PLD器件在紅外遙控解碼中的應(yīng)用

TC9012形成的遙控編碼脈沖對(duì)40kHz載波進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制(PAM)后便形成遙控信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路由紅外發(fā)射管發(fā)射出去。紅外遙控接收頭接收到調(diào)制后的遙控信號(hào)，經(jīng)前置放大、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波和波形整形，從而解調(diào)出與輸入遙控信號(hào)反相的遙控脈沖。

在圖2中，一次按鍵動(dòng)作的遙控編碼信息為32位串行二進(jìn)制碼。對(duì)于二進(jìn)制信號(hào)“0”，一個(gè)脈沖占1.2ms；對(duì)于二進(jìn)制信號(hào)“1”，一個(gè)脈沖占2.4ms，而每一脈沖內(nèi)低電平均為0.6ms。從起始標(biāo)志到32位編碼脈沖發(fā)完大約需80ms，此后遙控信號(hào)維持高電平。若按鍵未釋放，則從起始標(biāo)志起每隔108ms發(fā)出3個(gè)脈沖的重復(fù)標(biāo)志。

在32位的編碼脈沖中，前16位碼不隨按鍵的不同而變化，我們稱之為用戶碼。它是為了表示特定用戶而設(shè)置的一個(gè)辨識(shí)標(biāo)志，以區(qū)別不同機(jī)種和不同用戶發(fā)射的遙控信號(hào)，防止誤操作。后16位碼隨著按鍵的不同而改變，我們就是要讀取這16位按鍵編碼，經(jīng)解碼得到按鍵鍵號(hào)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)控制動(dòng)作。

那么，不同的按鍵編碼脈沖是怎樣和遙控器上不同的按鍵一一對(duì)應(yīng)的呢？我們借助于邏輯分析儀記錄下來(lái)遙控器上每一個(gè)按鍵的編碼脈沖序列，破譯出了各按鍵的編碼。表１是解碼后得到的紅外遙控器上各鍵的編碼（前16位用戶碼均為0000001011111101，表1只列出后16位鍵碼）。

由表1按鍵編碼可看出，后16位鍵碼的前8位與后8位互為補(bǔ)碼，這樣加大編碼的冗余度是為了增強(qiáng)遙控系統(tǒng)的抗干擾能力。實(shí)際上，我們只須截取16位鍵碼的8位（比如后8位）就可達(dá)到識(shí)別按鍵的目的。當(dāng)然，要加強(qiáng)遙控系統(tǒng)的抗干擾能力，還需接收全16位鍵碼甚至16位用戶碼加以識(shí)別。

３ 紅外遙控解碼

紅外遙控接收頭解調(diào)出的編碼是串行二進(jìn)制碼，包含著遙控器按鍵信息。但它還不便于CPU讀取識(shí)別，因此需要先對(duì)這些串行二進(jìn)制碼進(jìn)行解碼。本文的紅外遙控信號(hào)解碼電路如圖3所示，它主要包括遙控編碼脈沖串并轉(zhuǎn)換電路與PLD解碼電路。

3.1 遙控編碼脈沖的串并轉(zhuǎn)換

紅外遙控接收頭解調(diào)出的遙控編碼脈沖經(jīng)一非門反相后引入計(jì)數(shù)器4020的復(fù)位端(RST)，4020的腳10(CP)端引入1MHz計(jì)數(shù)脈沖。遙控信號(hào)（已反相）中每一正脈沖到來(lái)時(shí)其高電平對(duì)4020復(fù)位，經(jīng)過(guò)0.6ms遙控信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑?020復(fù)位結(jié)束，開(kāi)始以1MHz的頻率計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)正脈沖到來(lái)時(shí)為止。二進(jìn)制碼“0”每一脈沖周期低電平時(shí)間為0.6ms，二進(jìn)制碼“1”每一脈沖周期低電平時(shí)間為1.8ms，4020的Q11端即可以區(qū)分二進(jìn)制碼“0”或“1”。每一遙控編碼正脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，若Q11端為“1”，說(shuō)明前一位遙控碼為“1”；若Q11端為“0”，說(shuō)明前一位遙控碼為“0”。

