一種遠程控制編碼芯片的ASIC研究與設計

唐 寧，劉瑋德

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林541004)

遠程遙控技術，是指實現對目標的遙遠距離控制，在工業、航天、家電、聲控等眾多領域應用廣泛。紅外遙控是一種無線、遠距離的控制技術，具有成本低、抗干擾能力強、功耗低、成本低、易實現、信息傳輸可靠等顯著優點，被諸多電子設備特別是家用電器廣泛采用，并越來越多地應用到各個行業之中［1-2］。例如，據專業研究機構預測，2012年智能電視市場份額將占據近30%，智能電視對人機交互技術的需求較傳統電視高很多［3］，所以對控制芯片的要求也提高很多，所以，成本越低的同類紅外遙控產品就更具有競爭力，因此對傳統的紅外遙控電路進行優化，并且縮減版圖面積，可以有效提高該產品的市場競爭力。

1 遠程控制編碼芯片電路的設計框架

文中設計的新型的遠程控制編碼芯片的電路的整體結構框圖如圖1所示。其主要由5個部分組成，分別為時序控制電路、用戶碼掃描電路、鍵盤掃描電路、編碼電路、輸出控制電路。圖中振蕩電路部分可通過外接晶體振蕩器來實現，這樣能夠縮小芯片的面積。當有按鍵按下，電路鍵盤掃描模塊收到按鍵信號之后才會開始工作，這樣就減小了芯片的待機功耗，同時時序控制電路開始對輸入時鐘進行分頻等控制。當按鍵掃描模塊捕獲輸入信號之后，會將其傳入編碼電路模塊，該模塊根據不同的按鍵信號進行數據的編碼，之后將編碼傳入輸出控制模塊，輸出控制模塊將編碼進行排序編幀，使其以符合所定紅外傳輸協議的格式輸送到外部。

圖1 遠程控制編碼芯片的電路的整體結構框圖

2 具體電路設計

2.1 時序電路模塊的設計

本芯片的輸入時鐘頻率是455 kHz，同時輸出信號是采用ppm編碼方式，所以要對輸入時鐘信號進行分頻等一系列的整理。

如圖2所示時序電路模塊中的Powerup端口是上電復位端口，當系統供電，將會產生一個短暫的復位信號對電路中的各個門進行復位清空數據初始化。

圖2 時序處理電路模塊電路圖(截圖)

模塊中每一個D觸發器的輸出端接一個非門作為觸發器的輸入信號，構成一個分頻器［4］，輸入時鐘頻率455 kHz，因為采用的ppm編碼方式所需用到的最小時鐘信號的周期是0.56 ms，所以經過計算455/(1/0.56)=255，即2的8次方，所以需要經過8次分頻。

2.2 用戶碼掃描模塊的設計

用戶碼的存在是為了讓信號接收器能區分不同的遙控設備，本課題設計的遙控電路可以讓用戶自定義8位用戶碼。

用戶碼通過在I/O端口與CCST端口之間外接二極管來設置，有二極管當前bit位為“1”，否則為“0”。

具體原理:I/O端口產生一次順序脈沖掃描，例如KI/O 0～7依 次 產 生00000001，00000010，00000100，00001000，00010000，00100000，01000000，10000000的脈沖信號，如果該端口外接了二極管，當這個端口的高電平脈沖到達的時候，CCST端口將會被置成1，若無外接二極管，CCST端口的值將會保持為0。

用戶碼掃描模塊如圖3所示，t0～t7為此時的I/O口輸出數據。

圖3 用戶碼掃描模塊(截圖)

2.3 按鍵掃描模塊的設計

當按鍵數量較多時，為了減少封裝端口，可以將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處通過一個按鍵加以連接在矩陣式鍵盤中，這樣，就可以構成n×n個按鍵，極大地擴展了按鍵數量。

確定矩陣式鍵盤上哪個按鍵按下的方法叫行列掃描法，原理如下:

第一步，使行線為輸入線，列線是輸出線，拉高所有的列線，判斷行線的變化，如果有按鍵按下，按鍵按下的對應行線被拉高，否則，所有的行線都為低電平。無按鍵按下時KI 0～7全為0，若有按鍵按下則KI 0～7相或后的CC端產生變化，表示有按鍵輸入。

第二步，在第一步判斷有鍵按下后，延時若干時間消除機械抖動，再次讀取行值，如果此行線還處于高電平狀態則進入下一步，否則返回第一步重新判斷。下圖判定是否有按鍵按下，當無按鍵按下KI 0～7全為低電平，若有按鍵按下其中一個端口則被置為高電平。

第三步，開始掃描按鍵位置，采用逐行掃描，每間隔一定的時間，分別拉高第1列、第2列、第3列、第4列等，無論拉高哪一列其列都為低電平，讀取行值找到按鍵的位置，分別把行值和列值儲存在寄存器里。

脈沖掃描電路如圖4所示，keyt0～keyt7為脈沖輸出數據，此時從I/O口輸出。

圖4 脈沖掃描電路(截圖)

第四步，從寄存器中找到行值和列值并把其合并，得到按鍵值，對此按鍵值進行編碼，如圖5所示。

圖5 編碼電路(截圖)

