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详解红外遥控编解码

菲利盟单片机方案设计2018-06-23 20:47:31




红外遥控器原理介绍

红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点, 因而, 继彩电、录像机之后, 在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中, 在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下, 采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。

红外遥控系统:通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成, 应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作, 如图1所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、 LED红外发送器; 接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。


红外的简单发射接收原理:

在发射端,输入信号经放大后送入红外发射管发射,在接收端,接收管收到红外信号后,由放大器放大处理后还原成信号,这就是红外的简单发射接收原理。


1、红外遥控系统结构

红外遥控系统的主要部分为调制、发射和接收,如图1所示:


红外遥控是以调制的方式发射数据,就是把数据和一定频率的载波进行“与”操作,这样既可以提高发射效率又可以降低电源功耗。



调制载波频率一般在30khz到60khz之间,大多数使用的是38kHz,占空比1/3的方波,如图2所示,这是由发射端所使用的455kHz晶振决定的。在发射端要对晶振进行整数分频,分频系数一般取12,所以455kHz÷12≈37.9kHz≈38kHz。


目前有很多种芯片可以实现红外发射,可以根据选择发出不同种类的编码。由于发射系统一般用电池供电,这就要求芯片的功耗要很低,芯片大多都设计成可以处于休眠状态,当有按键按下时才工作,这样可以降低功耗芯片所用的晶振应该有足够的耐物理撞击能力,不能选用普通的石英晶体,一般是选用陶瓷共鸣器,陶瓷共鸣器准确性没有石英晶体高,但通常一点误差可以忽略不计。


红外线通过红外发光二极管(LED)发射出去,红外发光二极管(红外发射管)内部构造与普通的发光二极管基本相同,材料和普通发光二极管不同,在红外发射管两端施加一定电压时,它发出的是红外线而不是可见光。



如图3a和图3b是LED的驱动电路,图3a是最简单电路,选用元件时要注意三极管的开关速度要快,还要考虑到LED的正向电流和反向漏电流,一般流过LED的最大正向电流为100mA,电流越大,其发射的波形强度越大。


图3a电路有一点缺陷,当电池电压下降时,流过LED的电流会降低,发射波形强度降低,遥控距离就会变小。


图3b所示的射极输出电路可以解决这个问题,两个二极管把三级管基极电压钳位在1.2V左右,因此三级管发射极电压固定在0.6V左右,发射极电流IE基本不变,根据IE≈IC,所以流过LED的电流也基本不变,这样保证了当电池电压降低时还可以保证一定的遥控距离。


2、一体化红外接收头

红外信号收发系统的典型电路如图1所示,红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中,成为一体化红外接收头。内部电路包括红外监测二极管,放大器,限副器,带通滤波器,积分电路,比较器等。红外监测二极管监测到红外信号,然后把信号送到放大器和限幅器,限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平,而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器,带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波,通过解调电路和积分电路进入比较器,比较器输出高低电平,还原出发射端的信号波形。注意输出的高低电平和发射端是反相的,这样的目的是为了提高接收的灵敏度。一体化红外接收头,如图4a、4b所示:


图4a、b


红外接收头的种类很多,引脚定义也不相同,一般都有三个引脚,包括供电脚,接地和信号输出脚。根据发射端调制载波的不同应选用相应解调频率的接收头。

红外接收头内部放大器的增益很大,很容易引起干扰,因此在接收头的供电脚上须加上滤波电容,一般在22uf以上。有的厂家建议在供电脚和电源之间接入330欧电阻,进一步降低电源干扰。


红外发射器可从遥控器厂家定制,也可以自己用单片机的PWM产生,家庭遥控推荐使用红外发射管(L5IR4-45)的可产生37.91KHz的PWM,PWM占空比设置为1/3,通过简单的定时中断开关PWM,即可产生发射波形。


红外编解码解析


1、编码格式

现有的红外遥控包括两种方式:PWM(脉冲宽度调制)和PPM(脉冲位置调制)。

两种形式编码的代表分别为NEC 和PHILIPS 的RC-5、RC-6 以及将来的RC-7。

PWM(脉冲宽度调制):以发射红外载波的占空比代表“0”和“1”。为了节省能量,一般情况下,发射红外载波的时间固定,通过改变不发射载波的时间来改变占空比。例如常用的电视遥控器,使用NEC upd6121,其“0”为载波发射0.56ms,不发射0.56ms;其“1”为载波发射0.56ms,不发射1.68ms;此外,为了解码的方便,还有引导码,upd6121 的引导码为载波发射9ms,不发射4.5ms。upd6121 总共的编码长度为108ms。

但并不是所有的编码器都是如此,比如TOSHIBA 的TC9012,其引导码为载波发射4.5ms,不发射4.5ms,其“0”为载波发射0.52ms,不发射0.52ms,其“1”为载波发射0.52ms,不发射1.04ms。

PPM(脉冲位置调制):以发射载波的位置表示“0”和“1”。从发射载波到不发射载波为“0”,从不发射载波到发射载波为“1”。其发射载波和不发射载波的时间相同,都为0.68ms,也就是每位的时间是固定的。

通过以上对编码的分析,可以得出以某种固定格式的“0”和“1”去学习红外,是很有可能不成功的。即市面上所宣传的可以学习64 位、128 位必然是不可靠的。

另外,由于空调的状态远多于电视、音像,并且没有一个标准,所以各厂家都按自己的格式去做一个,造成差异更大。比如:美的的遥控器采用PWM 编码,码长120ms 左右;新科的遥控器也采用PWM 编码,码长500ms 左右。如此大的差异,如果按“位”的概念来讲,应该是多少位呢?64?128?显然都不可能包含如此长短不一的编码。


1、红外遥控编码格式

红外遥控器的编码格式通常有两种格式:NEC 和RC5

NEC 格式的特征:

1:使用38 kHz 载波频率

2:引导码间隔是9 ms + 4.5 ms

3:使用16 位客户代码

4:使用8 位数据代码和8 位取反的数据代码

不过需要将波形反转一下才方便分析:

NEC 协议通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号的调制(英文简写PWM) 。 逻辑“0”是由0.56ms的38KHZ载波和0.560ms 的无载波间隔组成; 逻辑“1”是由0.56ms 的38KHZ 载波和1.68ms 的无载波间隔组成; 结束位是0.56ms 的38K 载波。

下面实例是已知 NEC 类型遥控器所截获的波形: 遥控器的识别码是Address=0xDD20;其中一个键值是Command=0x0E;

注意: 波形先是发低位地址再发高位地址。 所以0000,0100,1011,1011 反转过来就是1101,1101,0010,000 十六进制的DD20;键值波形如下:

也是要将0111,0000 反转成0000,1110得到十六进制的0E; 另外注意8 位的键值代码是取反后再发一次的,如图0111,0000 取反后为1000,1111。 最后一位是一个逻辑“1”。

RC5 编码相对简单一些: 同样由于取自红外接收头的波形需要反相一下波形以便于分析:

反相后的波形:

根据编码规则:

得到一组数字: 110, 11010, 001101根据编码定义:

第一位是起始位S通常是逻辑1

第二位是场位F通常为逻辑1, 在RC5 扩展模式下它将最后6位命令代码扩充到7 位代码(高位MSB) , 这样可以从64 个键值扩充到128 个键值。

第三位是控制位C它在每按下了一个键后翻转, 这样就可以区分一个键到底是一直按着没松手还是松手后重复按。

如图所示是同一按键重复按两次所得波形, 只有第三位是相反的逻辑, 其它的位逻辑都一样。

其后是五个系统地址位:11010=1A, 最后是六个命令位:001101=0D。

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