基于FPGA的家居智能遙控

引言

　　人們生活中的家用電器種類日益增多，遙控器的種類也隨之增加，不同種類的遙控器之間一般不能相互替代，這給人們的生活帶來諸多不便。各類遙控器功能大致相同，大多都有數(shù)字鍵、啟動(dòng)停止鍵、前進(jìn)鍵、快進(jìn)鍵、后退鍵，復(fù)雜的也就是增加幾個(gè)功能鍵，現(xiàn)實(shí)生活中，由于用戶的個(gè)體差異，特殊功能鍵的使用頻率很低，甚至部分用戶自始至終就從未使用過這類鍵，因此，這些鍵完全可以簡化和歸類使用，對于那些不易簡化和歸類的少量特殊功能鍵，可以通過開辟自定義按鍵區(qū)的方法予以解決。

　　鑒于此，本文以單片機(jī)和大規(guī)模可編程門陣列FPGA為基礎(chǔ)，以記錄波形的思想設(shè)計(jì)了一款自學(xué)習(xí)式通用家居遙控器，又為原本無遙控功能的電燈、電扇、窗簾等設(shè)施追加了教練+學(xué)習(xí)+控制的遙控模型，在電腦上安裝了Girder軟件后還可實(shí)現(xiàn)對電腦的遙控。

　　1 紅外遙控簡介

　　1.1 關(guān)于紅外線

　　紅外線是波長在0. 75μm 至100μm 之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光，是一種人的眼睛看不到的光線。紅外通訊一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在0. 75μm 至25μm 之間。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（ IRDA） 成立后，為了保證不同廠商的紅外產(chǎn)品能夠獲得最佳的通訊效果，紅外通訊協(xié)議將紅外數(shù)據(jù)通訊所采用的光波波長的范圍限定在850nm 至900 nm 之內(nèi)。

　　由于紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，所以適合應(yīng)用在需要短距離無線通訊的場合，進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的直線數(shù)據(jù)傳輸。

　　1.2 紅外遙控編碼格式

　　用于遙控的控制代碼大都以不同的編碼標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制在38 kHz 左右的載波頻率之上，再以串行格式通過紅外載波的通斷被發(fā)送。下面簡單介紹一下常見的編碼標(biāo)準(zhǔn)：

　　1） Pulse 編碼（Pulse Coded）

　　脈沖的長度根據(jù)表示的數(shù)據(jù)‘0’、‘1’而不同，Sony 的遙控用此種編碼。

　　2） Space 編碼（Space Coded）

　　與脈沖編碼正好相反，它是以脈沖之間space 的長度不同來表示數(shù)據(jù)， Panasonic 的遙控用的就是這種編碼。

　　3） Shift 編碼（Shift Coded）

　　此種編碼是用電平轉(zhuǎn)換的方向表示數(shù)據(jù)的，因此所有的位都有著連續(xù)的時(shí)段，Philips 就用該編碼方式。

　　2 系統(tǒng)的軟硬件劃分

　　該系統(tǒng)采用“電腦主機(jī)+單片機(jī)+FPGA”的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件分為兩部分：一部分是在主機(jī)上運(yùn)行的Girder程序，用于解碼接收到的信號(hào)并控制電腦執(zhí)行指定的動(dòng)作，另一部分運(yùn)行在單片機(jī)上，用于驅(qū)動(dòng)遙控器的液晶（LCD）顯示。系統(tǒng)的硬件分為四部分：學(xué)習(xí)器，教練器，接收器以及與主機(jī)的接口電路，其中學(xué)習(xí)器兼有學(xué)習(xí)與遙控的功能，通過學(xué)習(xí)原有遙控器的編碼可以遙控任何擁有遙控功能的電器，它包括單片機(jī)和FPGA兩部分，由FPGA執(zhí)行主要的學(xué)習(xí)與遙控功能以提高運(yùn)行速度和集成度，單片機(jī)用來驅(qū)動(dòng)液晶顯示;教練器與接收器負(fù)責(zé)對原本無遙控功能的設(shè)備追加遙控功能，具體來說就是教練器產(chǎn)生種類足夠多的編碼地址供學(xué)習(xí)器來學(xué)習(xí)，接收器則在電器端負(fù)責(zé)解碼對應(yīng)的地址并產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作;為實(shí)現(xiàn)對電腦的遙控功能而設(shè)計(jì)的主機(jī)接口電路負(fù)責(zé)把紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳入主機(jī)。硬件電路實(shí)現(xiàn)的總體框圖如圖1所示：

