基于FPGA的红外遥控器设计毕业作品.docx

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基于FPGA的红外遥控器设计毕业作品

毕设

业计

（20届）

基于FPGA的红外遥控器设计

所在学院

专业班级电子信息工程

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

摘要

红外遥控器成本低廉、功耗低、连接方便、简单易用，在很多小型移动设备中得到了广泛的应用。

目前，红外遥控器已经成为家用电器的标准部件。

电视机、录像机、DVD、音频功放、空调等设备的几乎所有功能都可以通过红外遥控器来控制。

本文介绍了红外遥控的设计以及完整的软件解码方案、源程序、应用方法。

并且探讨了了一种较为典型的红外遥控系统的设计思路，介绍了由PT2248作为发送器，用VHDL编写程序，运用FPGA实现，下载到EDA实验板上实现解码的设计方法。

为各类遥控器的开发应用提供了一个非常有用的参考。

系统原理简单，可靠性好，能够及时发现误码，防止误操作的产生。

可应用于一般控制场合。

该实现方法，外部电路连接简单，操作方便。

已在实际中得到应用。

关键词：

红外遥控嚣；FPGA；VHDL；PT2248

Abstract

Infraredremotecontrolandlowcost,lowpowerconsumption,easyconnection,easytouse,inmanysmallmobiledeviceshavebeenwidelyused.Atpresent,theinfraredremotecontrolhasbecomeastandardpartofhouseholdappliances.TV,VCR,DVD,audioamplifier,airconditioningandotherequipmentforvirtuallyallfunctionscanbecontrolledbyinfraredremotecontrol.

Thistentintroducesthedesignoftheinfraredremotecontrolsystemandintactsoftwaredecodescheme,sourcecodeandapplicationmethod.At1astitoffersapracticaalreferencefora11kindsofinfraredremetecontroller.Theimplementationmethod,theexternalcircuitconnectionissimple,easytooperate.IntroducedbythePT2248asatransmitter,VHDLprogramming,theuseofFPGA,EDAdownloadedtotheexperimentalboarddesigntoachievedecoding.Foralltypesofdevelopmentandapplicationofremotecontrolprovidesaveryusefulreference.Systemissimpleinprinciple,reliability,abilitytodetecterrors,topreventmisuseoftheproduction.Canbeappliedtocontrolapplications.Hasbeenappliedinpractice.

KeyWords:

remotecontrol；VHDL；FGPA；PT2248；

1　引言

IT技术的快速发展使得越来越多的新生家电走向市场。

国内经济的迅速提高更使得居民有能力购买各式各样的家电。

因此常常要因为操控不同的家电而更换不同的遥控器，这让用户倍感不便。

能够用一个遥控器控制不同家电的多功能遥控器，就应允而生。

本文运用FPGA设计了一种红外遥控器。

操作简单方便，并且功能强大。

1.1遥控器的发展历程

遥控器是一种用来远控机械的装置。

现代的遥控器，主要是由集成电路电板和用来产生不同讯息的按钮所组成。

到底是谁发明了第一个遥控器已无可考证了。

但最早的遥控器之一，是一个

叫尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）（1856—1943）的发明家（他曾经为爱迪生工作，同样被誉为天才发明家）在1898年时开发出来的（美国专利613809号），叫做“MethodofandApparatusforControllingMechanismofMovingVehicleorVehicles”。

