基于EDA技術(shù)的紅外遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要紅外遙控在智能儀器、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。為此, 文中介紹了一種由PT2248作為發(fā)送器，MIM-R1AA38KHZ紅外一體化接收解調(diào)器作為接收器的紅外遙控系統(tǒng)的構(gòu)建方法，著重介紹了基于EDA技術(shù)的解碼器的設(shè)計(jì)思路。用該方法所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理簡單，可靠性及可移植性好, 可應(yīng)用于很多控制場合。關(guān)鍵詞：紅外遙控系統(tǒng)；解碼；EDA目 錄1 1 前言前言.12 2 紅外遙控原理紅外遙控原理.12.1 識別與編碼.12.2 調(diào)制.12.3 接收器的調(diào)解與解碼.23 3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).23.1 整體結(jié)構(gòu).23.2 基于 EDA 技術(shù)的解碼.44 4 課程設(shè)計(jì)的總結(jié)與體會(huì)課程設(shè)計(jì)的總結(jié)與

2、體會(huì).6參考文獻(xiàn)資料參考文獻(xiàn)資料.7l l01 前言紅外遙控以其接收和發(fā)送方便,結(jié)構(gòu)簡單, 功耗低, 抗干擾能力強(qiáng),可靠性高及成本低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)控制和智能儀器系統(tǒng)中。然而, 市場上的絕大部分遙控器都是針對各自特定的遙控對象,而不能直接應(yīng)用于通用的智能儀器及更一般的控制場合。為此, 本文探討了以PT2248為編碼/發(fā)送部分, 而以MIM-R1AA38KHZ紅外一體化接收解調(diào)器為接收部分的紅外遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案, 著重討論了如何運(yùn)用技術(shù)中自頂向下的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)自行解碼功能的具體方法, 該方案能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)誤碼, 防止誤操作的產(chǎn)生,因而能夠通用于各種控制場合。本文的解碼方法對接收

3、到的信號的結(jié)（編碼方式）的依賴程度較低, 因而可移植性好。2 紅外遙控原理2.1 識別與編碼一個(gè)紅外遙控系統(tǒng)一般由紅外發(fā)射器和紅外接收器, 微控制器及外圍電路組成。其中紅外發(fā)送器用來產(chǎn)生與指令或按鍵對應(yīng)的控制信號, 并在信號發(fā)送前預(yù)先對指令或按鍵信號進(jìn)行識別與編碼, 并經(jīng)過調(diào)制以串行數(shù)據(jù)的形式發(fā)送出去。常用的識別與編碼方法有兩種：即頻分制和碼分制。頻分制就是以不同頻率的信號代表不同的指令或按鍵。遙控信號的頻率范圍在幾百赫茲到幾十千赫茲之間。這種識別與編碼方式可以使發(fā)送出去的遙控信號抗干擾能力較強(qiáng)。但是由于不同的指令按鍵要占用不同的頻帶, 所以在遙控指令集比較復(fù)雜的場合, 它需要較多的遙控通道,

4、 也就是要占用更多的頻率資源。因而這種方法只適合指令集簡單的場合。當(dāng)指令集較復(fù)雜時(shí), 則一般采用碼分制。碼分制紅外遙感是以不同的脈沖或者脈沖組合來代表不同的指令或按鍵。與頻分制相比, 碼分制電路簡單, 使用靈活, 在實(shí)際應(yīng)用中多采用這種方式。下面將要用到的PT2248就是種方式。編碼方式主要有頻率調(diào)制(FM)、脈寬調(diào)制(PWM)和脈位調(diào)制(PPM), 實(shí)際上,各種紅外系統(tǒng)的主要區(qū)別就在于信號的編碼方式不相同。2.2 調(diào)制對于碼分制識別與編碼的發(fā)送器,由于其編碼頻率很低(周期在毫秒級), 因此, 若將編碼后的基帶信號直接發(fā)送, 則其抗干擾能力不高。故實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在發(fā)送器中加人調(diào)制電路以保證系統(tǒng)的