將4020的Q11端作為74HCS9S的串行移位輸入端(SER)，便可在每一個(gè)遙控編碼脈沖上升沿到來(lái)時(shí)并在4020復(fù)位之前，將74HC595中的數(shù)據(jù)沿Q0到Q7方向依次移一位，且4020的Q11端數(shù)據(jù)移入74HC595的Q0端。對(duì)于一組遙控編碼脈沖，共有33次上升沿（包括起標(biāo)志），而74HC595僅為8位移位寄存器，所以移位的最終結(jié)果，只有遙控編碼脈沖的最后8位保留在74HC595中。

當(dāng)一組遙控編碼脈沖（反相后）來(lái)到時(shí)，其起始標(biāo)志的上跳沿觸發(fā)了雙單穩(wěn)74HC123的1B，在1Q上產(chǎn)生了一個(gè)寬度為120ms的正脈沖。1Q同時(shí)又觸發(fā)了74HC123的2B，在產(chǎn)生一個(gè)寬度為80ms的負(fù)脈沖，1Q和相與后作為鎖存信號(hào)送至74HC595的RCLK端，即一組遙控編碼脈沖到來(lái)80ms后，產(chǎn)生一個(gè)鎖存信號(hào)。此時(shí)74HC595已經(jīng)移過(guò)了一組遙控碼，芯片中保留的是最后8位遙控碼，鎖存信號(hào)將這最后8位遙控碼鎖存。

3.2 基于EPROM的遙控解碼原理

經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換，我們得到了8位并行遙控碼。為了讓CPU讀取這個(gè)并行遙控碼，通常的方法是在轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生一個(gè)中斷，通知CPU來(lái)讀取遙控信息。但這樣做要占用CPU一個(gè)外部中斷資源并需編寫額外的中斷服務(wù)程序，顯得比較煩瑣。尤其是當(dāng)儀器系統(tǒng)的軟件不是由自己開(kāi)發(fā)而又要加裝遙控時(shí)更是無(wú)能為力。因此，我們想尋求一種不占用儀器CPU的軟、硬件資源而實(shí)現(xiàn)遙控的方法，使鍵盤輸入和遙控輸入統(tǒng)一起來(lái)，占用同一個(gè)端口、同一個(gè)中斷、同一個(gè)中斷服務(wù)程序。簡(jiǎn)言之，要做到對(duì)CPU是透明的，似乎只有一個(gè)鍵盤輸入單元在工作，只須訪問(wèn)它來(lái)進(jìn)行鍵盤掃描、鍵碼讀出操作。但實(shí)際上卻有遙控器與鍵盤兩套鍵輸入硬件在同時(shí)而獨(dú)立地工作。

考察一下智能儀器的鍵盤掃描輸入原理。在這種方式下，CPU通過(guò)輸出指令使鍵盤矩陣的行掃描線依次為“0”（低電平），同時(shí)監(jiān)測(cè)鍵盤矩陣的列掃描線。若無(wú)鍵按下，則列掃描線輸出全“1”（高電平）；若有鍵按下，則此鍵所在列線輸出為“0”，再結(jié)合行掃描線此時(shí)的狀態(tài)，就可具體定位按鍵。

我們?cè)O(shè)想，可否將遙控接收頭輸出的含有按鍵信息的8位遙控碼通過(guò)某種轉(zhuǎn)換，并入鍵盤矩陣電路，當(dāng)遙控器有鍵按下時(shí)，就會(huì)在機(jī)上鍵盤對(duì)應(yīng)鍵處產(chǎn)生一個(gè)“模擬”按鍵動(dòng)作，產(chǎn)生一個(gè)鍵碼可供CPU讀取。所謂“模擬”是指并沒(méi)有機(jī)械按鍵動(dòng)作，但對(duì)于鍵盤矩陣電路而言卻產(chǎn)生一個(gè)低電平，效果和機(jī)械按鍵動(dòng)作完全一樣。這樣就將遙控鍵盤和本機(jī)鍵盤統(tǒng)一起來(lái)，二者的鍵數(shù)和鍵功能定義都一樣，一個(gè)相同的鍵在遙控器上按下和在本機(jī)鍵盤上按下對(duì)CPU而言沒(méi)有任何區(qū)別，只不過(guò)對(duì)鍵盤矩陣來(lái)說(shuō)前者是軟接觸，后者是硬接觸。