到了60年代初，一些发达国家开始研究民用产品的遥控技术，但由于受当时技术条件的限制，遥控技术发展很缓慢。

70年代末，随着大规模集成电路和计算机技术的发展，遥控技术才得到快速发展。

在遥控方式上大体经历了从有线到无线的超声波、从振动子到红外线、再到使用总线的微机红外遥控这样几个阶段。

无论采用何种方式，准确无误地传输信号，最终达到满意的控制效果是非常重要的。

最初的无线遥控装置采用的是电磁波传输信号，由于电磁波容易产生干扰，也易受干扰，因此逐渐采用超声波和红外线媒介来传输信号。

与红外线相比，超声传感器频带窄，所能携带的信息量少，易受干扰而引起误动作。

较为理想的是光控方式，采用红外线的遥控方式逐渐取代了超声波遥控方式，出现了红外线多功能遥控器，并且成为当今时代的主流[1]。

由于红外线在频谱上位于可见光之外，所以抗干扰性强，具有光波的直线传

播特性，不易产生相互间的干扰，是很好的信息传输媒体。

信息可以直接对红外光进行调制传输，例如，信息直接调制红外光的强弱进行传输，也可以用红外线产生一定频率的载波，再用信息对载波进调制，接收端再去掉载波，取到信息。

从信息的可靠传输来说，后一种方法更好，这就是目前大多数红外遥控器所采用的方法。

红外遥控技术在这十年来得到了迅猛发展，在家电和其他电子领域都得到了

广泛应用。

随着生活水平的提高，人们对产品的追求是使用更方便、更具智能化，

红外遥控技术正是一个重点的发展方向。

各类遥控器功能大致相同。

大多都有数字键、启动停止键、前进键、快进键和后退键。

现实生活中，由于用户的需求差异，特殊功能键的使用频率很低，甚至部分用户自始至终就从未使用过这类按键。

因此，这些按键完全可以简化和归类使用。

对于那些不宜简化和归类的少量特殊功能键，可以通过开辟自定义按键区的方法予以解决。

目前国外（主要是欧美市场）的遥控器几乎都是多功能遥控器，它们能够控制全球的绝大部分的视频设备甚至包括空调器。

这些遥控器一般由MCU进行控制，其价格一般比较贵，至少上百美金。

值得一提的是，目前全球的遥控器的80%是由中国大陆代工贴牌生产的，但是关键芯片是别人的。

国外的遥控器主要通过超市等渠道进行销售，消费者可以根据自己的需求进行选择，其发展趋势是根据家庭的需要遥控器拥有更多的功能和更人性化的设计[8]。

而在国内市场，遥控器绝大部分是单一型的遥控器，也就是一个遥控器控制一个视频设备，这与我国经济状况和消费习惯有关。

多功能（万能）遥控器只是单一型的遥控器的补充，在一般的主流渠道是没有多功能遥控器销售的，许多消费者也就不知道如何购买多功能遥控器，因此多功能遥控器的销量是相对很少的。

1.2遥控器的种类及应用

（1）红外遥控器

红外遥控器（IRRemoteControl）是利用波长为0.76～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的遥控设备。

常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。

红外遥控无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰，因此，现在红外遥控在家用电器、室内近距离（小于10米）遥控中得到了广泛的应用。

图1-1红外遥控器

（2）无线遥控器

无线电遥控器（RFRemoteControl）是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。

这些信号被远方的接收设备接收后，可以指令或驱动其它各种相应的机械或者电子设备，去完成各种操作，如闭合电路、移动手柄、开动电机，之后再由这些机械进行需要的操作。

作为一种与红外遥控器相补充的遥控器种类，在车库门、电动门、道闸遥控控制，防盗报警器，工业控制以及无线智能家居领域得到了广泛的应用。

图1-2无线遥控器

（3）超声波遥控器

超声波遥控是利用超声波来传送指令的遥控，可以应用于需要遥控、遥测的场合。

采用AX5326与AX5327构成的遥控系统具有体积小、功耗低、功能强大、抗干扰能力强、成本低等优点。

（4）智能遥控器

为了减少家庭中红外线遥控器的数目,已经有很多厂家设计和生产了一种称为万能遥控器的红外线遥控装置.万能遥控器具有接收、存储和发送红外线编码的功能,通过对不同普通遥控器发出的红外线编码进行学习和存储,万能遥控器可以对多个家用电器进行遥控,从而可以减少家庭中遥控器的数目。