5、抗干擾能力。目前常用的頻率有30 kHz,38 kHz,40 kHz及56kHz等幾種。2.3 接收器的調(diào)解與解碼紅外接收器的主要功能是接收來自發(fā)送器的紅外信號, 并對接收到的信號進(jìn)行放大、檢波、整形, 直至從載波上解調(diào)出基帶信號。對于專用設(shè)備, 還包括基帶信號的解碼過程。但是對于獨(dú)立研發(fā)生產(chǎn), 則可按照編碼方式自行解碼。接收器的結(jié)構(gòu)功能很大程度上決定于發(fā)送器的結(jié)構(gòu)及對信號的處理方式。因而產(chǎn)生了專用的解碼芯片和自行設(shè)計(jì)的解碼芯片。3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 整體結(jié)構(gòu)本文選取PT2248作為構(gòu)成發(fā)送器的芯片。整個(gè)系統(tǒng)框圖及外圍電路如圖1所示。其中兩個(gè)電容均為120pF,晶振頻率為455kHz。PT22

6、48最大可用18路紅外遙控系統(tǒng)的編碼, 其內(nèi)部己集成了38kHz的紅外載波振蕩及相應(yīng)的數(shù)字脈碼調(diào)制電路。故在設(shè)計(jì)時(shí), 只需外接3x6的矩陣式按鍵、紅外發(fā)光二極管及其驅(qū)動(dòng)電路等少量元器件便可完成編碼發(fā)送功能。由于PT2248采用了38kHz載波振蕩及脈碼調(diào)制電路, 因而接收端采用頻率與之對應(yīng)的MIM-R1AA38KHZ紅外一體化接收解調(diào)器。而解調(diào)出來的基帶信號解碼則由CPLD來實(shí)現(xiàn)。PT2248的編碼方式采用脈位調(diào)制(PPM)方式來將遙控指令編碼成脈沖序列, 然后再調(diào)制以高頻信號, 最后以紅外光的形式發(fā)送出去。其遙控指令的1 用占空比為3/4的正脈沖表示, 0 則用空比為1/4的正脈沖表示, 如

7、圖2(a)、(b)所示。其中a為位碼周期的1/4, 一個(gè)a占有的時(shí)間長度為PT2248內(nèi)部紅外載波振蕩周期的16倍, 即a=16/(38kHz)。另外, MIM-R1AA38KHZ對接收到的信號除了進(jìn)行放大、限幅、檢波, 直至得到遙控指令的脈沖信號外, 還會(huì)對解調(diào)出的信號進(jìn)行整形和反向輸出。因此, 圖2(c)、(c)所示的信號才是我們真正需要用CPLD自行識別的信號。一般遙控器的每個(gè)按鍵編碼都由12位遵照以上編碼規(guī)則所代表的“0” 、“1” 組成，時(shí)間長度為12x4a=48a。這樣, 當(dāng)按下遙控器的7到18號單擊按鍵時(shí), 系統(tǒng)將以12位為一組(48a)發(fā)送兩次編碼, 具體方式如圖3(a)所示。

8、其中60a為自按下按鍵到發(fā)送編碼的等待時(shí)間, 80a是重復(fù)發(fā)送12位48a編碼的間隔時(shí)間, 接收解調(diào)器在此時(shí)的輸出和沒有收到紅外編碼一樣(為高電平)。而7到18號單擊按鍵無論發(fā)送端按鍵時(shí)間持續(xù)多長, 都只發(fā)送一次這樣形式的兩組相同的12位編碼。當(dāng)按下1到6號連續(xù)按鍵時(shí), 編碼按圖3（b）所示格式連續(xù)發(fā)送。具體每個(gè)位的串行編碼規(guī)則如圖4所示：圖4的C1、C2、C3為用戶碼，T1、T2、T3與CODE之間分別接IN4148二極管時(shí)分別代表C1、C2、C3為1 , 否則為0。按照圖1中PT2248的接法,C1C2C3=111，H、S1、S2為單擊或連續(xù)按鍵的標(biāo)志位（相當(dāng)于列坐標(biāo)），D1至D6為按鍵輸

