北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院 北京 100124

引言

隨著家電行業(yè)的不斷發(fā)展，如今家電市場的競爭越來越激烈。作為家電的重要部件之一，遙控器的競爭也是如此。紅外遙控器是一種用戶可以在幾米甚至十幾米外就能對各種電器進(jìn)行操作控制的裝置，在家電產(chǎn)品中有廣泛應(yīng)用，但各產(chǎn)品的遙控器不能相互兼容，使得生活中遙控器數(shù)目也越來越多，使用時常常混淆。另外若遙控器丟失，找到配套的遙控器也很困難。具有學(xué)習(xí)功能的智能遙控器以STM32單片機為核心，能解碼與記憶遙控器編碼，并模擬發(fā)射，使一個遙控器可以代替多個遙控器控制多個電器，是一種智能化的控制工具[1]。目前市面上常見的智能遙控器大多只能對某幾種產(chǎn)品進(jìn)行控制，不是真正的“萬能”。本文利用STM32芯片對遙控器的發(fā)射信號的波形進(jìn)行測量，然后將測得的數(shù)據(jù)存放在FLASH中。由于只關(guān)心發(fā)射信號波形中的高低電平的寬度，而不管其如何編碼，因此，做到了真正的“萬能”，而且成本很低。除此之外，其具備的Wi-Fi通信模塊可以滿足用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制。在智能家居迅速發(fā)展的今天，本裝置完全可以作為智能控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行裝置。

1 自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置硬件設(shè)計

1.1 整體硬件設(shè)計

自學(xué)習(xí)型紅外遙控器相對于傳統(tǒng)遙控器最大的改進(jìn)在于增加了紅外接收模塊與信號處理功能，能將接收到的信號解調(diào)，然后通過測量其脈寬對信號進(jìn)行學(xué)習(xí)，并存儲于FLASH中，供發(fā)射指令時調(diào)用。此外，因為具有Wi-Fi通信功能，可以通過手機等設(shè)備進(jìn)行無線控制，因此，省去按鍵電路。整體結(jié)構(gòu)架如圖1所示。

1.2 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 處理器的選擇

圖1 自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置總體硬件設(shè)計框架圖

目前，市場上的單片機種類繁多，世界各地的生產(chǎn)商紛紛拋出自己的得意之作，而各行各業(yè)對于單片機的要求也越來越高；另外，處理器之間的互聯(lián)也在加深。在這樣的大環(huán)境下，ARM CorTex-M3處理器，作為CorTex的處女作，為了讓32位機入主單片機市場而誕生了。它具有性能高、低功耗、實時性好、方便開發(fā)人員使用、成本低廉、能使用的編程工具多[2]等優(yōu)點。

自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置采用的處理器STM32F103C8T6便是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。

1.2.2 晶振電路的設(shè)計

圖2所示為推薦的晶振振蕩電路圖。這樣的組成可以使晶振處于并聯(lián)諧振模式。反相器在芯片內(nèi)體現(xiàn)為一個AB型放大器，它將輸入的電量相移大約180°后輸出；并且由晶振、R1、C1和C2組成的π型網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生另外180°的相移。所以整個環(huán)路的相移為360°。這滿足了保持振蕩的一個條件。其它的條件，比如正確起振和保持振蕩，則要求閉環(huán)增益應(yīng)大于等于1。

圖2 晶振電路原理圖

1.2.3 復(fù)位電路的設(shè)計

自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置并未采用傳統(tǒng)的按鍵復(fù)位，而是使用專門的復(fù)位芯片MAX809，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

1.2.4 最小系統(tǒng)整體電路

最小系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 最小系統(tǒng)原理圖

1.3 電源模塊設(shè)計

SPX1117是一款正電壓輸出的低壓降三端線性穩(wěn)壓電路，在1A輸出電流下的壓降為1.2V。SPX1117分為兩個版本，固定電壓輸出版本和可調(diào)電壓輸出版本。

自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置使用了SPX1117_3.3將電壓穩(wěn)定在3.3V為處理器及系統(tǒng)供電，電路圖如圖4所示。

圖4 電源模塊電路原理圖

1.4 Wi-Fi通信模塊設(shè)計

Wi-Fi模塊又名串口Wi-Fi模塊，自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置使用Wi-Fi控制來代替?zhèn)鹘y(tǒng)紅外遙控器使用的按鍵控制，這樣的優(yōu)點是可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，方便與控制中心，網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Wi-Fi現(xiàn)在被眾多的家庭所使用，有著非常多的用戶，這也是本次使用Wi-Fi模塊進(jìn)行通信的重要原因。而且成熟的模塊化產(chǎn)品大大降低了本次設(shè)計的難度。在經(jīng)過仔細(xì)對比之后，最終選定了一款慶科公司生產(chǎn)的嵌入式Wi-Fi模塊。其接口電路圖如圖5所示。

圖5 自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置總體硬件設(shè)計框架圖

1.5 紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊

自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置在紅外線的發(fā)射和接收上使用的紅外對管：紅外發(fā)射管IR333、光敏接收管PT333。其中有5路紅外發(fā)射電路和一路紅外接收電路，經(jīng)實際使用效果良好，其電路原理圖如圖6和圖7所示。

圖6 紅外發(fā)射電路原理圖

圖7 紅外接收電路原理圖

1.6 硬件PCB設(shè)計與實現(xiàn)

