一种远程控制编码芯片的ASIC研究与设计

唐 宁，刘玮德

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004)

远程遥控技术，是指实现对目标的遥远距离控制，在工业、航天、家电、声控等众多领域应用广泛。红外遥控是一种无线、远距离的控制技术，具有成本低、抗干扰能力强、功耗低、成本低、易实现、信息传输可靠等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多地应用到各个行业之中［1-2］。例如，据专业研究机构预测，2012年智能电视市场份额将占据近30%，智能电视对人机交互技术的需求较传统电视高很多［3］，所以对控制芯片的要求也提高很多，所以，成本越低的同类红外遥控产品就更具有竞争力，因此对传统的红外遥控电路进行优化，并且缩减版图面积，可以有效提高该产品的市场竞争力。

1 远程控制编码芯片电路的设计框架

文中设计的新型的远程控制编码芯片的电路的整体结构框图如图1所示。其主要由5个部分组成，分别为时序控制电路、用户码扫描电路、键盘扫描电路、编码电路、输出控制电路。图中振荡电路部分可通过外接晶体振荡器来实现，这样能够缩小芯片的面积。当有按键按下，电路键盘扫描模块收到按键信号之后才会开始工作，这样就减小了芯片的待机功耗，同时时序控制电路开始对输入时钟进行分频等控制。当按键扫描模块捕获输入信号之后，会将其传入编码电路模块，该模块根据不同的按键信号进行数据的编码，之后将编码传入输出控制模块，输出控制模块将编码进行排序编帧，使其以符合所定红外传输协议的格式输送到外部。

图1 远程控制编码芯片的电路的整体结构框图

2 具体电路设计

2.1 时序电路模块的设计

本芯片的输入时钟频率是455 kHz，同时输出信号是采用ppm编码方式，所以要对输入时钟信号进行分频等一系列的整理。

如图2所示时序电路模块中的Powerup端口是上电复位端口，当系统供电，将会产生一个短暂的复位信号对电路中的各个门进行复位清空数据初始化。

图2 时序处理电路模块电路图(截图)

模块中每一个D触发器的输出端接一个非门作为触发器的输入信号，构成一个分频器［4］，输入时钟频率455 kHz，因为采用的ppm编码方式所需用到的最小时钟信号的周期是0.56 ms，所以经过计算455/(1/0.56)=255，即2的8次方，所以需要经过8次分频。

2.2 用户码扫描模块的设计

用户码的存在是为了让信号接收器能区分不同的遥控设备，本课题设计的遥控电路可以让用户自定义8位用户码。

用户码通过在I/O端口与CCST端口之间外接二极管来设置，有二极管当前bit位为“1”，否则为“0”。

具体原理:I/O端口产生一次顺序脉冲扫描，例如KI/O 0～7依 次 产 生00000001，00000010，00000100，00001000，00010000，00100000，01000000，10000000的脉冲信号，如果该端口外接了二极管，当这个端口的高电平脉冲到达的时候，CCST端口将会被置成1，若无外接二极管，CCST端口的值将会保持为0。

用户码扫描模块如图3所示，t0～t7为此时的I/O口输出数据。

图3 用户码扫描模块(截图)

2.3 按键扫描模块的设计

当按键数量较多时，为了减少封装端口，可以将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处通过一个按键加以连接在矩阵式键盘中，这样，就可以构成n×n个按键，极大地扩展了按键数量。

确定矩阵式键盘上哪个按键按下的方法叫行列扫描法，原理如下:

第一步，使行线为输入线，列线是输出线，拉高所有的列线，判断行线的变化，如果有按键按下，按键按下的对应行线被拉高，否则，所有的行线都为低电平。无按键按下时KI 0～7全为0，若有按键按下则KI 0～7相或后的CC端产生变化，表示有按键输入。

第二步，在第一步判断有键按下后，延时若干时间消除机械抖动，再次读取行值，如果此行线还处于高电平状态则进入下一步，否则返回第一步重新判断。下图判定是否有按键按下，当无按键按下KI 0～7全为低电平，若有按键按下其中一个端口则被置为高电平。

第三步，开始扫描按键位置，采用逐行扫描，每间隔一定的时间，分别拉高第1列、第2列、第3列、第4列等，无论拉高哪一列其列都为低电平，读取行值找到按键的位置，分别把行值和列值储存在寄存器里。

脉冲扫描电路如图4所示，keyt0～keyt7为脉冲输出数据，此时从I/O口输出。

图4 脉冲扫描电路(截图)

第四步，从寄存器中找到行值和列值并把其合并，得到按键值，对此按键值进行编码，如图5所示。

图5 编码电路(截图)

右下角的部分为锁存器当列值置为高电平时，如果此时某个行值也对应变为高电平，那么他们对应的锁存器的输出端将会被置为1，最后左下角部分根据这64个锁存器的值进行编码得到data。

