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红外遥控技术在智能仪器参数管理中的应用

红外遥控技术在智能仪器参数管理中的应用 * 袁霄 1,2,潘玉良 1,2,凌在盈 1,2 1. 杭州师范大学 遥感与地球科学研究院,浙江 杭州 311121 2. 浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室,浙江 杭州 311121

摘 要:针对智能仪器在使用过程中系统参数被随意更改的问题,一款基于红外遥控技术的智能仪器参数密码锁系统应运而 生。该系统采用专用编码芯片与软件解码技术相结合的方法,具有电路简单、可靠性高、成本低等特点。文中给出了硬件电 路原理和软件解码思想,实践证明,密码锁系统硬件电路合理,软件解码思想正确,操作方便,得到了推广应用。

关键词:红外遥控锁;参数管理;软件解码;PT2262-IR

The Application of Infrared Remote Control Technology in the Parameter Management of Intelligent Instrument Xiao Yuan 1,2, Yuliang Pan* 1,2, Zaiying Ling 1,2 1. Institute of Remote Sensing and Earth Sciences, Hang Zhou Normal University , Hangzhou, China, 311121 2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Urban Wetlands and Regional Change, Hangzhou, China, 311121 *

Email: ylpan001@126.com

Abstract: A parameter code lock system for Intelligent Instrument based on infrared remote control technology is designed to solve the problem that the system parameters of Intelligent Instrument can be easily changed while being used. With the combined usage of special coding chips and software decoding technique, this system has a simple circuit, high reliability and low cost. This article presents hardware circuit principle and software decoding thought. The practice proves that the code lock system is of reasonable hardware circuit, correct decoding of software and convenient operation. Thus, it has been widely spread and applied.

Key words: Infrared Remote Controlled Code Lock; Parameter Management; Software Decoding; PT2262-IR

引言 智能仪器通常具有用户参数和系统参数两类,在人机界面上具有相应的操作菜单栏。通常用户在使用仪器时 只需在人机界面上对用户菜单进行参数设置即可,而系统参数决定了仪器的工作状态及工作模式,必须是专业维 护人员才有权力对其进行更改。因此系统菜单的进入必须设置某种权限,以防用户随意的进入误设某个系统参数 而导致仪器的工作出现异常。目前普遍的解决措施是在系统菜单入口设置密码,但是这样会出现维护人员遗忘密 码或用户获知密码随意进入系统菜单的情况。 红外线发射和接收是目前使用较为广泛的一种通信和遥控手段,由于它的方向性要求和点对点特性,不易干 扰其他电器设备,也不会影响周边环境。在智能仪器中扩增红外遥控技术对系统参数进行管理,只有配有相应遥 控器的专业维护人员才能调整仪器的系统参数,提高了智能仪器参数管理的安全性。

1 整体介绍 红外遥控密码锁由红外发射器和红外接收器两部分组成[1]。为利用智能仪器中的微处理器资源以进一步降低 成本,密码锁接收器选择软件解码方式检测红外发射编码,并进行软件处理得到所要的信息,无需考虑遥控器的 芯片型号,十分灵活。虽然在解码速度上会略低于硬件解码,但是已经完全能满足应用的要求[2]。 ∗

基金项目:杭州师范大学遥感与地球科学研究院开放基金资助(NO. PDKF2010YG04)。 Scientific Journal of Control Engineering

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系统结构如图 1 所示。当遥控器按键动作时红外编码芯片将一串标准格式的编码波形进行载波调制后输出, 该波形经过驱动最后由红外发射管发射。红外接收头将接收到的信号进行放大、解调后输入至微处理器,由微处 理器用软件解码方式去识别遥控器按键的类型,从而做出相应的开关锁动作。