根據(jù)遙控器上按鍵與本機(jī)鍵盤按鍵的一一對(duì)應(yīng)方案，我們可以導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)“模擬”按鍵的邏輯真值表（其中C0~C4為列掃描線），見(jiàn)表2。

這是一個(gè)12變量輸入S變量輸出的組合邏輯函數(shù)，最小項(xiàng)總數(shù)為16×20＝320個(gè)。若用普通邏輯門電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的功能將是十分麻煩的，用PLD（可編程邏輯器件）來(lái)做就要簡(jiǎn)單得多。EPROM就是一種與陣列固定、或陣列可編程的邏輯器件。如果把EPROM的輸入地址A0，A1，……AN視為輸入邏輯變量，同時(shí)把輸出數(shù)據(jù)D0，D1，……DM視為一組多輸出邏輯變量，那么輸出與輸入之間也就是一組多輸出的組合邏輯函數(shù)。而且，EPROM地址譯碼器的輸出包含了全部輸入變量的最小項(xiàng)，每一位數(shù)據(jù)輸出又都是這些最小項(xiàng)之和，因而任何形式的組合邏輯函數(shù)均能通過(guò)向EPROM中寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。不難推想，具有Ｎ位輸入地址和M位數(shù)據(jù)輸出的EPROM可以獲得一組（最多為M個(gè)）任何形式的N變量組合邏輯函數(shù)。

根據(jù)這個(gè)原理，選用4K×8 EPROM 2732，可以實(shí)現(xiàn)任意12變量輸入、8變量輸出的組合邏輯函數(shù)。在本機(jī)遙控系統(tǒng)中，利用了EPROM的D0~D4五根數(shù)據(jù)線和全部12根地址線，通過(guò)向2732中固化上表所示的邏輯真值表，從而實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵的遙控解碼，使遙控器上按鍵與本機(jī)鍵盤按鍵一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。需要指出的是，EPROM的地址譯碼是全譯碼，而在本方案中占據(jù)地址線A0~A7的8位遙控碼只有20種有效碼值（20個(gè)鍵），即一頁(yè)（2S6字節(jié)）中只有20個(gè)有效數(shù)據(jù)，則應(yīng)將剩余空間填入0FFH。

由解碼電路圖3可見(jiàn)，EPROM 2732的地址線A0-A7接至8位輸出鎖存移位寄存器74HCS9S的輸出（即8位遙控碼），A8~A11接至鍵盤矩陣的行掃描線R0~R3；2732的8根數(shù)據(jù)線使用了其中的S根D0~D4，接至鍵盤矩陣的列掃描線C0~C4，2732的（片選端）接地,(讀信號(hào)）接至施密特與非門4093的3腳輸出，此輸出為雙單穩(wěn)74HC123的1Q、與非的結(jié)果。

當(dāng)遙控器上沒(méi)有按鍵按下時(shí)，EPROM 2732的端為“1”，使得2732的數(shù)據(jù)線D0~D4為高阻態(tài)與鍵盤矩陣線脫離，而本機(jī)鍵盤的掃描與讀出照常進(jìn)行不受影響，若遙控器上有鍵按下時(shí)，經(jīng)紅外發(fā)射、接收對(duì)應(yīng)的８位遙控碼出現(xiàn)在74HC595的輸出端，并作為EPROM 2732的A0~A7輸入，此時(shí)的行掃描碼（CPU發(fā)出）作為A8~A11輸入，2732的端為低電平，讀出A0~A11指定單元的數(shù)據(jù)，將其中D0~D4放在鍵盤矩陣列線上。D0~D4中只有一位為“0”，指示著哪一列有鍵按下，這樣就由遙控接收、解碼電路模擬了一次“按鍵”動(dòng)作。接下來(lái)CPU對(duì)這個(gè)“按鍵”動(dòng)作的響應(yīng)、處理就和本機(jī)鍵盤完全一樣了。

