基于NiosⅡ的學(xué)習(xí)型遙控器設(shè)計

摘要：以Altera FPGA系列Cyclone EPlCl2Q240C8器件為載體，通過SoPC技術(shù)構(gòu)建嵌入式軟核NiosⅡ處理器平臺，運(yùn)用Verilog HDL硬件描述語言設(shè)計等精度測量載波頻率IP核、紅外信號解調(diào)IP核、紅外編碼脈寬測量IP核和紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路，以實現(xiàn)載波的精確測量、紅外信號解調(diào)、脈寬測量和調(diào)制功能，并給出了外圍硬件電路和軟件設(shè)計方案。實驗表明，該遙控器解決了單片機(jī)因時鐘頻率低而無法對載波頻率進(jìn)行測量的瓶頸，實現(xiàn)了對任何一款普通遙控器的按鍵編碼學(xué)習(xí)，真正完成了學(xué)習(xí)型遙控器的學(xué)習(xí)功能。
關(guān)鍵詞：軟核處理器；等精度；遙控器；FPGA／SoPC

O 引言
    紅外遙控器在家電產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用，但各產(chǎn)品的遙控器采用了不同的頻率或編碼方式，導(dǎo)致這些遙控器不能相互通用，這給人們的生活帶來了諸多不便。針對這個問題，很多廠家設(shè)計和生產(chǎn)了一種稱為萬能遙控器的紅外信號遙控裝置，這類遙控器大多數(shù)采用復(fù)制遙控器紅外波形達(dá)到學(xué)習(xí)目的，其方法簡單，實現(xiàn)起來較方便，通過對不同普通遙控器發(fā)出的紅外線編碼進(jìn)行學(xué)習(xí)和存儲，可以對多個家用電器進(jìn)行遙控，從而可以減少家庭中遙控器的數(shù)目。但是，這類遙控器通常采用專用 ASIC或單片機(jī)來實現(xiàn)，并且只能接收單一載波的紅外信號編碼，導(dǎo)致實際使用時有諸多局限，主要體現(xiàn)在：如果家用電器遙控裝置的載波頻率不同，萬能遙控器將無能為力；不同的家用電器使用單一的遙控器界面，容易產(chǎn)生混淆和誤操作；受存儲空間的限制，能夠支持的遙控器數(shù)目有限。
    因此，本文設(shè)計了一種基于NiosⅡ的紅外學(xué)習(xí)型遙控器，把載波頻率測量、紅外信號解調(diào)、脈寬測量、調(diào)制發(fā)送IP核集中到FPGA器件上，極大地簡化外圍硬件電路，利用了Nios軟核CPU的32位處理器，可以很好地對脈寬進(jìn)行精確測量，同時提高處理速度，能夠精確地對載波頻率進(jìn)行測量，并將原始的紅外信號進(jìn)行最大程度上無失真還原，解決了單片機(jī)因時鐘頻率低無法對載波頻率進(jìn)行測量的瓶頸，實現(xiàn)了對各種各樣紅外遙控的學(xué)習(xí)，真正完成了學(xué)習(xí)型遙控器的學(xué)習(xí)功能。

