周梦晗

周梦晗详解红外遥控编解码-电子工程专辑

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周梦晗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。
2、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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