2.3 基于GAL的遙控解碼原理

我們還可以考慮用GAL器件來(lái)實(shí)現(xiàn)解碼功能。GAL（通用陣列邏輯）也是一種PLD器件，它的與陣列可編程而或陣列固定。根據(jù)遙控解碼的真值表，我們要實(shí)現(xiàn)一個(gè)12變量輸入、S變量輸出的組合邏輯函數(shù)，其全部最小項(xiàng)有16×20＝320個(gè)。而GAL20V8的輸出最多可有8個(gè)，每個(gè)輸出由8個(gè)乘積項(xiàng)相或而得，總共可包含8×8=64個(gè)乘積項(xiàng)，似乎不夠用于實(shí)現(xiàn)解碼邏輯。但是注意到320個(gè)最小項(xiàng)并不是互不相關(guān)的，通過(guò)化簡(jiǎn)可將它們化成S個(gè)最簡(jiǎn)與或式，分別對(duì)應(yīng)著S個(gè)輸出變量，每個(gè)輸出變量由4個(gè)乘積項(xiàng)相或而得，這樣就可以用GAL20V8來(lái)實(shí)現(xiàn)解碼邏輯了。據(jù)此可設(shè)計(jì)出GAL邏輯方程如下：

／** lnputs **／

Pin[1．．8]=[A7．．A0]；定義并行遙控碼的輸入引腳

Pin[9．．11，14]=[R0．．R3]；定義鍵盤行掃描線的輸入引腳

Pin[13]=[out＿enable]；定義輸出使能引腳

／**Outputs **／

Pin[I5．．19]=[C0．．C4]；定義鍵盤列線的輸出引腳

／** Declarations and Intermidiate Variables **／

Field remote=[A7．．A0]；

＄define m0＇b＇11000111；將20個(gè)鍵的鍵值用

＄define m1＇b＇00010111 ；″m0″、″m1″…″m19″來(lái)表示

……

＄define m19＇b＇00011111

／** Logic Equations **／

!C0=!R0remote:m0 ；第0條列線的輸出方程

#!R1remote:m5

#!R2remote:m10

#!R3remote:m15

!C1=!R0remote:m1 ；第1條列線的輸出方程

#!R1remote:m6

#!R2remote:m11

#!R3remote:m16

!C2=0!R0remote:m2 ；第２條列線的輸出方程

#!R1remote:m7

#!R2remote:m12

#!R3remote:m17

!C3=!R0remote:m3；第3條列線的輸出方程

#!R1remote:m8

#!R2remote:m13

#!R3remote:m18

!C4=!R0remote:m4；第4條列線的輸出方程

#!R1remote:m9

#!1R2remote:m14

#!R3remote:m19

[C0．．C4]．oe=!out＿enable；所有列線輸出均帶使能

采用EPROM和GAL器件進(jìn)行紅外遙控解碼的方案都已在實(shí)際電路中得到驗(yàn)證，工作穩(wěn)定可靠。而GAL較之EPROM更具有體積小、功耗低、可加密等優(yōu)點(diǎn)。本文提出的解碼方案基于純硬件原理，不占用CPU軟、硬件資源，直接并在鍵盤掃描矩陣上，對(duì)CPU是透明的。本方案適用于鍵盤掃描輸入的智能儀器系統(tǒng)的紅外遙控，對(duì)其它紅外遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用亦具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

１ 閻 石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)．北京：高等教育出版社，1989

２ 蔡 軼．通用搖控解碼電路．電子技術(shù)，1995（1）

（收稿日期：1999-08-11）