本節(jié)遵循常規(guī)的元件布局和布線的基本規(guī)則，按照以上的原理圖，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件 PCB 設(shè)計與實現(xiàn)。在布局布線的時候考慮實際需求，盡量保證電磁兼容性，并且盡量減小 PCB 板的大小。整體PCB圖如圖8所示。

2 自學(xué)習(xí)紅外遙控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 操作系統(tǒng)的簡介

μC/OS-II是Micrium公司開發(fā)的，是一個可移植、可固化、可裁剪、占先式多任務(wù)的實時內(nèi)核，現(xiàn)如今它已被使用于多種微處理器、微控制器和數(shù)字處理芯片(超過100種以上的微處理器應(yīng)用都移植使用過它[3])。自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置的任務(wù)管理調(diào)度便使用了μC/OS-II操作系統(tǒng)。

2.2 紅外編碼的采集策略

波形測量是指對紅外信號的編碼波形進(jìn)行測量，實際測量調(diào)制信號高低電平的時間，以紅外NEC[4]協(xié)議為例，紅外NEC協(xié)議編碼波形如圖9 所示。

但是市面上紅外遙控器的設(shè)計沒有遵循統(tǒng)一的紅外遙控標(biāo)準(zhǔn)。所以不同的遙控器發(fā)出的紅外指令中，起始碼各不相同，而且后面的控制指令差別也很大，甚至指令碼的位數(shù)也不相同。通過采用數(shù)字示波器對紅外指令信號進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)它們和標(biāo)準(zhǔn)的編碼方式差別較大，但基本的編碼思想相同，都是采用不同的周期、不同占空比的脈沖來分別表示0和1。不同遙控器的脈沖周期可能不同，占空比也不盡相同。

為了能學(xué)習(xí)不同編碼的波形，實現(xiàn)真正的“萬能”，自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置將采集完整的波形，并將其整個波形進(jìn)行記錄，以便發(fā)射該波形時進(jìn)行調(diào)用。

采集的具體方法是使用STM32的定時器上升沿觸發(fā)中斷和下降沿觸發(fā)中斷來測量高低電平時間長度。流程圖如圖10所示。

圖8 自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置PCB圖

圖9 紅外NEC編碼波形

圖10 紅外采集程序流程圖

2.3 數(shù)據(jù)的存儲

自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置未添加存儲模塊，而是將數(shù)據(jù)保存在處理器的片內(nèi)flash中。本次使用的是STM32f103c8芯片，其flash總共128k，其中后64k不能用于存儲程序，所以使用后64k存放數(shù)據(jù)：地址從0x08010000開始，每1k為一頁，一共64頁，每頁的存儲格式如表1所示。每頁中都只存放同一種型號遙控器的按鍵，在沒存儲滿的情況下，學(xué)習(xí)另一種型號的遙控器將另起一頁進(jìn)行存儲。

表1 flash中數(shù)據(jù)存儲地址表

表2 控制字功能表

2.4 與上位機通訊規(guī)范

自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置可以通過Wi-Fi模塊與上位機進(jìn)行通信，以此實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，以下為本裝置與為其專門設(shè)計的手機APP的通信格式。數(shù)據(jù)格式為字符串，字符串以 為結(jié)束標(biāo)志，具體的控制字和反饋值見表2和表3。

表3 反饋值意義表

3 自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置APP設(shè)計

隨著科技的不斷進(jìn)步和人們消費水平的提高，智能手機的發(fā)展日新月異，手機APP應(yīng)用市場作為一個新興的行業(yè)以迅猛之勢快速發(fā)展?；诖耍悄苁謾C作為自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置的人機交互裝置便成為最優(yōu)的選擇。

3.1 APP與紅外遙控裝置的通信連接

自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置采用TCP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其中Wi-Fi模塊作為TCP服務(wù)器，手機APP作為TCP客戶端。配置界面如圖11所示。其中IP地址與端口需與自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置一致。

圖11 TCP配置界面

3.2 APP人機交互界面設(shè)計

自學(xué)習(xí)紅外遙控裝置APP的控制界面主要分為三大部分：設(shè)備登錄管理界面、遙控器類型選擇界面、各類型遙控器對應(yīng)的按鍵控制及顯示界面。選取其中一界面展示，如圖12為電視機遙控器控制界面。

4 總結(jié)

圖12 APP控制界面展示圖

基于Wi-Fi控制的具有自學(xué)習(xí)能力的紅外遙控裝置與市面上同類型的產(chǎn)品相比，在自學(xué)習(xí)功能方面采取了更優(yōu)的設(shè)計方案，且取得較好的成果。使用APP通過Wi-Fi對裝置進(jìn)行操作也有利于用戶的使用和產(chǎn)品的推廣。在實際測試使用中性能良好，而且價格低廉、控制準(zhǔn)確、操作簡單。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘆健,彭軍,顏自勇,等.自學(xué)習(xí)型智能紅外遙控器設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù),2006,25(8):64 66

[2] Jioseph Yiu.ConTex-M3 權(quán)威指南[M].宋巖,譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009

[3] Jean J.Labrosse.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-2[M].邵貝貝,譯.北京:北京航天航空大學(xué)出版社.2003

[4] 鄭偉,謝利理,張震.一種具有自學(xué)習(xí)功能的智能紅外遙控器設(shè)計[J].計算機測量與控制,2007,15(12):1758-1759