1、基于FPGA的紅外家居遙控系統(tǒng)陳立江 趙琦 （北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 北京 100083）摘 要:介紹了紅外家電遙控的碼流和幾種類型的編碼方法；采用89S51單片機和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）開發(fā)了一款自學(xué)習(xí)式通用家電遙控器；通過自制的簡易遙控教練器與接收器實現(xiàn)了對原本無遙控功能的電燈、電扇、窗簾等追加紅外遙控功能；通過Girder軟件實現(xiàn)了對電腦的遙控；通過對電腦、電視、VCD等家用電器的測試，結(jié)果表明本遙控系統(tǒng)的學(xué)習(xí)性能良好，操作簡易，有效遙控距離可達5-7米。關(guān)鍵詞:遙控；編碼；自學(xué)習(xí)；FPGA；LCD中圖分類號: TN431.2 文獻標(biāo)識碼: A文章編號: 引言隨著人們生

2、活水平的提高，家用電器種類增多，遙控器的種類也隨之增加，不同種類的遙控器之間一般不能相互替代，這給人們的生活帶來諸多不便。在許多現(xiàn)存的通用家居遙控器中,大多是先將所需使用遙控器的紅外遙控編碼人工分析出來,按“0”、“1”序列方式存儲下來,使用時,先選擇型號再進行控制。目前家庭使用的電器越來越多,新的遙控編碼組合層出不窮,無法得到所有類型的編碼,因此此類通用型遙控器只適用于某一類電器的有限種品牌。另一類通用遙控器將原遙控器的遙控波形完全記錄下來,使用時進行還原。此種遙控器解決了無限編碼的海量存儲問題，但在需要遙控多個電器或遙控功能復(fù)雜時,不能滿足需求。各類遙控器功能大致相同，大多都有數(shù)字鍵、啟動

3、停止鍵、前進鍵、快進鍵、后退鍵，復(fù)雜的也就是增加幾個功能鍵，現(xiàn)實生活中，由于用戶的個體差異，特殊功能鍵的使用頻率很低，甚至部分用戶自始至終就從未使用過這類鍵，因此，這些鍵完全可以簡化和歸類使用，對于那些不易簡化和歸類的少量特殊功能鍵，可以通過開辟自定義按鍵區(qū)的方法予以解決。鑒于此，我們以單片機和大規(guī)模可編程門陣列FPGA為基礎(chǔ)，以記錄波形的思想設(shè)計了一款自學(xué)習(xí)式通用家居遙控器（學(xué)習(xí)器），又為原本無遙控功能的電燈、電扇、窗簾等設(shè)施追加了教練+學(xué)習(xí)+控制的遙控模型，在電腦上安裝了Girder軟件后還可實現(xiàn)對電腦的遙控。1. 紅外遙控簡介1.1 關(guān)于紅外線紅外線是波長在0. 75m 至100m 之間

4、的電磁波,它的頻率高于微波而低于可見光,是一種人的眼睛看不到的光線。紅外通訊一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線,波長在0. 75m 至25m 之間。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會( IRDA) 成立后,為了保證不同廠商的紅外產(chǎn)品能夠獲得最佳的通訊效果,紅外通訊協(xié)議將紅外數(shù)據(jù)通訊所采用的光波波長的范圍限定在850nm 至900 nm 之內(nèi)。由于紅外線的波長較短,對障礙物的衍射能力差,所以適合應(yīng)用在需要短距離無線通訊的場合,進行點對點的直線數(shù)據(jù)傳輸。2本項目受北航大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃（SRTP）項目經(jīng)費支持 指導(dǎo)教師：趙琦1.2 紅外遙控編碼格式用于遙控的控制代碼大都以不同的編碼標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制在38 kHz 左右的載波頻率之上，

