紅外的簡(jiǎn)單發(fā)射接收原理及編解碼解析

紅外遙控器原理介紹

紅外線遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。由于紅外線遙控裝置具有體積小、 功耗低、 功能強(qiáng)、 成本低等特點(diǎn)， 因而， 繼彩電、 錄像機(jī)之后， 在錄音機(jī)、 音響設(shè)備、 空調(diào)機(jī)以及玩具等其它小型電器裝置上也紛紛采用紅外線遙控。工業(yè)設(shè)備中， 在高壓、 輻射、 有毒氣體、 粉塵等環(huán)境下， 采用紅外線遙控不僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。

紅外遙控系統(tǒng)：通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成， 應(yīng)用編/解碼專用集成電路芯片來(lái)進(jìn)行控制操作， 如圖1所示。發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、 編碼調(diào)制、 LED紅外發(fā)送器；接收部分包括光、 電轉(zhuǎn)換放大器、 解調(diào)、 解碼電路。

紅外的簡(jiǎn)單發(fā)射接收原理

在發(fā)射端，輸入信號(hào)經(jīng)放大后送入紅外發(fā)射管發(fā)射，在接收端，接收管收到紅外信號(hào)后，由放大器放大處理后還原成信號(hào)，這就是紅外的簡(jiǎn)單發(fā)射接收原理。

1、紅外遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

紅外遙控系統(tǒng)的主要部分為調(diào)制、發(fā)射和接收，如下圖所示：

紅外遙控是以調(diào)制的方式發(fā)射數(shù)據(jù)，就是把數(shù)據(jù)和一定頻率的載波進(jìn)行“與”操作，這樣既可以提高發(fā)射效率又可以降低電源功耗。

調(diào)制載波頻率一般在30khz到60khz之間，大多數(shù)使用的是38kHz，占空比1/3的方波，載波波形如下圖所示，這是由發(fā)射端所使用的455kHz晶振決定的。在發(fā)射端要對(duì)晶振進(jìn)行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取12，所以455kHz÷12≈37.9kHz≈38kHz。

目前有很多種芯片可以實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射，可以根據(jù)選擇發(fā)出不同種類的編碼。由于發(fā)射系統(tǒng)一般用電池供電，這就要求芯片的功耗要很低，芯片大多都設(shè)計(jì)成可以處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)才工作，這樣可以降低功耗芯片所用的晶振應(yīng)該有足夠的耐物理撞擊能力，不能選用普通的石英晶體，一般是選用陶瓷共鳴器，陶瓷共鳴器準(zhǔn)確性沒(méi)有石英晶體高，但通常一點(diǎn)誤差可以忽略不計(jì)。

紅外線通過(guò)紅外發(fā)光二極管(LED)發(fā)射出去，紅外發(fā)光二極管（紅外發(fā)射管）內(nèi)部構(gòu)造與普通的發(fā)光二極管基本相同，材料和普通發(fā)光二極管不同，在紅外發(fā)射管兩端施加一定電壓時(shí)，它發(fā)出的是紅外線而不是可見(jiàn)光。

如上圖是LED的驅(qū)動(dòng)最簡(jiǎn)單電路，選用元件時(shí)要注意三極管的開(kāi)關(guān)速度要快，還要考慮到LED的正向電流和反向漏電流，一般流過(guò)LED的最大正向電流為100mA，電流越大，其發(fā)射的波形強(qiáng)度越大。

電路有一點(diǎn)缺陷，當(dāng)電池電壓下降時(shí)，流過(guò)LED的電流會(huì)降低，發(fā)射波形強(qiáng)度降低，遙控距離就會(huì)變小。

上圖所示的射極輸出驅(qū)動(dòng)電路可以解決這個(gè)問(wèn)題，兩個(gè)二極管把三級(jí)管基極電壓鉗位在1.2V左右，因此三級(jí)管發(fā)射極電壓固定在0.6V左右，發(fā)射極電流IE基本不變，根據(jù)IE≈IC,所以流過(guò)LED的電流也基本不變，這樣保證了當(dāng)電池電壓降低時(shí)還可以保證一定的遙控距離。

2、一體化紅外接收頭

紅外信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)的典型電路如上圖所示，紅外接收電路通常被廠家集成在一個(gè)元件中，成為一體化紅外接收頭。內(nèi)部電路包括紅外監(jiān)測(cè)二極管，放大器，限幅器，帶通濾波器，積分電路，比較器等。紅外監(jiān)測(cè)二極管監(jiān)測(cè)到紅外信號(hào)，然后把信號(hào)送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發(fā)射器和接收器的距離遠(yuǎn)近。交流信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過(guò)30khz到60khz的負(fù)載波，通過(guò)解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號(hào)波形。注意輸出的高低電平和發(fā)射端是反相的，這樣的目的是為了提高接收的靈敏度。

一體化紅外接收頭，如下圖所示：

紅外接收頭的種類很多，引腳定義也不相同，一般都有三個(gè)引腳，包括供電腳，接地和信號(hào)輸出腳。根據(jù)發(fā)射端調(diào)制載波的不同應(yīng)選用相應(yīng)解調(diào)頻率的接收頭。

紅外接收頭內(nèi)部放大器的增益很大，很容易引起干擾，因此在接收頭的供電腳上須加上濾波電容，一般在22uf以上。有的廠家建議在供電腳和電源之間接入330歐電阻，進(jìn)一步降低電源干擾。