红外遥控是目前家用电器中用得较多的遥控方式，在车载影音导航系统也被广泛的应用。

红外遥控的特点是不影响周边环境、不干扰其他电器设备。

由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。

由于各生产厂家生产了大量红外遥控专用集成电路，需要时按图索骥即可。

因此，现在红外遥控在家用电器、近距离（小于10米）遥控中得到了广泛的应用[2]。

自2005年起，台湾与中国大陆遥控设备产量约占全球总产量的80％，且受

海外市场对家用自动化与娱乐应用产品需求的快速增长的刺激，其出口总值仍在

上升。

近年来，随着遥控制造产业的不断成熟，遥控器市场竞争十分激烈，遥控

器的价格也出现下滑趋势，但高端产品的价格上升势头较好，因此，在未来一两

年内，国内供应商主要生产中低端红外产品，而技术较强的台湾同行则将把重点

集中在高端红外线或转向射频遥控器。

由于国内及香港供应商可提供多种规格的

红外线遥控器，而台湾制造商则转向采用更新的技术，因此，中国制造商可为海

外买家提供各种规格的遥控器。

除了国外市场，国内自身的需求量也十分巨大。

就拿福建省来说，福建是国

内的电子大省之一，厦华、厦新、万利达和灿坤等电子厂商对红外遥控设备需求

量十分巨大，而省内主要的红外遥控设备厂商是厦门华联，其每年对红外遥控芯

片的需求量在两千万以上，如果能研制出一款同等类型的芯片，不但能带来可观

的利润，更能完善红外遥控设备的相关产业链，促进整个行业的发展。

1.3论文的研究内容及安排

本文主要对于基于FPGA的红外遥控进行深入解析。

全面分析红外遥控的各个模块及各个模块的程序设计。

对每个子模块进行仿真测试，并且最后通过整体仿真对整个设计深入了解。

1研究内容

发射编码部分使用指定的元器件在万用板上完成红外遥控器的制作。

接收解码部分用VHDL编写程序，下载到EDA实验板上实现解码，实现下列功能。

（1）基本功能：

1）将一体化红外接收解码解调器的输出信号解码（12个单击键、6个连续键，单击键编号为7~8，连续键编码为1~6），在EDA实验板上用七段数码管来显示。

2）当按下遥控器1~6号连续键时，在EDA实验板上点亮一个发光二极管作为连续键按下的指示，遥控器上连续键按下时指示灯全亮，直到松开按键时才熄灭，用于区别单击键。

3）在EDA实验板上设置8个按键，其功能等同于遥控器上的1~8号按键。

（2）扩展功能

通过遥控器跳线改变用户码，EDA实验板上用3个发光二极管正确显示发送端的用户码。

2论文安排

1、本论文首先对遥控器的原理及功能应用等基本理论和现有的工作基础进行全面系统的介绍；然后再充分了解遥控器的基本理论知识后，重点对红外遥控进行深入的研究；

2、对遥控进行综述，了解遥控优缺点，并进行比较，着重阐述红外遥控的方法。

3、详细分析基于FPGA红外遥控的设计及思路。

首先对遥控器的原理进行讲解分析，并对各个子模块：

解码、译码、键盘扫描、动态扫描、用户码显示模块进行逐个分析设计并且仿真，然后对各个子模块进行连接，做出整体设计仿真。

2红外遥控的方法

红外遥控系统主要分发射和接收2部分，如图2-1所示：

图2-1红外遥控系统

2.1发射系统

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发射出去，红外发光二极管是特殊的发光二极

管，其内部材料和普通发光二极管不同，因而在其两端施加一定电压时，它发出

的是红外线而不是可见光。

目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为

940nm左右，外形与普通妒5发光二极管相同[3]。

a简单驱动电路b射极输出驱动电路

图2-2红外发光二极管驱动电路

如图2—2是红外发光二极管的驱动电路，a图是最简单的驱动电路，选用元

件时要注意三极管的开关速度要快，还要考虑到红外发光二极管的正向电流和反

向漏电流，一般流过红外发光二极管的最大正向电流为lOOmA，电流越大，其发

射的波形强度越大。

a图电路有一点缺陷，当电池电压下降时，流过红外发光二极管的电流会降低，发射波形强度降低，遥控距离就会变小。

b图所示的射极输出驱动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，这样即使电池电压有所下降，仍然可以保证一定的遥控距离[9]。

