第4章 红外遥控编码还原

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(0) 摘要 (1) 绪论 (2) 方案 (3) 解码 (4) 编码 (5) 调试 (6) 总结

如方案设计所述,制作红外编码发射装置,该装置能够按照RC-5协议编码,并采用38KHz的载波将红外编码信号发射,要求发射距离至少五米,载波频率可在37KHz-40KHz内调节,发射的信号能被一体化红外接收头SM0038有效接收。

4.1  基本原理

4.1.1  红外发射

如图4.1所示,红外发射使用红外发光二极管。它是一只特殊的发光二极管,内部材料不同于普通发光二极管,使用时控制信号通过三极管放大,控制红外二极管中通过的电流。当红外二极管两端施加一定电压,便发出红外线。目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右,外形与普通发光二极管相同[6]

图4.1  红外发射示意图

图4.1 红外发射示意图

4.1.2  红外编码

现有的红外编码协议主要包括:ITT Protocol、JVC Protocol、NEC Protocol、Nokia NRC17 Protocol、Sharp Protocol、Sony SIRC Protocol、Philips RC-5 Protocol、Philips RC-6 Protocol、Philips RC-MM Protocol、Philips RECS-80 Protocol、RCA Protocol、X-Sat Protocol。

而当前应用最为广泛的为:NEC Protocol 的PWM(脉冲宽度调制)和Philips RC-5 Protocol的PPM(脉冲位置调制)[6]。下面以这两种编码协议为例做介绍:

对于NEC,其协议定义如下:

1、特征

8位地址和8位指令长度

地址和命令的两次传输(确保可靠性)

PWM脉冲位置调制,以发射红外载波的占空比代表“0”和“1”

载波频率38kHz

位时间的1.125ms或2.25ms

2、位定义

NEC协议采用38KHZ的红外载波进行脉冲位置调制,如图4.2所示:一个脉冲对应560us的连续载波,一个逻辑1传输需要2.25ms(560s脉冲+1680us低电平),一个逻辑0传输需要1.125ms(560us脉冲+560us低电平),推荐载波占空比为1/4或1/3。

图4.2  NEC编码位定义

图4.2 NEC编码位定义

3、数据格式

图4.3显示了一个典型的NEC遥控指令构成,每条指令数据部分由同步码头、地址码、地址反码、控制码、控制反码构成。同步码包括一个9ms高电平和一个4.5ms的低电平,地址码、地址反码、控制码、和控制反码均是8位数据格式,按照地位在前高位在后的顺序发送(图中地址码为59控制码为16)。采用反码是为了增加传输可靠性(用于接收端校验),可以忽略反码值,也可以发送16位数据。

图4.3  NEC编码数据格式

图4.3 NEC编码数据格式

4、连续按键发送波形

按键一次发送一帧数据(同步码、地址码、地址反码、控制码、控制反码),如果一帧数据发送完毕,按键仍然处于按下状态,则发射重复码,即连发码(9ms高电平+2.5ms低电平+0.56ms高电平组成+97.94ms低电平),直到按键松开为止,如图4.4所示:

图4.4  NEC编码数据帧间结构

图4.4 NEC编码数据帧间结构

对于Philips RC-5,其协议定义如下:

1、特征

5位地址码和6位命令码

PPM相位编码(曼彻斯特编码),以发射载波的位置表示“0”和“1”

载波频率38kHz

恒定比特时间1.778ms

2、位定义

RC-5协议采用38KHZ的红外载波进行相位调制,一个脉冲对应889us的连续载波,逻辑0传输需要1.778ms(889us脉冲+889us低电平),逻辑1传输需要1.778ms(889us低电平+889us脉冲),波形如图4.5所示,推荐载波占空比1/4或1/3。

图4.5  RC-5编码位定义

图4.5 RC-5编码位定义

3、数据格式

图4.6显示了一个典型的RC-5遥控指令构成,每条指令数据部分由起始位(2位)、控制码(1位)、地址码(5位)、控制码(6位)构成,剩余为低电平空闲位。其中地址码和控制码采用高位在前、地位在后的发送顺序(图中地址码为5控制码为35),总发送时间64位,按键不放则重复发送波形,控制位随按键按下取反操作(用于识别多次按下)。

图4.6  RC-5编码数据格式

图4.6 RC-5编码数据格式

4、连续按键发送波形

按键一次发送一帧数据(起始位、控制码、地址码、控制码),如果一帧数据发送完毕,按键仍然处于按下状态,则重复发送一帧数据,直到按键松开为止,如图4.7所示:

图4.7  RC-5编码数据帧间结构

图4.7 RC-5编码数据帧间结构

以上详细介绍了两种编码协议,本文遵循飞利浦RC-5协议,选用SAA3010进行测试。

4.1.3  声卡采样

电脑声卡有两个模拟输入接口,Line In 和麦克风;有一个声音输出 Line Out,即Speeker。两个输入口都可以用作虚拟示波器的输入。但是由于声卡的输入端与内部放大器之间存在一个耦合电容,限制了直流及低频信号的通过,所以,声卡示波器只能采集交流信号。

最简单的输入连接就是直接将被测信号连到声卡的线路输入口或话筒输入口,如图4.8所示。声卡通常只允许不超过3V的电压输入(取决于声卡)[7]

图4.8  最简单的输入连接

图4.8 最简单的输入连接

为了避免过大的电压进入声卡,可采用图4.9所示的限压电路。两个串联的硅二极管将输入电压钳制在2×6.5=1.3(V)左右。如果声卡的模/数转换满程范围因此受到限幅影响,则可多串联一个硅二极管以将输入电压钳制在3×6.5=1.95(V)左右。