按 键 操 作

红 外 编 码

红 外 发 射

红 外 接 收

微 处 理 器 解 码

控 制 信 号 输 出

图 1 系统结构图

2 硬件电路 红外发射电路如图 2 所示,使用专用红外编码芯片 PT2262-IR 调制编码波形,该芯片有 12 位三态地址引脚, 最大提供 531,441 种地址码,因此可以避免编码间的冲突[3]。电池采用 27A 碱性锌锰电池,标称电压为 12V,标称 容量 20mAh,能满足遥控器长期的电源供给。但实际的新电池电压值会略高,已接近芯片的极限电压,若直接对 芯片供电,会使芯片工作在较高的电压下而增加其故障概率,工作电流也会相应增大,如 5V 工作电压时,芯片工 作电流在 1mA 内,而 12V 时却达到 5~6mA。同时根据实际测得,同样的振荡电阻值下,电池电压在下降过程 中,载波频率会有一定的变化,若偏离 38KHz 较多,会导致接收距离变短。而使用静态电流 μA 级芯片 SPX5205 对 12V 电池进行 5V 稳压后再给编码芯片供电,可以很好地解决以上的这些问题。按键 S1~S4 分别控制了数据端 D0~D3 的状态,可定义为开锁、闭锁、自学习等功能,当其中一个按键闭合时芯片上电,由于发射使能端 TE 始 终接地,DOUT 端则立即输出一帧 38KHz 载波调制的编码,该编码反映了数据端和地址端的状态,经过开关管驱 动后由红外发射二级管 D8 发射,电阻 R13 可调节发射功率,在距离合适的情况下可适当增加该阻值以减小发射 功率。通过一键上电发射的方式能够降低遥控器的功耗,延长电池的使用寿命。

图 2 红外发射电路

由于红外接收部分采用了软件解码方式,只需用一个红外一体化接收头 IRM-3638N3 接收 38kHz(周期约 26µs)的红外信号[4],输出的解调信号能直接被微处理器解码,并且其工作电压与微处理器电压同为 3.3V,仪器 控制板上的 3.3V 低压差稳压芯片(LDO)即可满足红外接收解码部分的电源供给。 38

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智能仪器自身的微处理器普遍为单片封装的高性能微控制器,其资源丰富,功能强大,内部集成了许多系统 级的功能,如定时/计数器,内部 RC 振荡器,外中断输入,Flash 程序存储器,看门狗等,但是大多数情况资源都 未完全被占用。红外接收部分可以充分利用微处理器多余的一部分资源,大大减少元件的数目和电路板面积以降 低系统的成本,具体资源占用情况如表 1 所示。 表 1 微处理器资源占用情况 资源

应用

1 个外中断输入

检测信号输入

1 个定时/计数器

检测信号脉宽

2K 大小的程序存储器

存储程序和密码

1 个看门狗定时器

防止干扰导致程序跑飞

1 个 I/O 引脚

输出控制信号

3 软件解码 3.1 解码原理 当遥控器任一按键按下时,PT2262-IR 检测到数据位为高电平,由于发射使能端 TE 一直有效,则从 DOUT 端 输出一帧码。帧码是在发送时合成的,由 4 组连续的字码组成,而每组字码由 12 个 AD(地址/数据)位紧跟一个 SYNC(同步)位组成,传输格式如图 3 所示。AD 位码 A0~A5 和 A6/D5~A11/D0 由管脚的状态决定,如当 A0 置 为高电平(VCC)时,相应的位码 A0 合成出“1”码。同样的当 A0 置为低电平或悬空时,位码 A0 相应的合成出“0”或 “f”码。软件中可根据高电平的脉冲宽度来区分“0”、“1”、“f”三种波形。“1”状态在一个周期里有 2 个 60λ (60*26μs=1560μs)宽度的高电平,同理“0”状态有 2 个 520μs 宽度的高电平,而“f”状态有 1 个 520μs 和 1 个 1560μs 宽度的高电平。SYNC 位由 1 个 520μs 宽度的高电平及 620λ(620*26μs=1.6ms)宽度的低电平组成。位码 都是由 38KHz 的载波调制所得的,即 λ=26μs。位码波形如图 4 所示。 地址/数据码: A6/D5~A11/D0

地址码:A0~A5

同步位:Sync

图 3 字码波形图 λ 160λ OSC 20λ “0” 60λ “1”

“f”

Sync 620λ λ=载波周期(26µs)