2.2接收系统

图2-3红外信号接收系统结构图

红外信号接收系统的基本电路结构如图2-3所示，该电路包括红外光电二极管，前置放大电路，限幅放大电路，带通滤波器，积分电路，比较器等。

图左侧的红外光电二极管将接收到的红外光信号转化为电信号，然后把信号送到放大电路进行放大，限幅放大电路在放大信号的同时又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，带通滤波器滤除中心频率外频率的噪声，出来的信号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，还原出发射端的二进制信号波形[4]。

图2-4一体化红外接收头

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，也有些红外接收头添加了可以调节解调频率的端口。

应

用时必须保证发射端调制载波的频率与接收端相应的解调频率之间互相匹配[16]。

2.3红外原理

1识别、编码、调制

除了发送器，接收器以外，红外遥控系统还需要一系列外围电路。

有些接收器内已经集成了专用的解码芯片，而无需自行设计解码器。

若设计者不用专用解码器而想自主解码，则还要设计一个用于白行解码的控制器。

其中发送器是用来发送控制信号的，如果把按键的动作称为信源的话，那么发送器是一个信源信号的转换装置，把转换后的信号通过红外信道传输出去。

而信源信号的转换方式有频分制和码分制两种[]。

频分制就是以不同频率的信号代表不同的按键信号。

遥控信号的频率范围在几百HZ到几十KHZ之间[12]。

这种识别／编码方式可以使得发送出去的遥控信号抗干扰能力较强，但是由于不同的按键信号要占用不同的频带，所以在遥控按键指令集复杂的场合，他需要较多的遥控通道，即要占用更多的频率资源。

因而这种方式只适合指令集简单的场合。

而码分制则适用于按键指令集复杂的场合，他是以不同的脉冲或者脉冲组合代表不同的按键指令。

与频分制相比，码分制电路简单，使用灵活，在实际应用中多采用这种方式。

下面将要用到的PT2248就是这种方式。

码分制的编码方式主要有：

频率调制（FM），脉宽调制（PWM），脉位调制（PPM），实际上各种红外系统的主要区别在于信号的编码方式不相同。

然而如果仅把经过码分制处理的脉冲以红外光波的形式发送出去，由于其编码频率低，周期在毫秒级，抗干扰能力不强，因此实际的发送器往往把脉冲序列经过调制后才发送出去以提高系统的抗干扰能力。

目前常用的载频有30kHz，38kHz，40kHz及56kHz等几种[5]。

2信号的解调与解码

红外接收器用来接收来自红外发送器的红外光波信号，将接收到的信号放大、检波、整形，直到解调出发送端的基带脉冲序列，如果红外接收器是专用设备，则他的功能还应包括对基带信号的解码。

此时他内部的解码器往往集成了专用的解码芯片。

但是对于独立研发生产，可以按照编码方式自行解码。

接收器的结构功能很大程度上取决于发送器的结构及对信源信号的处理方式[6]。

3基于FPGA的红外遥控器的实现

3.1设计要求

红外遥控系统由发射编码和接收解码两个部分组成，本设计制作了发射编码电路板（遥控器）一级编写程序在EDA实验板上实现接收解码。

3.2设计分析与设计思路

本次课程设计的红外遥控器由红外遥控专用芯片PT2248作为编码及发送部分，PT2248最大可用作18路红外遥控系统的编码，其内部己集成了38kHz的红外载波振荡及相应的数字脉码调制电路，只需外接3×6的矩阵式按键、红外发光二极管及其驱动电路等少量元器件便可完成编码发送的功能。

由PT2248和少量外围元件组成的红外遥控发射电路如下图3-1所示

图3-1遥控器发送电路

芯片的发送指令由12位码组成，其中C1～C3是用户码，可用来确定不同的模式。

用户码设定是以列线内接入二极管为界线，当T1～T3与CODE之间分别接入二极管时，用户码（C1～C3）为“1”；当T1～T3引脚不接二极管时，用户码为“0”。

如果该芯片与BL9150相结合，则C3引脚必须接入二极管；如果该芯片与BL9149相结合，则C2必须接二极管，H、S1和S2是代表连续发送或单次发送的码，且分别与T1、T2和T3列的键对应。

