一款紅外線PC遙控器的研制

龔國(guó)友

(成都電子機(jī)械高等專科學(xué)校 通信工程系，成都 610071)

在現(xiàn)代教學(xué)工作和演講中，教室和演講廳基本都采用PPT等多媒體方式進(jìn)行講解與演示，使課程或演講內(nèi)容豐富、講解生動(dòng)。但是在演講過程中因?yàn)槭褂糜?jì)算機(jī)鼠標(biāo)，使得演講人操作不便，影響效果。計(jì)算機(jī)遙控鼠標(biāo)或無線電子教鞭油然而生，本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)技術(shù)的紅外線PC遙控器，即利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)功能簡(jiǎn)單的嵌入式USB外設(shè)［1］，將其與PC機(jī)連接，通過USB接口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與外設(shè)之間的相互通信。

在紅外無線電子教鞭和遙控鼠標(biāo)技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有各種較成熟的技術(shù)，包括2.4 GHz無線電、27 MHz無線電、藍(lán)牙無線等各種無線鼠標(biāo)。但紅外線無線遙控鼠標(biāo)還是比較少，筆者所研制的紅外線無線遙控器就是基于紅外的數(shù)據(jù)傳送與單片機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。

1 設(shè)計(jì)要求及方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)的所有功能:1)遙控器控鍵為:左鍵、右鍵、上下左右移動(dòng)鍵、前后翻頁等功能鍵;2)遙控距離大于15 m，方向360°。

1.2 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案由發(fā)射電路和接收電路2部分組成，發(fā)射電路部分用紅外發(fā)射芯片編碼，接收部分用單片機(jī)解碼(見圖1)，并用 PDIUSBD12芯片［2］功能實(shí)現(xiàn)USB接口與PC的通信。

接收電路選取STC89C52，它有64 kB的存儲(chǔ)容量，對(duì)于固件程序已經(jīng)足夠使用了，而且這款單片機(jī)支持在線編程，這給程序的下載和使用帶來方便，程序設(shè)計(jì)采用C語言進(jìn)行編程，軟件仿真平臺(tái)采用Keil C51。

為降低系統(tǒng)的成本，選用USB接口芯片PDIUSBD12，PHILIPS公司推出的PDIUSBD12是一款性價(jià)比很高的USB器件，它通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口，而且還支持本地的DMA傳輸(Direct Memory Access，直接存儲(chǔ)器存取，是一種快速傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制)。

圖1 原理方框圖

2 紅外線傳輸技術(shù)

紅外線的光譜位于紅色光之外，波長(zhǎng)是0.76～1.5 μm，比紅光的波長(zhǎng)還長(zhǎng)。紅外遙控是利用紅外線進(jìn)行傳遞信息的一種控制方式，紅外遙控具有抗干擾、電路簡(jiǎn)單、容易編碼和解碼、功耗小、成本低的優(yōu)點(diǎn)。紅外遙控系統(tǒng)的主要部分為調(diào)制、發(fā)射和接收。

2.1 調(diào)制

紅外遙控以調(diào)制的方式發(fā)射數(shù)據(jù)，即把數(shù)據(jù)和一定頻率的載波進(jìn)行“與”操作，這樣既可以提高發(fā)射效率又可以降低電源功耗。調(diào)制載波頻率一般在30～60 kHz之間，大多數(shù)使用的是38 kHz、占空比1/3的方波，由發(fā)射端所使用的455 kHz晶振決定。在發(fā)射端要對(duì)晶振進(jìn)行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取12，所以455 kHz÷12≈37.9 kHz≈38 kHz。

一幀完整的發(fā)射碼有引導(dǎo)碼、用戶編碼和鍵數(shù)據(jù)碼3部分組成。引導(dǎo)碼由一個(gè)4.5 ms高電平脈沖及4.5 ms的低電平脈沖組成;8位用戶編碼，被連續(xù)發(fā)送2次;8位的鍵數(shù)據(jù)碼也被連續(xù)發(fā)送2次，第1次發(fā)送的是鍵數(shù)據(jù)碼的原碼，第2次發(fā)送的是鍵數(shù)據(jù)碼的反碼。

“1”和“0”的區(qū)分取決于脈沖之間的時(shí)間，稱之為脈沖位置調(diào)制方式(PPM)。引導(dǎo)碼及位“0”和位“1”的波形見圖2。

圖2 紅外線編解碼方式

2.2 接收

紅外接收電路通常被廠家集成在一個(gè)元件中，成為一體化紅外接收頭。內(nèi)部電路包括紅外監(jiān)測(cè)二極管、放大器、限副器、帶通濾波器、積分電路、比較器等。紅外監(jiān)測(cè)二極管監(jiān)測(cè)到紅外信號(hào)，然后把信號(hào)送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發(fā)射器和接收器的距離遠(yuǎn)近。交流信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過30～60 kHz的載波頻率，通過解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號(hào)波形。注意輸出的高低電平和發(fā)射端是反相的，以提高接收的靈敏度。