5、再以串行格式通過紅外載波的通斷被發(fā)送。下面簡單介紹一下常見的編碼標(biāo)準(zhǔn):31) Pulse 編碼(Pulse Coded)脈沖的長度根據(jù)表示的數(shù)據(jù)0、1而不同,Sony 的遙控用此種編碼。2) Space 編碼(Space Coded)與脈沖編碼正好相反,它是以脈沖之間space 的長度不同來表示數(shù)據(jù), Panasonic 的遙控用的就是這種編碼。3) Shift 編碼(Shift Coded)此種編碼是用電平轉(zhuǎn)換的方向表示數(shù)據(jù)的,因此所有的位都有著連續(xù)的時段,Philips 就用該編碼方式。2. 系統(tǒng)的軟硬件劃分該系統(tǒng)采用“電腦主機+單片機+FPGA”的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件分為兩部分：一部分是在主機

6、上運行的Girder程序，用于解碼接收到的信號并控制電腦執(zhí)行指定的動作，另一部分運行在單片機上，用于驅(qū)動遙控器的液晶(LCD)顯示。系統(tǒng)的硬件分為四部分：學(xué)習(xí)器，教練器，接收器以及與主機的接口電路，其中學(xué)習(xí)器兼有學(xué)習(xí)與遙控的功能，通過學(xué)習(xí)原有遙控器的編碼可以遙控任何擁有遙控功能的電器，它包括單片機和FPGA兩部分，由FPGA執(zhí)行主要的學(xué)習(xí)與遙控功能以提高運行速度和集成度，單片機用來驅(qū)動液晶顯示；教練器與接收器負(fù)責(zé)對原本無遙控功能的設(shè)備追加遙控功能，具體來說就是教練器產(chǎn)生種類足夠多的編碼地址供學(xué)習(xí)器來學(xué)習(xí)，接收器則在電器端負(fù)責(zé)解碼對應(yīng)的地址并產(chǎn)生相應(yīng)的動作；為實現(xiàn)對電腦的遙控功能而設(shè)計的主機接口

7、電路負(fù)責(zé)把紅外信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳入主機。硬件電路實現(xiàn)的總體框圖如圖1所示：圖1 硬件系統(tǒng)總體框圖3. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)3.1 學(xué)習(xí)器學(xué)習(xí)器是硬件電路的主要部分，兼有學(xué)習(xí)與遙控的功能，它以FPGA為核心，外圍電路力求簡單，主要由鍵盤、存儲器、接收電路和發(fā)射電路組成，考慮到用純硬件來控制LCD顯示的困難較大 ，決定采用微控制器協(xié)助FPGA來實現(xiàn)。這里的接收電路與后面要講的接收器不同，它專為學(xué)習(xí)功能設(shè)置，負(fù)責(zé)接收已有遙控器的紅外信號并送至FPGA內(nèi)部進行識別、譯碼以及存儲，發(fā)射電路由驅(qū)動電路和紅外發(fā)光二極管兩部分電路組成，負(fù)責(zé)將編碼信號以紅外光的形式發(fā)射出去?？傮w原理框圖如圖2所示：圖2.學(xué)習(xí)

8、器硬件結(jié)構(gòu)3.1.1 FPGA的設(shè)計包括鍵盤模塊、發(fā)射編碼調(diào)制模塊、接收譯碼存儲模塊三個模塊，另外還有一個總控制模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示：圖3.FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)總控制模塊是一個有限狀態(tài)機，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其他各個模塊的工作并提供與顯示電路和存儲器的接口；鍵盤模塊接收用戶的按鍵信息，并編碼輸出給總模塊，這些信息包括按鍵的地址，按鍵的類型和用戶選擇要遙控的器件編碼；接收譯碼存儲模塊由計數(shù)器記錄接收信號高低電平的寬度，并將數(shù)據(jù)存入存儲器相應(yīng)地址中，存儲時序由狀態(tài)機來控制；發(fā)射編碼調(diào)制模塊負(fù)責(zé)由存儲器中讀取當(dāng)前按鍵的數(shù)據(jù)信息，產(chǎn)生與學(xué)習(xí)到的信號相似的高低變化的電平，并以38kHz的載波調(diào)制輸出。3.1.2

