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第 16 章 红外通信实验

ronger 1 月前
# Nebula Pi # 红外通信

前言

本章介绍红外遥控通信试验,通过本章的学习掌握红外遥控器的编码原理以及使用。在 Nebula-Pi 单片机开发板上,配备了一个红外信号接收头,用于接收红外信号,开发板配套了一个红外遥控器,用于发送红外数据。

16.1 红外遥控原理简介

红外遥控是一种无线、非接触式数据传输技术、具有成本低、抗干扰能力强的短距离通信技术、被广泛的应用于电子设备遥控通信中,包括电视、空调、手机等多种电子设备中,具有广泛的应用前景。

红外通信原理为将信息加载到红外光波中,利用发射装置发射出去,接收设备接收到红外光后将信息解码并做出相应的操作,便完成了一次红外光通信。我们以一个生活中常见的例子为例,当两个在黑暗中的人,一人拿着手电筒通过不停的开关闪烁手电筒将信息传递给对方。而我们这里使用的是红外光,它的优点为红外光不可见,对周围环境影响较小,另外由于红外光波长远小于其它常用无线电波长,因此,对其它无线通信电子设备无影响。怎样将信息加载到红外光上呢?这就是我们常说的红外遥控编码协议了,目前常用的有 Philips RC-5Protocol、Sharp 协议、 NEC 协议等。我们这例重点讲解 NEC 协议。

在数字通信中最小的信息单位为 bit,即为 "0" 或 "1" ,那么在红外通信协议中是怎么表示逻辑 "0" 和 "1" 的呢?该协议中以发射红外载波的占空比代表信息 "0" 和 "1" 。

逻辑 "0" 的表示法为:560us 的连续载波 +560us 的低电平,总时长为 1.125ms。

逻辑 "1" 的表示法为:560us 的连续载波 +1680us 的低电平,总时长为 2.25ms。

其中载波为 38KHz 的方波,逻辑 "0" 和逻辑 "1" 表示法如下图所示:

image174.png

图 16-1 NEC 协议逻辑 "0" 和逻辑 "1" 表示法

传输一帧 NEC 格式的数据包括以下内容:

  1. 同步码头:9ms 载波 +4.5ms 低电平;
  2. 用户码:用户自定义的 8bit 数据;
  3. 用户反码:8bit 用户码按位取反;
  4. 数据码:8bit 数据,也称为 8 位按键数据码;
  5. 数据反码:8bit 数据码按位取反。

由上面内容可知,实际传输的数据内容为用户码和数据码,上面的反码用于数据校验,确保数据传输的可靠性,数据按低位到高位的顺序一次传输。传输一帧 NEC 数据格式如下图所示:

image175.png

或者

image176.png

图 16-2 NEC 传输数据帧格式

上图为 NEC 发送模块通过红外光发送的数据,当接收模块接收到 38KHz 的载波时输出低电平,其它情况输出高电平,和发出来的正好相反。

因此,单片机通过测量接收到的电平高低持续时间便可解码数据了。例如当单片机接收到 9ms 低电平 +4.5ms 高电平时,即接收到了引导码。当接收到 560us 低电平 + 560us 高电平表示接收到了数据 "0",当接收到 560us 低电平 +1680us 高电平表示接收到了数据 "1",依照上述模式便可完成一帧数据的接收。

16.2 红外接收硬件电路设计

Nebula Pi 开发板板载了红外信号接收模块 VS1838B,模块外形图如下图左边所示,电路连接图如下图右边所示。其中,输出引脚与单片机的 P3.3 引脚相连接,同时该引脚为单片机的外部中断 1 输入引脚。因此,可以利用单片机的外部中断 1 来处理红外数据接收。

image177.png

image178.png

16-3 红外接收模块硬件电路

开发板配套的红外遥控器如下图所示:

图 16-4 红外遥控器

16.3 红外解码试验

红外解码软件编写步骤如下:

  1. 首先进行初始化将外部中断 1 设置为下降沿触发,当接收到的红外信号由高电平变为低电平时,表明一帧红外数据的开始;
  2. 在外部中断 1 子程序中判断引导码的正确性,判读的方法为通过定时器计数来计算高低电平持续的时间,并分别与引导码规定时间进行对比;
  3. 当超出了规定时间范围,我们认为这不是一帧标准的红外遥控数据,便直接返回跳出中断子程序;
  4. 当符合要求后,继续往下执行,并判断和接收 4 个字节的数据,将接收到的数据存放到指定存储变量中,并置位红外标志位;
  5. 在主程序中查询这个标志位来确定是否收到了红外数据,将数据从存储变量中取出进行相关联的操作。

根据上述原则编写红外驱动头文件 HongWai.h 如下:

#ifndef __IR_H__  
#define __IR_H__  
  
extern void InitIR(); // 初始化定时器 TR0,外部中断1
extern bit Flag_IR;   // 按键标志位
extern unsigned long Data_IR;//4 个字节的数据:[31:0]数据反码->数据码->用户反码->用户码
  
#endif

图 16-5 红外遥控头文件

驱动文件 HongWai.c 代码如下:

