基于FPGA的紅外家居遙控系統(tǒng)

引言

人們生活中的家用電器種類日益增多，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。各類遙控器功能大致相同，大多都有數(shù)字鍵、啟動停止鍵、前進鍵、快進鍵、后退鍵，復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，本文以單片機和大規(guī)模可編程門陣列FPGA為基礎，以記錄波形的思想設計了一款自學習式通用家居遙控器，又為原本無遙控功能的電燈、電扇、窗簾等設施追加了教練+學習+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 關于紅外線

紅外線是波長在0. 75μm 至100μm 之間的電磁波，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的近紅外線，波長在0. 75μm 至25μm 之間。紅外數(shù)據協(xié)會（ IRDA） 成立后，為了保證不同廠商的紅外產品能夠獲得最佳的通訊效果，紅外通訊協(xié)議將紅外數(shù)據通訊所采用的光波波長的范圍限定在850nm 至900 nm 之內。

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)據傳輸。

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準調制在38 kHz 左右的載波頻率之上，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準：

1） Pulse 編碼（Pulse Coded）

脈沖的長度根據表示的數(shù)據‘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， 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換的方向表示數(shù)據的，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”的結構，系統(tǒng)軟件分為兩部分：一部分是在主機上運行的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，用于驅動遙控器的液晶（LCD）顯示。系統(tǒng)的硬件分為四部分：學習器，教練器，接收器以及與主機的接口電路，其中學習器兼有學習與遙控的功能，通過學習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)行主要的學習與遙控功能以提高運行速度和集成度，單片機用來驅動液晶顯示;教練器與接收器負責對原本無遙控功能的設備追加遙控功能，具體來說就是教練器產生種類足夠多的編碼地址供學習器來學習，接收器則在電器端負責解碼對應的地址并產生相應的動作;為實現(xiàn)對電腦的遙控功能而設計的主機接口電路負責把紅外信號轉換為數(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)的硬件設計與實現(xiàn)

3.1 學習器

學習器是硬件電路的主要部分，兼有學習與遙控的功能，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，它專為學習功能設置，負責接收已有遙控器的紅外信號并送至FPGA內部進行識別、譯碼以及存儲，發(fā)射電路由驅動電路和紅外發(fā)光二極管兩部分電路組成，負責將編碼信號以紅外光的形式發(fā)射出去。

總體原理框圖如圖2所示：

圖2.學習器硬件結構

3.1.1 FPGA的設計

包括鍵盤模塊、發(fā)射編碼調制模塊、接收譯碼存儲模塊三個模塊，另外還有一個總控制模塊，其內部結構如圖3所示：

圖3.FPGA內部結構

總控制模塊是一個有限狀態(tài)機，它負責協(xié)調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)據存入存儲器相應地址中，存儲時序由狀態(tài)機來控制;發(fā)射編碼調制模塊負責由存儲器中讀取當前按鍵的數(shù)據信息，產生與學習到的信號相似的高低變化的電平，并以38kHz的載波調制輸出。

3.1.2 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

教練器的作用是產生種類足夠多的編碼信號供學習器來學習，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。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置地址輸入端進行比較。如果所設置的地址與連續(xù)2個字碼匹配，則SC2272 做以下動作：

a）當解碼得到有“1”數(shù)據時，驅動相應的數(shù)據輸出端為高電平;

b）驅動VT （17腳）輸出為高電平。

將SC2272與繼電器結合就可以控制電燈、電扇等用電器的電源開關，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，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?shù)能浖€可以控制音頻、視頻播放、圖片瀏覽程序及電腦的關機等，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)據預處理電路，使數(shù)據符合串口規(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

由于目前應用串口的技術比較成熟，網上有很多現(xiàn)成的插件可以借鑒，因此我們決定采用串口的方式實現(xiàn)。

4 軟件設計

4.1 液晶（LCD）驅動程序

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容，其中包括遙控系統(tǒng)當前所處的狀態(tài)（是處于學習狀態(tài)還是遙控狀態(tài)）以及當前處理的對象類別和編號，防止用戶由于不清楚當前遙控的對象而產生誤操作，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，從本質上說它可接收來自任何輸入設備的指令，識別后做事先定義好的動作，如啟動某個程序或鼠標雙擊等。首先要設置好硬件，從網上下載串口驅動文件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

對于像關機，關閉顯示器等動作，Girder已經有設置好的現(xiàn)成的命令可用，對于一些較復雜的播放軟件的控制可以通過簡單的設置來完成。

5 關鍵技術--對編碼信號的學習方法

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低電平是引導碼，中間是8位地址碼00H、8位地址反碼FFH、8位數(shù)據碼E8H、8位數(shù)據反碼17H，從引導碼開始計時發(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濟的，一個簡單的方法是記錄下波形中每個高低電平的寬度，使用時再按照原始形式將波形發(fā)射出去。

6 結語

智能家居各類產品的智能化加速必將推動家居產業(yè)發(fā)展，讓我們共同期待，相信智能時代還會創(chuàng)造更多的智能奇跡，智能家居生活終會飛入尋常百姓家，普通百姓也能享受高科技時代下的智慧生活。