1 整體設(shè)計方案
    系統(tǒng)主要由NiosⅡ處理器、Avalon總線、EPCS控制器、SDRAM控制器、FLASH控制器、輸入輸出I／O口、等精度測量載波頻率IP核、紅外信號解調(diào)IP核、紅外編碼脈寬測量IP核、紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路、中斷控制器等組成，如圖1所示。上電后，系統(tǒng)通過EPCS調(diào)用系統(tǒng)配置信息，系統(tǒng)進(jìn)行初始化。當(dāng)“學(xué)習(xí)”鍵按下時，通過I／O口中斷產(chǎn)生一個測量紅外載波頻率請求信號，此時“學(xué)習(xí)”指示燈亮。當(dāng)檢測到外部遙控紅外信號時，處理器通過Avalon總線調(diào)用等精度測量載波頻率IP核開始測量頻率，“學(xué)習(xí)”指示燈熄滅表示學(xué)習(xí)載波頻率成功。接下來通過“家電”按鍵即可將該載波頻率儲存到該家電紅外編碼FLASH載波頻率存儲區(qū)域。對應(yīng)的“家電”指示燈亮，表示可以進(jìn)入該家電紅外遙控信號學(xué)習(xí)或發(fā)送階段。學(xué)習(xí)時，只需將家電遙控器發(fā)送窗對準(zhǔn)學(xué)習(xí)型遙控器的接收窗，發(fā)送紅外遙控信號。此時Nios軟核處理器會通過Avalon總線調(diào)用紅外信號解調(diào)IP核和紅外編碼脈寬測量IP核，完成紅外信號的解調(diào)和一幀完整編碼脈寬高低電平時間測量(此過程中處理的所有數(shù)據(jù)存儲在SDRAM中)。當(dāng)“學(xué)習(xí)”燈再次亮起，表示該信號已得到確認(rèn)。按下學(xué)習(xí)型遙控器的任一功能鍵，即可將該信號送到指定的該家電按鍵FLASH存儲區(qū)域；發(fā)送時，先選擇“家電”選擇鍵(即選定了載波頻率)，然后按下“功能鍵”時，NiosⅡ處理器會自動調(diào)用FLASH存儲數(shù)據(jù)，通過紅外發(fā)送邏輯電路調(diào)制到載波上，完成紅外信號還原。


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2 硬件電路設(shè)計
2. 1 主控制電路設(shè)計
    主控制電路主要以Altera FPGA系列Cyclone EPlCl2Q240C8器件為載體，通過SoPC技術(shù)構(gòu)建嵌入式軟核NiosⅡ處理器平臺，運(yùn)用Verilog HDL硬件描述語言設(shè)計等精度測量載波頻率IP核、紅外信號解調(diào)IP核、紅外編碼脈寬測量IP核和紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路，以實現(xiàn)載波的精確測量，紅外信號解調(diào)、脈寬測量和調(diào)制功能。復(fù)位電路采用了專用看門狗芯片CATl025，以避免電路的死循環(huán)，同時也可以通過手動按下復(fù)位鍵，使系統(tǒng)重新啟動。時鐘是采用外部時鐘方式，其頻率為50 MHz。主控制電路圖如圖2所示。


2．2 外圍硬件電路設(shè)計
2．2．1 按鍵與指示電路
    為了簡化軟件程序，結(jié)合FPGA多I／O口的優(yōu)勢，本設(shè)計采用獨立按鍵方式，當(dāng)按鍵按下時，F(xiàn)PGA對應(yīng)的I／O口會檢測到低電平；按鍵彈起時，F(xiàn)PGA 對應(yīng)的I／O口會檢測到高電平。對于指示電路，采用不同顏色的發(fā)光二極管來指示不同的狀態(tài)或控制不同的家用電器，當(dāng)其中的一個指示燈閃爍時，表示正在學(xué)習(xí)對應(yīng)的家電遙控器或者是發(fā)送對應(yīng)的家電遙控信號。
2．2．2 紅外接收和發(fā)送電路
    紅外接收電路由紅外二極管、三極管9014及電阻組成。當(dāng)未檢測到紅外信號時，紅外接收二極管電阻很大(近似于斷路)，三極管9014處手截止?fàn)顟B(tài)，此時 IR_RECEIVE端檢測到高電平；當(dāng)檢測到紅外信號時，紅外接收二極管電阻較小，這時三極管9014發(fā)射極正偏，集電極反偏，三極管處于放大狀態(tài)。紅外信號通過共發(fā)射極電路放大后輸入到FPGA的I／O口18腳，交給Nios軟核進(jìn)行處理。發(fā)送時，經(jīng)過紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路調(diào)制后的紅外信號從FPGA I／O口16腳輸出，紅外信號通過三極管9014再次倒相放大后從集電極輸出，驅(qū)動紅外發(fā)射管輻射出紅外調(diào)制信號，從而實現(xiàn)紅外遙控信號的再生。紅外發(fā)送和接收電路如圖3所示。


