STM32: NEC紅外線協(xié)議解碼(超低成本無線傳輸方案)

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一、環(huán)境介紹

MCU: STM32F103ZET6

編程軟件環(huán)境: keil5

紅外線傳輸協(xié)議: NEC協(xié)議---38KHZ載波:。NEC協(xié)議是紅外遙控協(xié)議中常見的一種。

解碼思路: 外部中斷 + 定時(shí)器方式

代碼風(fēng)格: 模塊化編程，寄存器直接操作方式

二、NEC協(xié)議與解碼思路介紹

2.1 采用的相關(guān)硬件

圖1: 這是NEC協(xié)議的紅外線遙控器: 如果自己手機(jī)沒有紅外線遙控器的功能，可以淘寶上買一個(gè)小遙控器來學(xué)習(xí)測試，成本不高,這個(gè)遙控器也可以自己做，能解碼當(dāng)然也可以編碼發(fā)送，只需要一個(gè)紅外光發(fā)射管即可。

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圖2: 這是紅外線接收頭模塊。如果自己的開發(fā)板沒有自帶這個(gè)接收頭，那就單獨(dú)買一個(gè)接收頭模塊，使用杜邦線接到開發(fā)板的IO口上即可用來測試學(xué)習(xí)，接線很方便。

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圖3: 這是紅外線發(fā)射管,如果自己想做遙控器的發(fā)射端，自己做遙控器，那么就可以直接購買這種模塊即可。

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2.2 紅外線協(xié)議介紹

在光譜中波長自760nm至400um的電磁波稱為紅外線，它是一種不可見光。紅外線通信的例子我們每個(gè)人應(yīng)該都很熟悉，目前常用的家電設(shè)備幾乎都可以通過紅外遙控的方式進(jìn)行遙控，比如電視機(jī)、空調(diào)、投影儀等，都可以見到紅外遙控的影子。這種技術(shù)應(yīng)用廣泛，相應(yīng)的應(yīng)用器件都十分廉價(jià)，因此紅外遙控是我們?nèi)粘ＴO(shè)備控制的理想方式。

紅外線的通訊原理： 紅外光是以特定的頻率脈沖形式發(fā)射，接收端收到到信號后，按照約定的協(xié)議進(jìn)行解碼，完成數(shù)據(jù)傳輸，在消費(fèi)類電子產(chǎn)品里，脈沖頻率普遍采用 30KHz 到 60KHz 這個(gè)頻段，NEC協(xié)議的頻率就是38KHZ。 這個(gè)以特定的頻率發(fā)射其實(shí)就可以理解為點(diǎn)燈，不要被復(fù)雜的詞匯難住了，就是控制燈的閃爍頻率(亮滅)，和剛學(xué)單片機(jī)完成閃光燈一樣的意思，只不過是燈換了一種類型，都是燈。 接收端的原理: 接收端的芯片對這個(gè)紅外光比較敏感，可以根據(jù)有沒有光輸出高低電平，如果發(fā)送端的閃爍頻率是有規(guī)律的，接收端收到后輸出的高電平和低電平也是有規(guī)律對應(yīng)的，這樣發(fā)送端和接收端只要約定好，那就可以做數(shù)據(jù)傳輸了。

紅外線傳輸協(xié)議可以說是所有無線傳輸協(xié)議里成本最低，最方便的傳輸協(xié)議了，但是也有缺點(diǎn)，距離不夠長，速度不夠快；當(dāng)然，每個(gè)傳輸協(xié)議應(yīng)用的環(huán)境不一樣，定位不一樣，好壞沒法比較，具體要看自己的實(shí)際場景選擇合適的通信方式。

2.3 NEC協(xié)議介紹

NEC協(xié)議是眾多紅外線協(xié)議中的一種(這里說的協(xié)議就是他們數(shù)據(jù)幀格式定義不一樣，數(shù)據(jù)傳輸原理都是一樣的)，我們購買的外能遙控器、淘寶買的mini遙控器、電視機(jī)、投影儀幾乎都是NEC協(xié)議。 像格力空調(diào)、美的空調(diào)這些設(shè)備使用的就是其他協(xié)議格式，不是NEC協(xié)議，但是只要學(xué)會一種協(xié)議解析方式，明白了紅外線傳輸原理，其他遙控器協(xié)議都可以解出來。

下圖是NEC協(xié)議傳輸一次數(shù)據(jù)的完整格式：

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NEC協(xié)議一次完整的傳輸包含: 引導(dǎo)碼、8位用戶碼、8位用戶反碼、8位數(shù)據(jù)碼、8位數(shù)據(jù)反碼。

(注意：下面的解釋都是站在紅外線接收端的角度來進(jìn)行說明的，就是解碼端的角度)

引導(dǎo)碼: 由9ms的高電平+4.5ms的低電平組成。

4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù): 用戶碼+用戶反碼+數(shù)據(jù)碼+數(shù)據(jù)反碼。 這里的反碼可以用來校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否傳輸正確，有沒有丟包。