紅外發(fā)射器可從遙控器廠家定制，也可以自己用單片機(jī)的PWM產(chǎn)生，家庭遙控推薦使用紅外發(fā)射管(L5IR4-45)的可產(chǎn)生37.91KHz的PWM,PWM占空比設(shè)置為1/3,通過(guò)簡(jiǎn)單的定時(shí)中斷開(kāi)關(guān)PWM,即可產(chǎn)生發(fā)射波形。

紅外編解碼解析

1、編碼格式

現(xiàn)有的紅外遙控包括兩種方式：PWM（脈沖寬度調(diào)制）和PPM（脈沖位置調(diào)制）。

兩種形式編碼的代表分別為NEC 和PHILIPS 的RC-5、RC-6 以及將來(lái)的RC-7。

PWM（脈沖寬度調(diào)制）：以發(fā)射紅外載波的占空比代表“0”和“1”。為了節(jié)省能量，一般情況下，發(fā)射紅外載波的時(shí)間固定，通過(guò)改變不發(fā)射載波的時(shí)間來(lái)改變占空比。例如常用的電視遙控器，使用NEC upd6121，其“0”為載波發(fā)射0.56ms,不發(fā)射0.56ms；其“1”為載波發(fā)射0.56ms,不發(fā)射1.68ms；此外，為了解碼的方便，還有引導(dǎo)碼，upd6121 的引導(dǎo)碼為載波發(fā)射9ms，不發(fā)射4.5ms。upd6121 總共的編碼長(zhǎng)度為108ms。

但并不是所有的編碼器都是如此，比如TOSHIBA 的TC9012，其引導(dǎo)碼為載波發(fā)射4.5ms，不發(fā)射4.5ms，其“0”為載波發(fā)射0.52ms,不發(fā)射0.52ms,其“1”為載波發(fā)射0.52ms,不發(fā)射1.04ms。

PPM（脈沖位置調(diào)制）：以發(fā)射載波的位置表示“0”和“1”。從發(fā)射載波到不發(fā)射載波為“0”，從不發(fā)射載波到發(fā)射載波為“1”。其發(fā)射載波和不發(fā)射載波的時(shí)間相同，都為0.68ms，也就是每位的時(shí)間是固定的。

通過(guò)以上對(duì)編碼的分析，可以得出以某種固定格式的“0”和“1”去學(xué)習(xí)紅外，是很有可能不成功的。即市面上所宣傳的可以學(xué)習(xí)64 位、128 位必然是不可靠的。

另外，由于空調(diào)的狀態(tài)遠(yuǎn)多于電視、音像，并且沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所以各廠家都按自己的格式去做一個(gè)，造成差異更大。比如：美的的遙控器采用PWM 編碼，碼長(zhǎng)120ms 左右；新科的遙控器也采用PWM 編碼，碼長(zhǎng)500ms 左右。如此大的差異，如果按“位”的概念來(lái)講，應(yīng)該是多少位呢？64？128?顯然都不可能包含如此長(zhǎng)短不一的編碼。

2、紅外遙控編碼格式

紅外遙控器的編碼格式通常有兩種格式：NEC 和RC5

NEC 格式的特征：

使用38 kHz 載波頻率

引導(dǎo)碼間隔是9 ms + 4.5 ms

使用16 位客戶代碼

使用8 位數(shù)據(jù)代碼和8 位取反的數(shù)據(jù)代碼

不過(guò)需要將波形反轉(zhuǎn)一下才方便分析：

NEC 協(xié)議通過(guò)脈沖串之間的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制（英文簡(jiǎn)寫PWM）。

邏輯“0”是由0.56ms的38KHZ載波和0.560ms 的無(wú)載波間隔組成；邏輯“1”是由0.56ms 的38KHZ 載波和1.68ms 的無(wú)載波間隔組成；結(jié)束位是0.56ms 的38K 載波。

下面實(shí)例是已知NEC類型遙控器所截獲的波形：

遙控器的識(shí)別碼是Address=0xDD20;其中一個(gè)鍵值是Command=0x0E；

注意：波形先是發(fā)低位地址再發(fā)高位地址。

所以0000,0100,1011,1011 反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)就是1101,1101,0010,000 十六進(jìn)制的DD20；

鍵值波形如下：

也是要將0111,0000 反轉(zhuǎn)成0000,1110得到十六進(jìn)制的0E；另外注意8 位的鍵值代碼是取反后再發(fā)一次的,如圖0111,0000 取反后為1000,1111。最后一位是一個(gè)邏輯“1”。

RC5 編碼相對(duì)簡(jiǎn)單一些：同樣由于取自紅外接收頭的波形需要反相一下波形以便于分析：

反相后的波形：

根據(jù)編碼規(guī)則：

得到一組數(shù)字：110， 11010， 001101根據(jù)編碼定義：

第一位是起始位S通常是邏輯1。

第二位是場(chǎng)位F通常為邏輯1， 在RC5 擴(kuò)展模式下它將最后6位命令代碼擴(kuò)充到7 位代碼（高位MSB） ， 這樣可以從64 個(gè)鍵值擴(kuò)充到128 個(gè)鍵值。

第三位是控制位C它在每按下了一個(gè)鍵后翻轉(zhuǎn)， 這樣就可以區(qū)分一個(gè)鍵到底是一直按著沒(méi)松手還是松手后重復(fù)按。

如圖所示是同一按鍵重復(fù)按兩次所得波形， 只有第三位是相反的邏輯， 其它的位邏輯都一樣。

其后是五個(gè)系統(tǒng)地址位:11010=1A， 最后是六個(gè)命令位:001101=0D。

編輯：黃飛

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