智能型紅外遙控器的設(shè)計(jì)

　　引言

　　空調(diào)已進(jìn)入千家萬戶，空調(diào)遙控器作為空調(diào)的用戶界面，其設(shè)計(jì)的原理已成熟。目前，對學(xué)習(xí)型智能遙控器的研制開展了大量的工作，旨在提高遙控器的智能化和通用性，取得了較大的進(jìn)展，并有部分產(chǎn)品進(jìn)入市場。當(dāng)前研制開發(fā)的學(xué)習(xí)型智能遙控器主要采用38KHz固定載波頻率，遙控器編碼不壓縮或簡單壓縮。空調(diào)遙控器不同于其它家電遙控器(如彩電)，空調(diào)遙控器發(fā)出的編碼包含當(dāng)前狀態(tài)的多種信息，而彩電遙控器的編碼是一鍵一碼。把空調(diào)遙控器所有可能的狀態(tài)都要學(xué)習(xí)和存儲，需要花費(fèi)大量的時間和存儲空間。為此，提出了一種基于溫度控制的編碼狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法，為基于單片機(jī)的智能型紅外空調(diào)遙控器的設(shè)計(jì)提供了可能。

　　1 紅外遙控碼型分析

　　1.1 紅外遙控碼型研究分析

　　目前，各電器生產(chǎn)廠家對遙控脈沖編碼及碼流還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通過對市面上比較普遍的幾十種遙控器的碼型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，總結(jié)其特點(diǎn)如下： 
　　(1)碼型多樣：脈沖流中一般包括：幀頭、系統(tǒng)碼、操作碼、同步碼、幀間隔碼、幀尾。且同步碼與幀間隔碼出現(xiàn)的位置不固定。針對這些靈活多變的碼型格式，很難區(qū)分各種脈沖流的含義。

　　(2)載波頻率不固定：常用的遙控器采用38KHz作為載波頻率，有的采用36KHz-42KHz之間的載頻。

　　(3)編碼長短不一：彩電類產(chǎn)品一般只有幾十位，空調(diào)遙控器編碼長達(dá)上百位。

　　(4)不同的發(fā)送方式：常用有三種方式，即：完整幀只發(fā)送一次（如圖1a）、完整幀重復(fù)發(fā)送兩次（如圖1b）、先發(fā)一個完整幀，后重復(fù)發(fā)送幀頭和一個脈沖（如圖1c）。

　　圖1 紅外編碼完整幀格式

　　由于編碼方式的多樣化，若區(qū)分每種碼流的含義進(jìn)行學(xué)習(xí)，其復(fù)雜性極高且占用很大的內(nèi)存空間。本系統(tǒng)避開了各種形色碼流的干擾，總結(jié)了紅外遙控器編碼的共性，只需了解脈沖的時間寬度，無需關(guān)心它的實(shí)際意義。因此，在系統(tǒng)中沒有引導(dǎo)碼、0碼、1碼、同步幀、反碼等，定義了用0、1、2等數(shù)字表示各種時間寬度不等的脈沖流的算法。

　　1.2 空調(diào)紅外遙控碼型研究分析

　　空調(diào)遙控器開發(fā)的關(guān)鍵是溫度狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。對多種類型空調(diào)遙控器紅外編碼進(jìn)行大量研究分析，找出了其編碼規(guī)律：在空調(diào)的每一個編碼中，其中有4位二進(jìn)制表示開始溫度（溫度1），另外4位二進(jìn)制表示按鍵后的末溫度（溫度2），當(dāng)遙控器進(jìn)行溫度控制時，前一按鍵的末狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到后一按鍵的初狀態(tài)，從而可以對空調(diào)的溫度進(jìn)行連續(xù)控制。對空調(diào)遙控器紅外編碼進(jìn)行提取，取出有關(guān)表示溫度的部分（各種空調(diào)遙控器的編碼規(guī)律類似），如下表所示：

　　空調(diào)溫度部分編碼表

　　圖2 空調(diào)溫度編碼狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　2 遙控器硬件結(jié)構(gòu)

　　遙控器由STC系列STC89C51RD+單片機(jī)、紅外編碼發(fā)射與接收電路、鍵盤、顯示屏、SD卡接口等外圍器件組成。其中SD卡用來存放和保存學(xué)習(xí)的遙控器編碼，并能與PC機(jī)進(jìn)行交流；遙控器編碼的識別是通過接收電路和整形電路來實(shí)現(xiàn)，為了能識別一定范圍內(nèi)的載頻，編碼接收電路中不含解調(diào)電路，載頻的提取是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

　　圖3 遙控器硬件結(jié)構(gòu)

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 編碼狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法與實(shí)現(xiàn)

　　空調(diào)遙控器編碼復(fù)雜，主要有制熱、制冷、除濕、通風(fēng)等模式，有些模式下還有不同的風(fēng)速級別，并在每一種風(fēng)速下，其溫度狀態(tài)變化規(guī)律不同。為此，對空調(diào)遙控器的編碼創(chuàng)建了狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法。算法中通過建立空調(diào)遙控器工作模式、風(fēng)速等級和溫度值序列三層關(guān)系模型，設(shè)計(jì)了對應(yīng)的數(shù)組序列，每一個數(shù)組序列中存放著各種模式下不同風(fēng)速等級時的溫度值編碼，通過指針方式進(jìn)行調(diào)用。例如：圖2中的二進(jìn)制數(shù)據(jù):{0000,0001,0011,0010,0100,0101,0111,0110,1100,1101,1111,1110,1000,1001,1011,1010}轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后，初始化數(shù)組data1,則：data1[i]={0,1,3,2,4,5,7,6,12,13,15,14,8,9,11,10}；指針P = data1[i%16]。結(jié)合data1和指針P,空調(diào)遙控器在一級風(fēng)速時的編碼狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程見圖4：