右下角的部分為鎖存器當列值置為高電平時，如果此時某個行值也對應變為高電平，那么他們對應的鎖存器的輸出端將會被置為1，最后左下角部分根據這64個鎖存器的值進行編碼得到data。

2.4 數據編幀模塊的設計

本遙控發射的碼型的一幀碼含有一個引導碼，8位的用戶編碼及其8位反碼，8位的按鍵數據碼及其8位反碼。

引導碼由時間長度為9 ms的載波和長度為4.5 ms的低電平時間構成，它是作為引導碼而存在的，之后接著的是16位的地址碼，即用戶碼，再接著16位數據碼。當重復發送幀時，引導碼由時間長度為9 ms的載波和長度為2.25 ms的低電平時間和0.56 ms的載波構成，之后全為低電平，每一幀的長度為108 ms。表示數據“0”使用高電平與低電平比例1∶1.每個長度為0.56 ms，表示數據“1”使用高電平與低電平比例1∶3，即高電平占0.56 ms，低電平占1.68 ms［5-6］。

要實現幀，首先需要通過一組計時器來劃分好各個時間段，計時器實現如圖6所示。

圖6 計時器電路(截圖)

輸入的時鐘周期為0.56 ms，經過3個分頻器得到的時鐘周期為4.5 ms，該信號再通過4個D觸發器，每個D觸發器的輸出信號置高電平的時刻均比前一個D觸發器晚了4.5 ms。

因為最后要發射的幀信號是行輸入，而之前得到的用戶碼和按鍵編碼都是列數據，所以要對列數據進行排序，然后排好的數據隊列使用“0”和“1”的編碼方式進行編碼。圖中sel0～4為一組經過處理的時鐘信號，可以作為選擇器的信號，用戶碼UD和數據碼data通過sel信號實現數據的選擇排序，電路如圖7所示。

圖7 編幀電路(截圖)

數據在排序的同時，已經排好的數據，如果為0，DT信號也將為0，如果為1，DT信號也將為1，這樣通過選擇排列信號AA0與AA1，則可以實現“0”和“1”的編碼。

若當按鍵持續按下，重復幀的結構為引導碼由時間長度為9 ms的載波和長度為2.25 ms的低電平時間和0.56 ms的載波構成，之后全為低電平，電路構成與第一次編幀的電路結構類似，只是不用加入客戶碼和數據碼，具體電路如圖8所示。

2.5 電路運行控制模塊的設計

圖8 重復碼產生電路(截圖)

當沒有按鍵按下時，KI0～KI7全為低電平，經過圖9所示電路的處理得到控制信號CC，CC信號與各模塊復位信號相與，則僅當有按鍵按下時，CC才會置高電平，各模塊復位端解除被鉗制狀態，整體電路開始工作。

圖9 電路運行控制電路(截圖)

3 電路仿真驗證與分析

利用QuartusII對電路進行總體仿真，結果如圖10所示。

圖10 電路運行仿真結果(截圖)

波形圖中test信號為電路輸出信號，當有按鍵按下，經過掃描，KI的值出現變化，經過處理后，完整編碼由test端口在約125.19 ms時輸出，到134.13 ms為止，是大約9 ms的高電平引導碼，從134.13～138.6 ms，間隔4.47 ms，即大約4.5 ms的低電平引導碼。

從138.6 ms開始是8位用戶碼和8位用戶碼反碼組成的地址碼，仿真時設定的初始用戶碼的值為11111111，因為采用的ppm編碼方式，所以理論輸出信號的用戶碼部分應該是8組高電平與低電平比例1∶3，即高電平占0.56 ms，低電平占1.68 ms的波形組成，觀察仿真波形用戶碼部分從138.6 ms開始，高電平持續至139.16 ms，共計0.56 ms，低電平從139.16 ms處至140.82 ms處，持續1.66 ms，剛好一共8組。用戶碼反碼部分理論輸出信號應為00000000，輸出波形應為高電平與低電平比例1∶1，高、低電平各占0.56 ms的波形共8組，仿真圖的反碼部分從從156.59 ms開始，高電平持續至157.15 ms處，持續約0.56 ms，低電平從157.15 ms處開始至157.72 ms，持續約0.57 ms，此為一組信號碼，表示信號“0”，一共8組，所以用戶碼與用戶碼反碼部分符合所需要求規范，其中細小誤差是由于手動測量造成，不影響所得結論。

再接下來的是8位數據碼和8位數據反碼，根據初始設定的按鍵輸入信號，經過按鍵掃描得到的數據data［0～7］為“11111000”，分析仿真結果，數據碼部分從165.60 ms處開始，高低電平比例為1∶3的波形共5組，高低電平的比例為1∶1的信號共3組，根據所用紅外協議，該信號表示的值為“11111000”，與理論值相同。數據碼反碼部分從180.25 ms處開始，依次出現占空比1∶1的波形5組，1∶3的波形3組，所表示的信號為“00000111”，剛好為之前數據信號值的反碼。全波形持續108 ms。

當按鍵持續按下，繼續輸出波形如圖11所示，即只由9 ms的高電平引導碼和4.5 ms的低電平引導碼組成，符合所采用的紅外協議。

圖11 按鍵持續按下時電路輸出信號(截圖)

4 小結

綜上，仿真結果符合所定紅外傳輸協議。經過了電路的優化設計之后，電路能夠輸出所需信號波形，達到了預期的目的。

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