图 4 位码波形图

因无线发射的特点,第一组字码非常易受零电平干扰,往往会产生误码,所以程序可以丢弃处理。用单片机 软件解码时,程序只要先判断出第一组字码跟随的同步码,后对第二组字码的 12 位 AD 位码进行脉宽解码即可。 Scientific Journal of Control Engineering

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3.2 解码实现 3.2.1 中断触发 将红外接收头输出信号输入至单片机的外部中断引脚,由于接收头无信号接收时输出一直为高电平,有信号 时为低电平,因此引入外部中断功能,将外部中断的触发方式设置为边沿触发,在外部中断发生后,则开始进行 SYNC 位的检测。 3.2.2 检测字码间隔 由于红外接收头的特性,接收到的波形为发射波形的反码,如图 5 所示。在外中断发生后先检测 SYNC 位 16ms 高电平,由于第 2 组的 AD 位码紧跟在第一组 SYNC 位后,当检测到 SYNC 位后的下个上升沿,立即开启定 时器中断开始检测 12 个 AD 位码。

图 5 接收头输出信号图

3.2.3 检测位码 位码的不同主要是高电平脉宽组合不同,因此 AD 位码的检测即为高电平宽度的检测。将窄脉宽记为 0,宽脉 宽记为 1,设置定时器的中断周期为 140us,对窄脉宽计数时计数器可以叠加到 520/140 = 3 次,宽脉宽计数时计数 器可以叠加到 1560/140 = 11 次,将其进行右移 4 位的运算,如果移位后得到的值不是 0 或 1,则说明接收到的信 号是干扰信号。通过软件抗干扰性判断,很容易消除干扰信号,若在各自允许的误差范围内,则译出一个码位, 否则被视为误码而丢弃。连续正确检测 12 个位码[5]。 外中断程序 入口

检测到SYNC位 16ms高电平?

定时器 中断入口

YES

低电平等待

初始化定时值 (140us)

No

NO

No

累计次数加1 上升沿开启定时器检 测第一个高电平宽度

检测完12个位码吗?

Yes

超过预值吗? 低电平等待

12位码数据处理 密码比较

Yes

上升沿开启定时器检 测第二个高电平宽度

置继电器动作标志

中断返回

图 a 外中断程序框图

置超时标志

No

中断返回

图 b 定时器中断程序框图 图 6 软件解码程序框图

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3.2.4 脉宽组合 将检测到的高电平宽度用 2 个二进制 bit 位 11,00,10 表示 0,1,f 三种位码形式,这样一组完整的字码可以 用 12*2=24bit 来记录了。

3.3 程序框图 软件解码程序框图详见图 6。

4 结语 红外遥控技术在智能仪器界面系统参数管理上的成功应用,从很大程度上解决了用户随意更改系统参数的问 题,同时省去了维护人员记忆繁琐密码的时间。专用红外编码芯片和软件解码结合应用的方法,节省了电路硬件 开销,在使用和设计上具有更大的灵活性。本设计已在智能仪器上得到了一定的应用。 参考文献 [1] 马冬梅, 屈霞. 一种简易红外遥控密码锁设计与实现[J]. 现代电子技术, 2010 年 2 月, 第 13 期: 159-161. [2] 王伟生, 郑小真. 红外遥控在节能和无线操作方面的应用[J]. 红外技术, 2006 年 4 月, 第 28 卷, 第 4 期:224-226. [3] PT2262S-IR Data sheet. Princeton Technology Corp. http://www.princeton.com.tw. [4] IRM3638N3 Data sheet. Everlight Electronics CO., LTD. http://www.everlight.com. [5] 程立, 陈勉. 一种机器人遥控信号译码算法的研究[J]. 武汉科技学院学报, 2008 年 6 月, 第 6 卷, 第 4 期:15-18.

【作者简介】 袁霄(1987-),男,汉族,初级工程师,学士学位,研究方向为智能控制系统的软硬件开发, 现任杭州师范大学遥感与地球科学研究院硬件工程师职位, Email: whiteansweryx@126.com。

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