D4～D6是发送的数据码（也是键输入码）

上图中3V电源电压一方面为芯片提供推荐工作电压并加到引脚16，另一方面作为信号输出指示复合管的工作电压。

为了使振荡频率为455kHz，特采用外接晶振，并外接两个电容120pF旁路到地。

图7中三列T1、T2、T3和CODE分别接一个二极管，目的是为了使用户码（C1、C2、C3）为“1”[7]。

3.3遥控器原理

1发射板部分

发射板主要由红外线编码芯片PT2248构成红外编码这个模块。

PT2248的管脚图如下图3-2所示：

图3-2PT2248管脚图

其各个管脚的功能如下表3-1[14]：

表3-1PT2248管脚功能表

PT2248组成的18路遥控发送器其编码规则：

（1）设a为一个时间单位，时间长度是38kHz的16个时钟周期，即

a＝1÷38kHz×16＝0.421ms

编码是以串行形式发送的，在接收端（38kHz一体化红外接收解调器）接收到如下形式的1位的编码时分别表示“0”和“1”：

1个a的低电平，3个a的高电平表示‘0’：

3个a的低电平，1个a的高电平表示‘1’，编码以串行形式发送，接收端的一体化红外接收解调器输出波形如图3-3所示：

图3-3一体化红外接收解调器输出波形

（2）遥控器的每个按键编码由12位按以上编码规则所代表的“0”、“1”组成，时间长度为48a，当按下遥控器的7~18号单击按键，则以12位为一组（48a）发送两次编码，如图3-4所示：

图3-4单击按键发送的编码

图中60a为自按下按键到发送编码的等待时间，80a是前后两次发送12位48a编码的高电平时间间隔。

7~18号单击按键无论发送端按键时间持续多长只发送一次这样形式的两组相同的12位编码。

其中第二个48a起校验作用。

（3）当按下1到6号连续按键时，编码按如下格式连续发送。

当按着连续键不放，会每隔208a发送一次有效编码[10]。

图3-5连续按键发送的编码

（4）具体每个12位的串行编码规则如下：

图3-6按键12位编码规则

C1、C2、C3位用户识别码，可通过在遥控器发射电路中是否接入IN4148二极管决定其为‘0’或‘1’，接入二极管为‘0’，对应着TP2248的第10管脚到第12管脚，若只有第10管脚不接入二极管，11和12接入，用户码位“011”，

表3-2用户码

第10管脚

第11管脚

第12管脚

C1C2C3

用户码

不接入

000

不接入

接入

001

不接入

接入

不接入

010

不接入

接入

011

接入

不接入

100

接入

不接入

接入

101

接入

不接入

110

接入

111

H、S1、是区别单击键和连续键的标志位，相当于列坐标，D1~D6为按键输入码，相当于行坐标，低9位的按键编码规则如下表3-3[13]。

表3-3低9位按键编码

按键

低9位编码

2接收解码原理

红外接收解调器输出的波形如图3-3所示。

编程的主要工作是将这一系列波形进行解码得到12位编码。

根据前面对遥控器发射信号的分析，编码‘0’和‘1’的区别在于占空比不痛，编程的方法也从这里入手。

对于每位编码，设置一个计数器，在接收到低电平时开始计数，遇到高电平停止计数，通过对计数值大小的比较判断编码是‘0’还是‘1’。

具体原理：

由于一位编码由4a组成，选择频率为16KHZ的系统时钟（2.048mHz晶振进行1028分频，即27分频），a的频率为2.375khz（啊的时间长度为0.421ms）,由此可算得，'0'的编码由6.7个低电平和20.2个高电平组成，‘1’则由20.2个低电平和6.7个高电平组成。

这样通过计数器对低电平计数，取一个判断值为15，当低电平结束时计数值大于15则编码为‘1’

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