9、 單片機實現(xiàn)的LCD顯示電路 顯示電路采用RT12864M-2型液晶顯示器，由我們較為熟悉的單片機控制液晶來顯示遙控器所處的狀態(tài)并提示用戶進行正確的操作。3.2 教練器教練器的作用是產(chǎn)生種類足夠多的編碼信號供學(xué)習(xí)器來學(xué)習(xí)，進而控制不同的接收器。SC2262是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編碼電路，最多可有12位(A0-A11)三態(tài)地址端管腳(懸空，接高電平，接低電平)，任意組合可提供531441地址碼, SC2262最多可有6位(D0-D5)數(shù)據(jù)端管腳，其編碼方式如圖4所示。圖4.SC2262的編碼脈沖 3.3 接收器SC2272 是與SC2262 配對使用的一塊遙控解碼專用集成電路。

10、它可支持多達531441個地址的編碼,極大的減少了碼的沖突。SC2272 對從Din（14腳）端子送入的信號進行解碼。解碼出來的地址碼與所設(shè)置地址輸入端進行比較。如果所設(shè)置的地址與連續(xù)2個字碼匹配，則SC2272 做以下動作： a)當(dāng)解碼得到有“1”數(shù)據(jù)時，驅(qū)動相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端為高電平；b)驅(qū)動VT （17腳）輸出為高電平。 將SC2272與繼電器結(jié)合就可以控制電燈、電扇等用電器的電源開關(guān)，再加上小型直流電動機就可控制窗簾等機械裝置。3.4 與主機接口為了能使此遙控器控制電腦就須將紅外信號送入主機內(nèi)，有兩種可行的接口，分別為電視卡的紅外接收頭和串口。 3.4.1電視卡的紅外接收頭現(xiàn)在的電視卡很

11、多都帶有紅外遙控器，這樣的遙控器除了可以控制電視的播放外，通過適當(dāng)?shù)能浖?，它還可以控制音頻、視頻播放、圖片瀏覽程序及電腦的關(guān)機等，實現(xiàn)真正的電腦遙控功能。這種方法的缺點是需要購買電視卡，成本較高,不予采用。3.4.2 串口現(xiàn)在流行的有半軟半硬和全軟兩種方案，半軟半硬方案在紅外接收頭與串口間加入了數(shù)據(jù)預(yù)處理電路，使數(shù)據(jù)符合串口規(guī)范，降低了編程難度，減少了CPU占用率；而全軟方案則是直接把紅外接收頭收到的數(shù)據(jù)送入串口，完全由軟件處理，其編程難度和CPU占用率偏大，但硬件電路非常簡單。圖5是“軟”方案的硬件電路。 圖5.串行紅外接口電路 由于目前應(yīng)用串口的技術(shù)比較成熟，網(wǎng)上有很多現(xiàn)成的插件可以借鑒，

12、因此我們決定采用串口的方式實現(xiàn)。4. 軟件設(shè)計LCD初始化讀取狀態(tài)字延時50ms顯示相應(yīng)內(nèi)容4.1 液晶(LCD)驅(qū)動程序我們采用89S51單片機來控制液晶屏，通過不斷循環(huán)讀取FPGA的狀態(tài)編碼來控制液晶顯示器實時地刷新其顯示內(nèi)容，其中包括遙控系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)（是處于學(xué)習(xí)狀態(tài)還是遙控狀態(tài)）以及當(dāng)前處理的對象類別和編號，防止用戶由于不清楚當(dāng)前遙控的對象而產(chǎn)生誤操作，同時在每一個狀態(tài)液晶屏都要提示用戶下一步該如何操作，為用戶提供一個十分人性化的使用界面，軟件使用Keil C編寫。其程序流程如圖6所示。 圖6.LCD顯示軟件流程4.2 Girder程序Girder是一款完全免費的軟件，從本質(zhì)上說它