2．2．3 存儲電路
    存儲電路主要由AM29LV320DT(4 MB 16位并行總線)FLASH芯片和K4S641632H(64 MB 16位并行總線)SDRAM芯片組成。其中的SDRAM芯片起緩沖數(shù)據(jù)的作用，保存處理器及外部交換的數(shù)據(jù)信息，掉電或復(fù)位后數(shù)據(jù)丟失。FLASH閃速存儲器，用于SoPC系統(tǒng)的程序存放和需要掉電保存的數(shù)據(jù)存放，但是，F(xiàn)LASH的讀操作比SDRAM慢，寫速度更加緩慢(相對于SDRAM而言)。 NiosⅡ系統(tǒng)啟動后，在NiosⅡ的Boot程序把存放在FLA-SH中的程序復(fù)制到SDRAM后，再運(yùn)行。
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3 軟件設(shè)計
    當(dāng)系統(tǒng)上電后進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)檢測到學(xué)習(xí)鍵按下時候，系統(tǒng)進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。在學(xué)習(xí)過程中，Nios處理器寫入頻率測量控制字，通過A-valon總線調(diào)用頻率測量IP核對載波頻率進(jìn)行測量。測量完成后，檢測到有啟動解調(diào)控制字和測量脈寬控制字寫入，即開始對紅外信號解調(diào)同時對解調(diào)后的信號的脈寬進(jìn)行測量。測量完成后，處理器會將數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)存儲區(qū)域，完成本次學(xué)習(xí)過程。如圖4所示。還原信號時，處理器寫入發(fā)送調(diào)制控制字，通過Avalon總線控制紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路，發(fā)送完成后返回等待狀態(tài)，等待下一次發(fā)送。如圖5所示。


4 系統(tǒng)功能仿真
    為了驗證該學(xué)習(xí)型遙控器的原理、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，選用21K8型飛利浦電視遙控器，RMFDLC7461型NEC電視遙控器和RM-687C型索尼電視遙控器作為實驗對象，分別按這三個遙控器的“電源”功能鍵，發(fā)送紅外遙控信號，它們對應(yīng)的載波頻率分別為36 kHz，38 kHz和40k-Hz，學(xué)習(xí)型遙控器的紅外接收二極管接收到紅外信號，并通過三極管9014放大，送入FPGA的I／O口18腳，利用QuartusⅡ軟件中的集成仿真器可對學(xué)習(xí)型遙控器進(jìn)行功能仿真。首先建立一個工程，全部編譯通過后，然后對其功能和時序進(jìn)行仿真測試，如圖6～圖8所示。通過比較圖6～圖8中的已經(jīng)濾掉載波紅外信號High_En和紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路輸出的信號IR_code的波形可看出，接收和發(fā)射的高低電平維持的時間相同，數(shù)據(jù)一致，電平也一致。


    由仿真結(jié)果表明，21K8型飛利浦電視遙控器、RM-FDLC7461型NEC電視遙控器和RM-687C型索尼電視遙控器的“電源”功能鍵代碼和學(xué)習(xí)型遙控器發(fā)出的代碼，兩者相同，表示學(xué)習(xí)成功。同時也表明該遙控器可以精確地測量不同載波的紅外遙控信號，解決了單片機(jī)因時鐘頻率低而無法對載波頻率進(jìn)行測量的瓶頸。

5 結(jié)語
    該學(xué)習(xí)型遙控器通過SoPC技術(shù)構(gòu)建嵌入式軟核NiosⅡ處理器平臺，運(yùn)用Verilog HDL語言設(shè)計等精度測量載波頻率IP核、紅外信號解調(diào)IP核、紅外編碼脈寬測量IP核和紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路，把載波的精確測量，紅外信號解調(diào)、脈寬測量和調(diào)制集中到Ahera FPGA系列Cyclone-EPICl2Q240C8器件上，極大地簡化外圍硬件電路。實驗表明，該遙控器解決了單片機(jī)因時鐘頻率低而無法對載波頻率進(jìn)行測量的瓶頸，實現(xiàn)了對任何一款普通遙控器的按鍵編碼學(xué)習(xí)，真正完成了學(xué)習(xí)型遙控器的學(xué)習(xí)功能。