9、人碼（相當(dāng)于行坐標(biāo)）。各按鍵除C1、C2、C3以外的低九位的編碼如表1所列（按HS1S2D1D2D3D4D5D6排列）：3.2 基于 EDA 技術(shù)的解碼有了對以上情況的了解, 就可以利用EDA技術(shù)對CPLD進(jìn)行編程燒制,從而實(shí)現(xiàn)對MIM-R1AA的輸出信號的自行解碼。在用VHDL語言進(jìn)行功能級描述時(shí), 可以把信號的解碼過程看成free、sone、stwo、sthree、sfour五個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程。這五個(gè)狀態(tài)在解碼過程中對應(yīng)的時(shí)間段如圖3(C)所示。由圖3(C)可以看出, 在接收器沒有接收到信號的時(shí)間段, 以及同一鍵號發(fā)送的兩次編碼的間隔時(shí)間為80a, 和連續(xù)按鍵的PAUSE時(shí)間段為208a的

10、時(shí)間內(nèi), 輸出均為高電平, 為free狀態(tài), 而真正接收信號時(shí), 對輸出的處理可看成sone、stwo、sthree、sfour這四個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。每到一個(gè)狀態(tài)接收一個(gè)電平值, 并在sfour狀態(tài)對接收到的四個(gè)電平進(jìn)行識別。從而驅(qū)動(dòng)需選取的一個(gè)與（38/16）kHz同步的時(shí)鐘, 其轉(zhuǎn)換機(jī)制如圖5所示：圖6所示是在MAXPLUS環(huán)境下的仿真波形：由圖6可以看出, 在系統(tǒng)復(fù)位后,dati 收到1號按鍵的編碼信息后, 會(huì)在48a后得到dtmp信息F20H,并將其解碼成01H即1號按鍵。如果信號中途受到干擾, 接收到的dtmp信息則為非法碼, 即在表1中查不到, 但此時(shí)應(yīng)及時(shí)判別, 以防止誤操作。實(shí)際上

11、, 連接好外圍電路, 并配置好器件, 再將引腳分配程序下載到CPLD, 該系統(tǒng)就構(gòu)建成功了。在VHDL的解碼設(shè)計(jì)中, 時(shí)鐘的同步與對MIM-R1AA輸出信號的采集時(shí)機(jī)選擇是解碼成功的關(guān)鍵。選擇CPLD輸人時(shí)鐘時(shí), 一般由晶體振蕩器產(chǎn)生并整形就可得到矩形波(上圖中對應(yīng)為clk), 該頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于(38/16)kHz(圖中的clkoo頻率),因而需要對clk進(jìn)行分頻。分頻系數(shù)的計(jì)算方式如下:N=。/(38/16)clkfkHz式中, N不是整數(shù)時(shí)的取值，用舍去法或進(jìn)一法均可。本文用的舍去法, 但是在N取不到整數(shù)的情況下,clk的頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于(38/16)kHz, 這樣可以使得在48a的時(shí)間段內(nèi)

12、的積累誤差盡量減小。在圖6中, clkoo是驅(qū)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘。在VHDL設(shè)計(jì)中, 系統(tǒng)將在clkoo的上升沿完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換。為了可靠, 一般不能就在此時(shí)對dati進(jìn)行采集。而且在本文中, 一個(gè)狀態(tài)對dati的采集至多一次, 這樣可以避免clkoo時(shí)鐘與dati相位不同而產(chǎn)生的混亂。4 課程設(shè)計(jì)的總結(jié)與體會(huì)通過這次課程設(shè)計(jì)使我充分理解了以PT2248發(fā)送器, MIM-R1AA38kHz紅外一體化接收解調(diào)器,以及自行設(shè)計(jì)的CPLD解碼器構(gòu)成的紅外遙控系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)過程。由于在設(shè)計(jì)CPLD解碼器時(shí), 是先接收數(shù)據(jù), 然后再識別鍵號。因而對于接收信號編碼格式的依賴性低, 所以具有比較強(qiáng)的可移植性。此外, 解碼器還能及時(shí)判別誤碼, 以防止誤操作, 而且可靠性好,可以應(yīng)用到一般的遙控場合。在此次設(shè)計(jì)中，使自己多年來所學(xué)的理論知識和實(shí)踐做到有機(jī)的結(jié)合，進(jìn)一步深化鞏固自己的理論知識。在此我非常要感謝的是我的指導(dǎo)老師*老師，感謝老師的細(xì)心認(rèn)真的輔導(dǎo)，教給我許多原來不知道的知識。這次課程設(shè)計(jì)能夠順利的完成，有我個(gè)