2.4 数据编帧模块的设计

本遥控发射的码型的一帧码含有一个引导码，8位的用户编码及其8位反码，8位的按键数据码及其8位反码。

引导码由时间长度为9 ms的载波和长度为4.5 ms的低电平时间构成，它是作为引导码而存在的，之后接着的是16位的地址码，即用户码，再接着16位数据码。当重复发送帧时，引导码由时间长度为9 ms的载波和长度为2.25 ms的低电平时间和0.56 ms的载波构成，之后全为低电平，每一帧的长度为108 ms。表示数据“0”使用高电平与低电平比例1∶1.每个长度为0.56 ms，表示数据“1”使用高电平与低电平比例1∶3，即高电平占0.56 ms，低电平占1.68 ms［5-6］。

要实现帧，首先需要通过一组计时器来划分好各个时间段，计时器实现如图6所示。

图6 计时器电路(截图)

输入的时钟周期为0.56 ms，经过3个分频器得到的时钟周期为4.5 ms，该信号再通过4个D触发器，每个D触发器的输出信号置高电平的时刻均比前一个D触发器晚了4.5 ms。

因为最后要发射的帧信号是行输入，而之前得到的用户码和按键编码都是列数据，所以要对列数据进行排序，然后排好的数据队列使用“0”和“1”的编码方式进行编码。图中sel0～4为一组经过处理的时钟信号，可以作为选择器的信号，用户码UD和数据码data通过sel信号实现数据的选择排序，电路如图7所示。

图7 编帧电路(截图)

数据在排序的同时，已经排好的数据，如果为0，DT信号也将为0，如果为1，DT信号也将为1，这样通过选择排列信号AA0与AA1，则可以实现“0”和“1”的编码。

若当按键持续按下，重复帧的结构为引导码由时间长度为9 ms的载波和长度为2.25 ms的低电平时间和0.56 ms的载波构成，之后全为低电平，电路构成与第一次编帧的电路结构类似，只是不用加入客户码和数据码，具体电路如图8所示。

2.5 电路运行控制模块的设计

图8 重复码产生电路(截图)

当没有按键按下时，KI0～KI7全为低电平，经过图9所示电路的处理得到控制信号CC，CC信号与各模块复位信号相与，则仅当有按键按下时，CC才会置高电平，各模块复位端解除被钳制状态，整体电路开始工作。

图9 电路运行控制电路(截图)

3 电路仿真验证与分析

利用QuartusII对电路进行总体仿真，结果如图10所示。

图10 电路运行仿真结果(截图)

波形图中test信号为电路输出信号，当有按键按下，经过扫描，KI的值出现变化，经过处理后，完整编码由test端口在约125.19 ms时输出，到134.13 ms为止，是大约9 ms的高电平引导码，从134.13～138.6 ms，间隔4.47 ms，即大约4.5 ms的低电平引导码。

从138.6 ms开始是8位用户码和8位用户码反码组成的地址码，仿真时设定的初始用户码的值为11111111，因为采用的ppm编码方式，所以理论输出信号的用户码部分应该是8组高电平与低电平比例1∶3，即高电平占0.56 ms，低电平占1.68 ms的波形组成，观察仿真波形用户码部分从138.6 ms开始，高电平持续至139.16 ms，共计0.56 ms，低电平从139.16 ms处至140.82 ms处，持续1.66 ms，刚好一共8组。用户码反码部分理论输出信号应为00000000，输出波形应为高电平与低电平比例1∶1，高、低电平各占0.56 ms的波形共8组，仿真图的反码部分从从156.59 ms开始，高电平持续至157.15 ms处，持续约0.56 ms，低电平从157.15 ms处开始至157.72 ms，持续约0.57 ms，此为一组信号码，表示信号“0”，一共8组，所以用户码与用户码反码部分符合所需要求规范，其中细小误差是由于手动测量造成，不影响所得结论。

再接下来的是8位数据码和8位数据反码，根据初始设定的按键输入信号，经过按键扫描得到的数据data［0～7］为“11111000”，分析仿真结果，数据码部分从165.60 ms处开始，高低电平比例为1∶3的波形共5组，高低电平的比例为1∶1的信号共3组，根据所用红外协议，该信号表示的值为“11111000”，与理论值相同。数据码反码部分从180.25 ms处开始，依次出现占空比1∶1的波形5组，1∶3的波形3组，所表示的信号为“00000111”，刚好为之前数据信号值的反码。全波形持续108 ms。

当按键持续按下，继续输出波形如图11所示，即只由9 ms的高电平引导码和4.5 ms的低电平引导码组成，符合所采用的红外协议。

图11 按键持续按下时电路输出信号(截图)

4 小结

综上，仿真结果符合所定红外传输协议。经过了电路的优化设计之后，电路能够输出所需信号波形，达到了预期的目的。

［1］张爱全.红外线遥控的基本原理和应用范围［J］.山西电子技术，2003(6):40-41.

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