　　圖1 硬件系統(tǒng)總體框圖

　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1 學(xué)習(xí)器

　　學(xué)習(xí)器是硬件電路的主要部分，兼有學(xué)習(xí)與遙控的功能，它以FPGA為核心，外圍電路力求簡單，主要由鍵盤、存儲(chǔ)器、接收電路和發(fā)射電路組成，考慮到用純硬件來控制LCD顯示的困難較大，決定采用微控制器協(xié)助FPGA來實(shí)現(xiàn)。這里的接收電路與后面要講的接收器不同，它專為學(xué)習(xí)功能設(shè)置，負(fù)責(zé)接收已有遙控器的紅外信號(hào)并送至FPGA內(nèi)部進(jìn)行識(shí)別、譯碼以及存儲(chǔ)，發(fā)射電路由驅(qū)動(dòng)電路和紅外發(fā)光二極管兩部分電路組成，負(fù)責(zé)將編碼信號(hào)以紅外光的形式發(fā)射出去。

　　總體原理框圖如圖2所示：

　　圖2.學(xué)習(xí)器硬件結(jié)構(gòu)

　　3.1.1 FPGA的設(shè)計(jì)

　　包括鍵盤模塊、發(fā)射編碼調(diào)制模塊、接收譯碼存儲(chǔ)模塊三個(gè)模塊，另外還有一個(gè)總控制模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示：

　　圖3.FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　總控制模塊是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其他各個(gè)模塊的工作并提供與顯示電路和存儲(chǔ)器的接口;鍵盤模塊接收用戶的按鍵信息，并編碼輸出給總模塊，這些信息包括按鍵的地址，按鍵的類型和用戶選擇要遙控的器件編碼;接收譯碼存儲(chǔ)模塊由計(jì)數(shù)器記錄接收信號(hào)高低電平的寬度，并將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器相應(yīng)地址中，存儲(chǔ)時(shí)序由狀態(tài)機(jī)來控制;發(fā)射編碼調(diào)制模塊負(fù)責(zé)由存儲(chǔ)器中讀取當(dāng)前按鍵的數(shù)據(jù)信息，產(chǎn)生與學(xué)習(xí)到的信號(hào)相似的高低變化的電平，并以38kHz的載波調(diào)制輸出。

　　3.1.2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的LCD顯示電路

　　顯示電路采用RT12864M-2型液晶顯示器，由我們較為熟悉的單片機(jī)控制液晶來顯示遙控器所處的狀態(tài)并提示用戶進(jìn)行正確的操作。

　　3.2 教練器

　　教練器的作用是產(chǎn)生種類足夠多的編碼信號(hào)供學(xué)習(xí)器來學(xué)習(xí)，進(jìn)而控制不同的接收器。

　　SC2262是一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編碼電路，最多可有12位（A0-A11）三態(tài)地址端管腳（懸空，接高電平，接低電平），任意組合可提供531441地址碼， SC2262最多可有6位（D0-D5）數(shù)據(jù)端管腳，其編碼方式如圖4所示。

　　圖4.SC2262的編碼脈沖

　　3.3 接收器

　　SC2272 是與SC2262 配對使用的一塊遙控解碼專用集成電路。它可支持多達(dá)531441個(gè)地址的編碼，極大的減少了碼的沖突。SC2272 對從Din（14腳）端子送入的信號(hào)進(jìn)行解碼。解碼出來的地址碼與所設(shè)置地址輸入端進(jìn)行比較。如果所設(shè)置的地址與連續(xù)2個(gè)字碼匹配，則SC2272 做以下動(dòng)作：

　　a）當(dāng)解碼得到有“1”數(shù)據(jù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端為高電平;

　　b）驅(qū)動(dòng)VT （17腳）輸出為高電平。

　　將SC2272與繼電器結(jié)合就可以控制電燈、電扇等用電器的電源開關(guān)，再加上小型直流電動(dòng)機(jī)就可控制窗簾等機(jī)械裝置。