重點(diǎn): NEC協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)位的時(shí)候，0和1的區(qū)分是依靠收到的高、低電平的持續(xù)時(shí)間來進(jìn)行區(qū)分的---這是解碼關(guān)鍵。

標(biāo)準(zhǔn)間隔時(shí)間：0.56ms

收到數(shù)據(jù)位0: 0.56ms

收到位1: 1.68ms

所以，收到一個(gè)數(shù)據(jù)位的完整時(shí)間表示方法是這樣的：

收到數(shù)據(jù)位0: 0.56m低電平+ 0.56ms的高電平

收到數(shù)據(jù)位1: 0.56ms低電平+1.68ms的高電平

紅外線接收頭模塊輸出電平的原理： 紅外線接收頭感應(yīng)到有紅外光就輸出低電平，沒有感應(yīng)到紅外光就輸出高電平。

這是使用邏輯分析采集紅外線接收頭輸出的信號:

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這是采集紅外線遙控器上的LED燈輸出電平時(shí)序圖，剛好和接收端相反：

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單片機(jī)編寫解碼程序的時(shí)候，常見的方式就是采用外部中斷+定時(shí)器的方式進(jìn)行解析，中斷可以設(shè)置為低電平觸發(fā)，因?yàn)榻邮疹^沒有感應(yīng)到紅外光默認(rèn)是輸出高電平，如果收到NEC引導(dǎo)碼，就會輸出低電平，進(jìn)入到中斷服務(wù)函數(shù)，完成解碼，解碼過程中開啟定時(shí)器記錄每一段的高電平、低電平的持續(xù)時(shí)間，按照NEC協(xié)議進(jìn)行判斷，完成最終解碼。

STM32可以使用輸入捕獲方式完成解碼，其實(shí)輸入捕獲就是外部中斷+定時(shí)器的組合，只不過是STM32內(nèi)部封裝了一層。

完整keil工程源碼下載(解壓即可編譯運(yùn)行測試):

https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/19863275

外部中斷服務(wù)器里的解碼程序如下(這個(gè)在其他單片機(jī)上思路是一樣的)：

/*
函數(shù)功能:  外部中斷線9_5服務(wù)函數(shù)
*/
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    u32 time;
    u8 i,j,data=0;
  
    //清除中斷線9上的中斷請求
		EXTI->PR|=1<<9;
  
    time=Infrared_GetTime_L();       //得到低電平時(shí)間
    if(time<7000||time>10000)return; //標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間: 9000us
    time=Infrared_GetTime_H();       //得到高電平時(shí)間
    if(time<3000||time>5500)return;  //標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間4500us
    
    //正式解碼NEC協(xié)議
    for(i=0;i<4;i++)
    {
        for(j=0;j<8;j++)
        {
             time=Infrared_GetTime_L();       //得到低電平時(shí)間
             if(time<400||time>700)return;    //標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間: 560us
             
             time=Infrared_GetTime_H();       //得到高電平時(shí)間
             if(time>1400&&time<1800)         //數(shù)據(jù)1 1680us
             {
                data>>=1;
                data|=0x80;
             }
             else if(time>400&&time<700)   //數(shù)據(jù)0 560us
             {
                data>>=1;
             }
             else return;
        }
        InfraredRecvData[i]=data; //存放解碼成功的值
      }
    
      //解碼成功
      InfraredRecvState=1;
}

三、核心完整代碼

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本程序的解碼思路是： 將紅外線接收模塊的輸出腳接到STM32的PB9上，配置STM32的PB9為外部中斷模式，下降沿電平觸發(fā)；如果收到紅外線信號就進(jìn)入到中斷服務(wù)函數(shù)里解碼，如果解碼過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不符合要求就終止解碼，如果數(shù)據(jù)全部符合要求就按照協(xié)議接收，直到解碼完成，設(shè)置標(biāo)志位，在main函數(shù)里打印解碼得到的數(shù)據(jù)。

代碼都是模塊化編程，閱讀起來也很方便。

3.1 紅外線解碼.c

#include "nec_Infrared.h"
u8 InfraredRecvData[4]; //存放紅外線解碼接收的數(shù)據(jù)
u8 InfraredRecvState=0; //0表示未接收到數(shù)據(jù),1表示接收到數(shù)據(jù) 
/*
函數(shù)功能: 紅外線解碼初始化(接收)
*/
void Infrared_RecvInit(void)
{
    Infrared_Time6_Init(); //定時(shí)器初始化
    
    /*1. 配置GPIO口*/
    RCC->APB2ENR|=1<<3; //PB
    GPIOB->CRH&=0xFFFFFF0F;
    GPIOB->CRH|=0x00000080;
    GPIOB->ODR|=1<<9;
  
    /*2. 配置外部中斷*/
    EXTI->IMR|=1<<9; //外部中斷線9，開放中斷線的中斷請求功能
    EXTI->FTSR|=1<<9; //中斷線9_下降沿
  
    RCC->APB2ENR|=1<<0; //開啟AFIO時(shí)鐘
    AFIO->EXTICR[2]&=~(0xF<<1*4);
    AFIO->EXTICR[2]|=0x1<<1*4;
    STM32_NVIC_SetPriority(EXTI9_5_IRQn,1,1);
}