　　圖4 編碼狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程

　　3.2載波信號精密檢測

　　遙控器載頻通常在36KHz-42KHz范圍之間，如簡單的用38KHz的載頻調(diào)制，對有些遙控設(shè)備不能正確控制。為此，遙控器自學(xué)習(xí)時，需要精確檢測編碼的載波頻率[1]。

　　通常用單片機(jī)定時器檢測的最高頻率和遙控器的載波頻率屬同一量級，無法精確測量載波脈沖的頻率。為此，提出了均值算法。將定時器1和定時器2(捕獲功能)配合使用，通過編碼脈沖寬度和載波脈沖數(shù)的測量，通過計(jì)算，得到精確的載波頻率。載波信號精確測量流程見圖5：

　　圖5 載波信號精確測量流程圖

　　3.3 信號識別、編碼分類與發(fā)送

　　遙控器編碼長度為幾十位到上百位，而且，每個編碼的信息量較大。遙控器自學(xué)習(xí)時，所有的編碼狀態(tài)都要按照脈沖寬度方式存儲，要求較大的存儲空間。為此，提出了一種編碼壓縮技術(shù)[2][3]。遙控器編碼內(nèi)容包括：幀頭、機(jī)器碼、操作碼、同步碼、幀間隔和尾幀等類型，自學(xué)習(xí)時，對識別的遙控器編碼進(jìn)行分類，并按類型號進(jìn)行存儲，見圖6所示：

　　圖6 信號識別、編碼分類示意圖

　　遙控器自學(xué)習(xí)編碼識別和分類過程：

　　(1) 紅外編碼和載波識別

　　紅外編碼和載波周期相差較大，先設(shè)定一個脈沖周期的門限值THRESHOLD1。每當(dāng)有脈沖下降沿到時，啟動定時器開始定時，在下一個下降沿時定時為t。當(dāng)0THRESHOLD1時,為紅外編碼脈沖。此時記錄T1的值為t,同理可檢測到T2，T3，T4…編碼脈沖的值。

　　(2) 數(shù)組建立

　　char sigdata[i]；                

　　typedef struct {

　　       union intchar    bith;  

　　       union intchar    bitl; 

　　uchar    bitl1;             

　　} timer[m];  

　　其中：sigdata[i]存放編碼中順序出現(xiàn)幀的類別；

　　timer[m]存放 sigdata[i] 中幀的不同類別的時間值。           

　　(3) 編碼幀類別識別

　　將T（i+1）的t1、t2與T（i）的t1、t2分別進(jìn)行比較，若相等，timer[m]數(shù)組中不寫入新的內(nèi)容，此時，sigdata[i+1]=sigdata[i]；否則，timer[m]中寫入T（i+1）的時間值，且sigdata[i+1]中寫入新的類別號。例如學(xué)習(xí)一個按鍵編碼后：timer[m]={9000，4500，540，0，540，540，540，540，1650，0，……}；sigdata[i]={1，2，3，3，4，……}。

　　(4) 紅外編碼完整幀格式確定

　　兩個完整幀之間有較長的時間間隔，且這段時間間隔大于編碼中任何低電平的時間。為此，可定義THRESHOLD2為兩完整幀之間的間隔值；可定義THRESHOLD3為編碼脈沖結(jié)束后停止幀長度。當(dāng)THRESHOLD3> t2 >THRESHOLD2時，判斷為第二幀的開始。再比較T（i+1）中t1,t2與T2中t1,t2的值，若相等，為一次發(fā)送兩個完整幀。否則，一次發(fā)一幀加幀頭和一個脈沖；當(dāng)t2 >THRESHOLD3，編碼接收完成，為一次只發(fā)送一個完整幀的情況。

　　(5)  發(fā)送載波頻率初始值計(jì)算

　　載波頻率=  ，6分頻時n＝2；12分頻時n＝4。得（RCAP2H，RCAP2L）=3*freq（freq為學(xué)習(xí)時檢測出的載波脈沖寬度）。

　　4 結(jié)論

　　通過對空調(diào)遙控器編碼的精簡，創(chuàng)建了狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換表，當(dāng)每進(jìn)入一種模式時，只需發(fā)射與溫度狀態(tài)信息相關(guān)的編碼，簡化了發(fā)射編碼、提高了傳輸效率。開發(fā)的遙控器自學(xué)習(xí)功能，通過編碼學(xué)習(xí)與原機(jī)進(jìn)行對比，每種脈沖流的時間僅差1個時鐘周期；采用均值算法，使發(fā)送的載波頻率誤差小于0.5KHz；設(shè)計(jì)的遙控器編碼矢量壓縮算法，存儲一個鍵碼（200個編碼）僅需134個存貯單元，壓縮比達(dá)8:1。上述技術(shù)為采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能空調(diào)遙控器創(chuàng)建了基礎(chǔ)，其中，“狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換表的創(chuàng)建”和“高精度載波頻率測量”是本文的主要創(chuàng)新。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]  江玉潔.新型頻率測量方法的研究[M]. 儀器儀表學(xué)報，2004，22:30-33

　　[2]  李冬梅等.通用學(xué)習(xí)式紅外遙控器中數(shù)據(jù)壓縮與識別算法[M]. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2000，40：85-88

　　[3]  張鳴瑞等.編碼理論[M ]. 北京：航空航天大學(xué)出版社，1990.

　　[4]  安穎、劉麗娜.具有學(xué)習(xí)功能的智能遙控器.微計(jì)算機(jī)信息，2005 No.3

　　[5]  VITERBI,A.J.K.OMURA,Principle of digital communication and coding, McGraw-Hill Book Company,New York,1979