13、可接收來自任何輸入設(shè)備的指令，識別后做事先定義好的動作，如啟動某個程序或鼠標(biāo)雙擊等。首先要設(shè)置好硬件，從網(wǎng)上下載串口驅(qū)動文件IgorPlug.dll拷貝到Girder目錄下的子目錄Plugins中。Girder軟件的界面如圖7。進入“filesettings”，點擊選項卡上的“Plugins”，找到滾動窗口中的“Igor SFH-56 device”，在它前面的小框中打上勾，再點擊左邊的“Setting”， 選擇你所使用的串口，點擊OK就可以通過串口來控制電腦了。 圖7.Girder的主界面對于像關(guān)機，關(guān)閉顯示器等動作，Girder已經(jīng)有設(shè)置好的現(xiàn)成的命令可用，對于一些較復(fù)雜的播放軟件的控制可

14、以通過簡單的設(shè)置來完成。 5. 關(guān)鍵技術(shù)對編碼信號的學(xué)習(xí)方法紅外遙控信號的編碼方式多種多樣，例如圖8所示的是一種電視卡自帶的遙控器的編碼波形，它采用的是Space編碼，前面9ms的脈沖加4ms低電平是引導(dǎo)碼，中間是8位地址碼00H、8位地址反碼FFH、8位數(shù)據(jù)碼E8H、8位數(shù)據(jù)反碼17H，從引導(dǎo)碼開始計時發(fā)送108ms后若按鍵仍沒有松開則以后每隔108ms發(fā)送一個9ms高+2ms底+0.5ms高的重復(fù)簡碼，直到按鍵松開為止。圖8. 一種電視卡的遙控器編碼波形如果每一種遙控器都通過解碼后存儲“0”“1”的數(shù)字信號，那么解碼的工作將是非常繁重而且不經(jīng)濟的，一個簡單的方法是記錄下波形中每個高低電平的

15、寬度，使用時再按照原始形式將波形發(fā)射出去。6. 試驗結(jié)果通過對電視、電動機和電腦的綜合測試，結(jié)果表明該遙控系統(tǒng)學(xué)習(xí)性能良好，操作簡易，有效遙控距離可達5-7米,完全可以實現(xiàn)一只遙控器控制家中所有的電器。7. 結(jié)論與展望經(jīng)過我們半年多的努力，這款家居遙控系統(tǒng)基本實現(xiàn)了家居通用，填補了目前通用家電遙控器市場上只能遙控某一種家電而無法做到真正通用的空白，而且它還具有操作簡便，界面友好等優(yōu)點。 但是它還有一些不足，例如存儲空間的利用效率不夠高，這可以通過采用聚類分析的方法壓縮存儲空間的措施進行改進，這是我們下一步努力的方向。參考文獻1 夏宇聞，Verilog 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程M，北京，北京航空航天大學(xué)

16、出版社，2003.2 李景華, 杜玉遠(yuǎn)，可編程邏輯器件與EDA技術(shù)M，沈陽，東北大學(xué)出版社，2000.3 王志鵬，付立芹，可編程邏輯器件開發(fā)技術(shù)MAX + plus M，北京，國防工業(yè)出版社，20054 方宏，自學(xué)習(xí)紅外遙控器的設(shè)計與實現(xiàn)J，測控技術(shù)與設(shè)備，2003-04，29：32335 張國良，用遙控器來控制電腦J，視窗世界，2004-11：396 張國獻，用音頻軟件顯示和分析紅外遙控信號J，電子世界，2005-11：107 汪金積, 孫自強，基于聚類分析的通用自學(xué)習(xí)遠(yuǎn)程遙控裝置J，華東理工大學(xué)學(xué)報，2002-09，28：8183Infrared Remote Controller Bas

17、ed On FPGAChen lijiang Zhao qi (School of electronic and Information Engineer BUAA Beijing 100083)Abstract: This paper presents the model of code flow and some encoding types of remote infrared control signals. A self-taught infrared remote controller which based on FPGA and 89S51 microcontroller was designed; it was superadded the function of remote control to apparatus such as lamps, electric fans, curtain and so on. We can control the PC computer remotely as expediently as the television through the software of Girder. The results indicate that the contro