紅外遙控發(fā)射器Proteus仿真研究

0 引言

紅外遙控在家電、玩具、工控、智能儀表中是使用最廣泛的一種通信和遙控手段。Proteus仿真能大大加快該遙控系統(tǒng)的開發(fā)周期和提高其性能，但是當(dāng)前版本的Proteus中尚沒有紅外發(fā)射器的仿真元器件，只有一個IRLINK模塊可以用于接收并解調(diào)紅外信號，給紅外系統(tǒng)仿真帶來了較大的難度。目前學(xué)者對紅外遙控系統(tǒng)的接收部分仿真已經(jīng)有較多的研究，但是還很少有針對紅外遙控發(fā)射部分的典型仿真研究?？梢栽O(shè)計一種典型的紅外發(fā)射器仿真模塊，該模塊在仿真中相當(dāng)于實際的遙控器。進行紅外遙控系統(tǒng)開發(fā)仿真時，可以將此模塊用于紅外遙控接收電路以及其軟件的快速驗證，加快產(chǎn)品開發(fā)周期。

1 紅外遙控發(fā)射器調(diào)制解調(diào)過程簡介

紅外遙控發(fā)射器發(fā)射的一幀數(shù)據(jù)一般由引導(dǎo)碼、低8位用戶編碼、8位數(shù)據(jù)碼、8位數(shù)據(jù)碼的反碼等4部分組成。其中用戶識別碼能區(qū)別不同的紅外遙控設(shè)備，防止不同機種遙控碼互相干擾。后16位為8位數(shù)據(jù)碼和8位數(shù)據(jù)碼的反碼，每次8位的數(shù)據(jù)碼被傳送之后，它的反碼也隨即被傳送，用于確保接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。這種遙控碼是采用脈沖寬度調(diào)制方式，它的特征是：采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示二進制的“0”;以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合表示二進制的“1”。

紅外數(shù)據(jù)幀經(jīng)編碼后，還要用38kHz的方波進行脈沖幅度調(diào)制。如圖1所示，最上面一行為待發(fā)射數(shù)據(jù)的波形，第二行為38k載波，第三行為經(jīng)載波調(diào)制后的紅外發(fā)射信號波形，第四行是經(jīng)過一種專門的紅外接收濾波后的數(shù)據(jù)還原?？梢钥闯?，最后通過解碼還原出來的數(shù)據(jù)波形與紅外遙控器發(fā)射的數(shù)據(jù)波形相位剛好反向。

2 紅外遙控仿真硬件電路設(shè)計

圖2所示是紅外發(fā)射接收一體化仿真電路。單片機U2部分為紅外接收，并顯示接收到的紅外編碼，顯示部分可采用數(shù)碼管，LCD等顯示器件，學(xué)者已經(jīng)對紅外接收及顯示有較詳細的研究，在此不作論述，只用作驗證紅外遙控發(fā)射器模塊的有效性。

單片機U1部分為模擬紅外遙控器發(fā)射。因Proteus仿真軟件里面沒有常見的紅外遙控發(fā)射器處理芯片，這里用8051單片機U1來實現(xiàn)，其P3.4口輸出待發(fā)射數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)與門U3和38k載波信號調(diào)制后發(fā)射到接收電路，接收電路再通過Proteus軟件自帶的IRLINK模塊解調(diào)后送到U2的外部中斷INT0。遙控發(fā)射器按鍵輸入采用4×4矩陣鍵盤，當(dāng)按下某一個鍵后會發(fā)出對應(yīng)的編碼。例如按下鍵K6，按照紅外發(fā)射數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，將通過P3.4口串行發(fā)送“00，00，0x06，0xf9”，其中，前面的“00，00”為用戶碼，對于不同的設(shè)備需作相應(yīng)的修改;“0x06”是代表6號鍵，“0xf9”是“0x06”的反碼，用于校驗，提高傳輸準(zhǔn)確性。只要在單片機的程序中對用戶碼和按鍵編碼作相應(yīng)的修改，就能使該遙控發(fā)射器在各類紅外遙控系統(tǒng)仿真中通用。