图4.9  具有简单过压保护的输入连接方式

图4.9 具有简单过压保护的输入连接方式

据此本文设计了声卡采集探头,其电路设计如图4.10所示:

图4.10  声卡采集探头电路图

图4.10 声卡采集探头电路图

本文选用的电脑声卡AD采样参数如表4.1所示:

表4.1  声卡AD采样典型参数

采样率 192KHz、96KHz、88.2KHz、64KHz、48KHz、44.1KHz、32KHz、22.05KHz、16KHz、11.025KHz、8KHz、6KHz
声道 单声道、立体声
采样精度 8位、16位、32位

声卡信号采集后,利用虚拟示波器软件便可得到输入波形,本文采用了两种的虚拟示波器:1、Multi-Instrument(万用仪)3.1,2、双龙电子的虚拟仪器V0.94(严宇亮),分别如图4.11、图4.12所示:

图4.11  Multi-Instrument(万用仪)3.1

图4.11 Multi-Instrument(万用仪)3.1

图4.12  双龙电子的虚拟仪器V0.94

图4.12 双龙电子的虚拟仪器V0.94

4.2  红外编码发射装置设计

红外编码发射装置采用单片机AT89C2051获取按键状态(每个按键对应一个指令编码,RD-5协议中的起始码,控制码,系统码由系统指定),按键被按下后,单片机获取其向量号,查询对应编码,然后通过软件延时产生38KHz载波通过引脚P3_2发射。

其硬件设计如图4.13所示:

图4.13  红外编码发射装置电路图

图4.13 红外编码发射装置电路图

上述电路图中的红外发射电路需要注意,当引脚P3_2(IR_out)为高电平时,PNP三极管9013截止,红外二极管不工作,不发射红外信号,当引脚P3_2(IR_out)为高低电平时,PNP三极管9013导通,红外二极管正向导通,发射红外信号,红外发射距离受三极管的电流放大倍数、发射载波的占空比、载波的频率等多方面的因素共同决定。

红外编码发射装置的软件流程如图4.14所示:

图4.14  红外编码发射装置软件流程图

图4.14 红外编码发射装置软件流程图

4.3  装置性能检测

在装置性能检测之前,先给出红外编码发射装置实物图,如图4.15所示:

图4.15  红外编码发射装置

图4.15 红外编码发射装置

(其中:1、红外发射,2、声卡探头,3、单片机,4、按键,5、红外接收部分)

4.3.1  红外编码还原测试

本文声卡采样选用192KHz、单声道、8位采样精度,利用自制的电脑声卡采集探头和虚拟示波器软件,对装置进行了四个方面的测试,分别如下:

1、波形对比,如图4.16、图4.17所示:

图4.16  SAA3010遥控器发射红外信号波形

图4.16 SAA3010遥控器发射红外信号波形

图4.17  红外编码发射装置发射信号波形

图4.17 红外编码发射装置发射信号波形

2、载波对比,如表4.2所示:

表4.2  38KHz载波对比

SAA3010遥控器载波波形 红外编码发射装置载波波形

SAA3010遥控器载波波形

SAA3010遥控器载波波形

红外编码发射装置载波波形

红外编码发射装置载波波形

3、时间对比,如表4.3所示:

表4.3  Multi-Instrument 实测数据对比

型号 周期 位时间
SAA3010遥控器 107.4568ms 1.6679ms
红外编码发射装置 108.1371ms 1.7233ms

4、红外接收滤波对比,如图4.18、图4.19所示:

图4.18  解码SAA3010遥控信号图

图4.18 解码SAA3010遥控信号图

图4.19  解码红外编码发射装置遥控信号图

图4.19 解码红外编码发射装置遥控信号图

通过上述四个方面的对比,不难发现,红外编码发射装置基本完成了红外发射任务,一体化红外接收头能有效接收,但在精度上还有待提高。

4.3.2  红外发射距离测试

除此,本文还研究了载波占空比对红外发射距离的影响,由RC-5协议编码格式和单片机的工作频率,可以得到不同占空比时的时间参数,如表4.4所示:

表4.4  软件延时对照表

载波周期 26.37826431 us
载波频率 37.91000000 KHZ
单片机晶振 24.00000000 MHZ
机器周期 0.50000000 us
1/2占空比
T1 13.18913216 us
近似机器周期数 13.00000000
T2 13.18913216 us
近似机器周期数 13.00000000
1/3占空比
T1 8.79275477 us
近似机器周期数 9.00000000
T2 17.58550954 us
近似机器周期数 17.00000000
1/4占空比
T1 6.59456608 us
近似机器周期数 6.00000000
T2 19.78369823 us
近似机器周期数 20.00000000

以表4.1作为参考,通过软件延时,得到不同占空比与红外发射距离测试数据如表4.5所示:

表4.5  占空比与红外发射距离测试数据

载波占空比 发射距离
1/4高电平+3/4低电平 10-20cm
1/3高电平+2/3低电平 10-20cm
1/2高电平+1/2低电平 40-50cm
3/4高电平+1/4低电平 8-10M

在载波频率和贯通电流(通过二极管的电流)固定前提下,红外发射距离主要受载波占空比影响,占空比中高电平占有的比例越大,发射的功率越高,发射的距离越远。实际设计时也要充分考虑电源供电,在发射距离和电源消耗之间折中。

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