3 電路設(shè)計(jì)

電路原理圖見圖3。

圖3 電路原理圖

3.1 PDIUSBD12功能描述

1)串行接口引擎

PSIE實(shí)現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層，且完全由硬件實(shí)現(xiàn)而不需要固件的參與。該模塊的功能包括:同步模式的識(shí)別，并行/串行的轉(zhuǎn)換，位填充/解除填充，CRC校驗(yàn)/產(chǎn)生，PID校驗(yàn)/產(chǎn)生，地址識(shí)別和握手評(píng)估/產(chǎn)生。

2)SoftConnect技術(shù)

SoftConnect與USB的連接是通過1.5 kΩ上拉電阻將D+設(shè)置為高電平實(shí)現(xiàn)的。1.5 kΩ上拉電阻集成在PDIUSBD12片內(nèi)，默認(rèn)狀態(tài)下不與電源相連，其連接的建立是通過外部/系統(tǒng)微控制器發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)的。

3)GoodLink技術(shù)

GoodLink技術(shù)可以提供良好的USB連接指示。在枚舉過程中，LED指示燈根據(jù)通信狀況間歇閃爍。配置完成并裝安驅(qū)動(dòng)程序后指示燈將一直亮［3］。

3.2 電路分析

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要包括其供電系統(tǒng)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。將PDIUSBD12的8根DATA引腳和單片機(jī)的P0口相連。由于單片機(jī)的P0口在作為普通I/O口使用時(shí)不能輸出高電平，需要接上拉電阻。從PDIUSBD12芯片資料可以看出，DATA的驅(qū)動(dòng)能力為2 mA，所以接了上拉電阻后，DATA口為0時(shí)電流不能超過2 mA。這里用的是5 V的電源，當(dāng)電流為2 mA時(shí)，電阻為2.5 kΩ。因此選擇上拉電阻大于2.5 kΩ就可以了。因?yàn)閿?shù)據(jù)總線上只有PDIUSBD12這個(gè)器件，所以片選信號(hào)CS_N直接接地，該芯片一直處于選中狀態(tài)。SUSPEND引腳是雙向的，當(dāng)芯片處于掛起狀態(tài)時(shí)，其輸出為高，當(dāng)發(fā)送遠(yuǎn)程喚醒命令時(shí)，需要通過外部電路將其電位拉低。由于可以通過程序來檢查芯片是否掛起，所以在硬件連接上不需要用到這個(gè)引腳，直接接地即可。DMA中斷請(qǐng)求信號(hào)，這里沒有用到DMA功能，所以該引腳懸空即可。DMACK_N和EOT_N分別是DMA應(yīng)答和DMA傳輸完成，這里沒有使用DMA功能，直接用1 kΩ的上拉電阻將其置為高電平。EOT_N還兼做Vbus檢查用，必須要接高電平，芯片才會(huì)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。RESET_N是復(fù)位引腳，由于芯片內(nèi)部已經(jīng)有內(nèi)置的上電復(fù)位電路，所以不需要連接額外的上電復(fù)位電路，直接將該引腳通過1 kΩ的電路上拉到高電平。

4 樣品試制及試用

由計(jì)算機(jī)輔助軟件Protel 99生成的PCB文件并加工成PCB板，焊接上元件調(diào)試檢查無誤后的最終電路板如圖4所示。

用一條USB連接線把接收模塊和電腦連接起來，電腦自動(dòng)檢測(cè)到接收模塊并自動(dòng)加載驅(qū)動(dòng)程序。使用遙控器按著翻頁鍵就可以實(shí)現(xiàn)PPT、Word、PDF等文件的翻頁功能，按向下鍵就可以控制鼠標(biāo)向下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的所有要求，演講者可以將該遙控器當(dāng)電子教鞭使用，不必一直站在電腦面前按鼠標(biāo)了。

圖4 電路板照片

5 結(jié)語

單片機(jī)和PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片為外設(shè)的核心，基于USB規(guī)范開發(fā)和紅外編碼解碼，設(shè)計(jì)了USB接口的紅外無線遙控鼠標(biāo)(或稱電子教鞭)，樣品經(jīng)過教師在實(shí)際教學(xué)中試用，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，成功地實(shí)現(xiàn)了紅外無線控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)紅外無線遙控器的功能。

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