#include <reg52.h>
  
#define HIGH_IR 1    // 高电平  
#define  LOW_IR 0    // 低电平  
  
#define  Min_9ms     8000      //8ms  
#define  Max_9ms     10000     //10ms  
#define  Min_4_5ms   3500      //3.5ms  
#define  Max_4_5ms   5000      //5ms  
#define  Min_560us   300       //300us  
#define  Max_560us   700       //700us  
#define  Min_1680us  1300      //1.3ms  
#define  Max_1680us  1800      //1.8ms  
#define  Time_16ms   16000     //16ms  
 
sbit Led1  = P1^1;
sbit IR_in = P3^3;// 红外接收引脚,也是外部中断1输入脚
bit Flag_IR = 0;// 红外接收标志,收到正确帧数据后,由程序置1
unsigned long Data_IR;//4 个字节的数据:[31:0]数据反码->数据码->用户反码->用户码
 
// 红外接收初始化
void InitIR()
{
   IR_in = 1;// 释放
     
   TMOD &= 0xF0;// 清零 T0 控制位
   TMOD |= 0x01;// 配置 T0 为模式1
     
   TR0 = 0; // 停止 T0 记数
   ET0 = 0;// 关定时器0中断
     
   IT1 = 1;// 设置 INT1 为下降沿触发
   EX1 = 1;// 开 INT1 中断
     
   EA=1; // 开总中断
}
unsigned int T_Count(bit flag)// 电平计时器
{
   TH0 = 0; // 清零 T0
   TL0 = 0;
   TR0 = 1;// 启动 T0
     
// 判断高电平是否超过 16ms,若超过定义为异常,直接跳出循环,防止进入死循环
   while(IR_in==flag){if(TH0 >= (Time_16ms>>8)) break;}
     
   TR0 = 0;
   return (TH0*256 + TL0);// 返回计数值,数值单位为 us
}
// 外部中断1,中断子程序,下降沿触发进入中断
void Int1() interrupt 2
{
   unsigned int i;
   unsigned int T_Low,T_High;
 
   T_Low = T_Count( LOW_IR);// 接收 9ms 的引导码低电平
   T_High = T_Count(HIGH_IR);// 接收4.5ms 引导码高电平
   // 判断引导码正确性
   if(T_Low<Min_9ms || T_Low>Max_9ms || T_High<Min_4_5ms || T_High >Max_4_5ms){IE1=0; return;}
   // 接收4个字节的数据,共 32 位
   for(i=0;i<32;i++)
   {
       T_Low = T_Count( LOW_IR);// 接收 560us 位低电平
       T_High = T_Count(HIGH_IR);// 接收 560us 或 1680us 位高电平
       // 判读位电平的正确性
       if(T_Low<Min_560us || T_Low>Max_560us || T_High<Min_560us | | T_High>Max_1680us) {IE1=0;return;}
       Data_IR>>=1; // 为0时高位补0
       if(T_High>Min_1680us) Data_IR |= 0x80000000;// 为1,高位置1
   }
   Flag_IR = 1; // 接收到按键值后,置位
     
   IE1=0;// 清楚中断标志位,确保在响应外部中断0过程中产生的外部中断请求 不再被响应。
}

图 16-6 红外遥控.c 文件代码

编写主函数 MainIR.c,功能为将接收到的按键值显示到 1602 液晶显示器,代码如下:

/*****************************************************************
* 红外接收显示测试
* ****************************************************************
* 【主芯片】:STC89SC52/STC12C5A60S2
* 【主频率】: 11.0592MHz
*
* 【版  本】: V1.0
* 【作  者】: stephenhugh
* 【网 站】:https://rymcu.taobao.com/
* 【邮  箱】:
*
* 【版  权】All Rights Reserved
* 【声  明】此程序仅用于学习与参考,引用请注明版权和作者信息!
*
****************************************************************/
#include <reg52.h>  
#include <HongWai.h>  
#include <Drive_1602.h>  
 
unsigned char *Key_Str=0;
void main()
{
   unsigned char Key;
     
   Init_1602();//1602 初始化
 
   Disp_1602_str(1,2, "Nebula-Pi IR");// 第1行第2列显示 "Nebula-Pi IR"
   Disp_1602_str(2,1,"KEY:");// 第1行第2列开始显示
     
   InitIR();
 
   while(1)
   {
       if(Flag_IR)
       {
           Flag_IR = 0;
           Key = (unsigned char)(Data_IR>>16);// 数据码
           switch(Key)
           {
               case 69:Key_Str = "CH-";break;
               case 70:Key_Str = "CH";break;
               case 71:Key_Str = "CH+";break;
               case 68:Key_Str = "PREV";break;
               case 64:Key_Str = "NEXT";break;
               case 67:Key_Str = "PLAY/PAUSE";break;
               case  7:Key_Str = "-";break;
               case 21 :Key_Str = "+";break;
               case  9:Key_Str = "EQ";break;
               case 22:Key_Str = "0";break;
               case 25:Key_Str = "100+";break;
               case 13:Key_Str = "200+";break;
               case 12:Key_Str = "1";break;
               case 24:Key_Str = "2";break;
               case 94:Key_Str = "3";break;
               case  8:Key_Str = "4";break;
               case 28:Key_Str = "5";break;
               case 90:Key_Str = "6";break;
               case 66:Key_Str = "7";break;
               case 82:Key_Str = "8";break;
               case 74:Key_Str = "9";break;
               default:Key_Str = "error!";
           }
           Disp_1602_str(2,5,"           ");
           Disp_1602_str(2,5,Key_Str);
       }
   }
}

图 16-7 红外遥控主函数代码

下载程序后,按遥控器不同的按键,观察 1602 液晶显示器的显示结果:

image180.png

图 16-8 红外遥控器接收显示结果

16.4 本章小结

本章学习了红外遥控器的通信原理,并且实现红外信号的接收与解码。

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