/*
函數(shù)功能: 初始化定時(shí)器,用于紅外線解碼
*/
void Infrared_Time6_Init(void)
{
    RCC->APB1ENR|=1<<4;
		RCC->APB1RSTR|=1<<4;
		RCC->APB1RSTR&=~(1<<4);
    TIM6->PSC=72-1; //預(yù)分頻器
    TIM6->ARR=65535;   //重裝載寄存器
    TIM6->CR1|=1<<7; //開啟緩存功能
	  //TIMx->CR1|=1<<0; //開啟定時(shí)器
}

/*
函數(shù)功能: 測量高電平持續(xù)的時(shí)間
*/
u32 Infrared_GetTime_H(void)
{
    TIM6->CNT=0;
    TIM6->CR1|=1<<0;    //開啟定時(shí)器
    while(NEC_IR){}     //等待高電平結(jié)束
    TIM6->CR1&=~(1<<0); //關(guān)閉定時(shí)器
    return TIM6->CNT;
}

/*
函數(shù)功能: 測量低電平持續(xù)的時(shí)間
*/
u32 Infrared_GetTime_L(void)
{
    TIM6->CNT=0;
    TIM6->CR1|=1<<0;    //開啟定時(shí)器
    while(!NEC_IR){}     //等待低電平結(jié)束
    TIM6->CR1&=~(1<<0); //關(guān)閉定時(shí)器
    return TIM6->CNT;
}


/*
函數(shù)功能:  外部中斷線9_5服務(wù)函數(shù)
*/
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    u32 time;
    u8 i,j,data=0;
  
    //清除中斷線9上的中斷請求
		EXTI->PR|=1<<9;
  
    time=Infrared_GetTime_L();       //得到低電平時(shí)間
    if(time<7000||time>10000)return; //標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間: 9000us
    time=Infrared_GetTime_H();       //得到高電平時(shí)間
    if(time<3000||time>5500)return;  //標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間4500us
    
    //正式解碼NEC協(xié)議
    for(i=0;i<4;i++)
    {
        for(j=0;j<8;j++)
        {
             time=Infrared_GetTime_L();       //得到低電平時(shí)間
             if(time<400||time>700)return;    //標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間: 560us
             
             time=Infrared_GetTime_H();       //得到高電平時(shí)間
             if(time>1400&&time<1800)         //數(shù)據(jù)1 1680us
             {
                data>>=1;
                data|=0x80;
             }
             else if(time>400&&time<700)   //數(shù)據(jù)0 560us
             {
                data>>=1;
             }
             else return;
        }
        InfraredRecvData[i]=data; //存放解碼成功的值
      }
    
      //解碼成功
      InfraredRecvState=1;
}

3.2 主函數(shù).c

#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include "at24c02.h"
#include "W25Q64.h"
#include "spi.h"
#include "nec_Infrared.h"

int main()
{
	LED_Init();
	BEEP_Init();
	KeyInit();
  USARTx_Init(USART1,72,115200);
  IIC_Init();
  
  W25Q64_Init();
  
  printf("芯片ID號:0x%X\n",W25Q64_ReadID());
  
  Infrared_RecvInit();
  
	while(1)
	{
		if(InfraredRecvState)
    {
        InfraredRecvState=0;
        printf("用戶碼:%d,按鍵碼:%d\n",InfraredRecvData[0],InfraredRecvData[2]);
        printf("user反碼:%d,key反碼:%d\n",(~InfraredRecvData[1])&0xFF,(~InfraredRecvData[3])&0xFF);
        BEEP=!BEEP;
        LED0=!LED0;
    }
	}
}

四、擴(kuò)展提高

如果上面的NEC的解碼思路已經(jīng)看到，程序已經(jīng)可以自己編寫，就可以試著使用STM32的輸入捕獲+定時(shí)器方式寫一版解碼代碼，既能更加熟悉NEC協(xié)議、也可以學(xué)習(xí)STM32定時(shí)器捕獲捕獲的用法；也可以做一些小東西來鍛煉，比如：紅外線遙控小車、音樂播放器支持紅外線遙控器切歌，電機(jī)的開關(guān)、燈的開關(guān)等等。

搞定協(xié)議解碼之后，我們下一步就是完成自定義的NEC協(xié)議紅外線制作，采用STM32模擬一個(gè)萬能紅外線遙控器。

審核編輯：湯梓紅

在光譜中波長自760nm至400um的電磁波稱為紅外線，它是一種不可見光。目前幾乎所有的視頻和音頻設(shè)備都可以通過紅外遙控的方式進(jìn)行遙控，比如電視機(jī)、空調(diào)、影碟機(jī)等，都可以見到紅外遙控的影子。這種技術(shù)應(yīng)用廣泛，相應(yīng)的應(yīng)用器件都十分廉價(jià)，因此紅外遙控是我們?nèi)粘ＴO(shè)備控制的理想方式。

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