行處理方式使得電路響應(yīng)時間更短，運(yùn)算成本更小，即使在強(qiáng)干擾環(huán)境下也能可靠穩(wěn)定的工作。同時，隨著FPGA技術(shù)的迅猛發(fā)展，其成本的迅速降低，體積的不斷減小，在未來工業(yè)、照明領(lǐng)域等有著廣泛的應(yīng)用前景。

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