3 紅外遙控發(fā)射器程序設(shè)計

3.1 軟件功能概述

根據(jù)仿真硬件電路設(shè)計，單片機的軟件程序需要完成以下2個功能：1)按鍵掃描：實時對4×4矩陣鍵盤掃描，得到按鍵碼，并根據(jù)按鍵碼查找出對應(yīng)的紅外發(fā)射編碼。2)編碼發(fā)射：根據(jù)前述2.1和2.2的編碼協(xié)議通過P3.4口發(fā)射紅外編碼。

單片機程序功能較簡單，但是對于按鍵掃描和編碼發(fā)射的時序要求較高，既要保證實時掃描到按鍵，又要保證紅外編碼的實時發(fā)射。

3. 2 程序設(shè)計

程序流程圖如圖3所示，在時序上，整個程序基本上所有的時間都是在調(diào)用鍵盤掃描子程序，因此能檢測到任何時候的按鍵。只有在掃描到有按鍵時才會調(diào)用發(fā)射紅外編碼程序，發(fā)射一次紅外編碼程序耗時為58.5ms至76.5ms，該時間很短，對于按鍵時序不會產(chǎn)生任何影響。

發(fā)射紅外編碼采用定時器中斷的方式來實現(xiàn)，設(shè)定時值為38k，也就是每隔26 μs中斷一次。這樣，要發(fā)送9ms的引導(dǎo)碼，只需要將P3.4置為1，并控制定時器中斷次數(shù)為346次即可。同樣，要發(fā)送4.5ms的起始碼，只需要將P3.4清0，并控制定時器中斷次數(shù)為173次即可。其它部分類似。得到的紅外編碼數(shù)據(jù)發(fā)送子程序如下：

在紅外編碼數(shù)據(jù)發(fā)送子程序中，“IR_data[]”數(shù)組里存放的是一幀數(shù)據(jù)的4個編碼，每個編碼8位，共32位;“endcount”用于控制定時時間，例如“endcount=346;”指令將控制發(fā)送9ms的起始碼。

4 仿真及實物驗證

4. 1 仿真結(jié)果

紅外遙控發(fā)射數(shù)據(jù)時的仿真波形圖如圖4所示：第一個波形為由單片機U1的P3.4口發(fā)送出來的數(shù)據(jù)，第二個波形為38k載波，第三個波形為調(diào)制后的紅外發(fā)射信號，第四個波形為紅外接收濾波后的數(shù)據(jù)還原。可以看出還原后的數(shù)據(jù)波形與發(fā)射出的數(shù)據(jù)波形相位剛好反向。這種紅外遙控碼波形與前述遙控器廠家提供的如圖1所示的數(shù)據(jù)完全吻合。

4.2 實物驗證結(jié)果

圖5所示為用實物驗證模擬紅外發(fā)射接收。其中(b)部分為接收紅外遙控信號，解調(diào)并用兩位數(shù)碼管來顯示接收到的紅外編碼。(b)部分的解調(diào)和顯示程序是事先經(jīng)海信電視CN-22601遙控器、開博爾電視盒遙控器、志高空調(diào)ZH/JT-06遙控器等三款紅外遙控器測試通過的，可以確保解調(diào)和顯示程序是正確的。(a)部分為模擬紅外遙控發(fā)射數(shù)據(jù)。(a)和(b)兩部分通過兩根線相連，白色的一根是地線，使兩塊電路板共地;紅色的一根連接(a)部分的P3.4口和(b)部分的外部中斷INT0。圖5中顯示的是當(dāng)(a)部分按下按鍵“K14”時，(b)部分顯示“14”。

實驗結(jié)果證明，仿真結(jié)果在實物電路板上同樣是正確的，說明此發(fā)射模塊就等同于一個實際的遙控器。

5 結(jié)論

紅外遙控發(fā)射器Proteus仿真模塊具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、可移植性強等優(yōu)點。本模塊填補了Proteus仿真軟件對于紅外遙控發(fā)射器件的空白。借助本模塊，紅外遙控系統(tǒng)開發(fā)者能大幅度地縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間，大大提高工作效率。