基于SOPC的紅外解碼IP核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：提出一種紅外解碼IP核在SoPC系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，重點(diǎn)研究紅外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)編碼和傳輸機(jī)制，紅外解碼電路的HDL設(shè)計(jì)，IP核的制作及在SoPC系統(tǒng)中的應(yīng)用。該方案的紅外發(fā)送接收芯片分別是TC9012和DS338S，在DE2開發(fā)板對(duì)IP核進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，紅外解碼IP能順利地添加到SoPC系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、正確的紅外解碼功能，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：紅外解碼；Avalon總線；IP核；SoPC

0 引言
    紅外通信作為一種簡(jiǎn)便的無線通信技術(shù)在電子設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用。它的主要優(yōu)點(diǎn)是無需專門申請(qǐng)?zhí)囟l率的使用執(zhí)照；具有移動(dòng)通信設(shè)備所必需的體積小，功率低的特點(diǎn)；傳輸速率適合家庭和辦公室使用的網(wǎng)絡(luò)；信號(hào)無干擾，傳輸準(zhǔn)確度高；成本低廉。
    SoPC技術(shù)是在可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種靈活、高效的嵌入式系統(tǒng)解決方案。它將處理器、存儲(chǔ)器、I／O口、常用外設(shè)等系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的部件以IP核的形式集成到一片F(xiàn)PGA器件上，構(gòu)建成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特定的邏輯功能。其中，IP核可理解為一段具有特定電路功能的硬件描述語言程序，該程序與集成電路工藝無關(guān)，可以移植到不同的半導(dǎo)體工藝中去生產(chǎn)集成電路芯片。因此，IP核的設(shè)計(jì)與復(fù)用是SoPC設(shè)計(jì)中解決設(shè)計(jì)層次、產(chǎn)品成本、設(shè)計(jì)周期和降低風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是SoPC設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。
    本文提出一種紅外解碼IP核在SoPC系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)研究紅外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)編碼和傳輸機(jī)制、紅外解碼電路的HDL設(shè)計(jì)、IP核的制作及在SoPC系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。

1 紅外通信原理與Avalon總線規(guī)范
1．1 紅外通信原理
    本文采用的紅外接收部分的硬件電路由紅外發(fā)射芯片TC9012和紅外接收芯片DS338S組成。DS338S的輸出信號(hào)IR_out接入FPGA的GPIO，實(shí)現(xiàn)紅外解碼功能。硬件電路圖如圖1所示。

    發(fā)射端TC9012發(fā)送的紅外數(shù)據(jù)幀的格式如圖2所示。
    每幀含有32 b，包含2次8位用戶碼，8位數(shù)據(jù)碼和8位數(shù)據(jù)碼的反碼及最后位的同步位。其中，用戶碼是由硬件決定的，通過解碼用戶碼來識(shí)別控制單位是否有權(quán)控制設(shè)備。數(shù)據(jù)反碼是用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)碼是否正確的。引導(dǎo)碼由4．5 ms的載波和4．5 ms的載波關(guān)斷波形所構(gòu)成，作為用戶碼、數(shù)據(jù)碼以及他們的反碼的先導(dǎo)。TC9012采用PPM(Pulse Phase Modulation)脈沖相位調(diào)制方式完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。載波、同步位、位元‘0’和‘1’和引導(dǎo)碼的波形如圖3所示。由圖可知，載波頻率為38 kHz，占空比為1／3；同步位(SY)是標(biāo)志最后一位編碼“0”或“1”的標(biāo)識(shí)位，它只有0．56 ms的有載波信號(hào)構(gòu)成；位元0由0．56 ms的有載波部分和0．565 ms的空閑部分構(gòu)成；位元1由0．56 ms的有載波部分和1．69 ms的空閑部分構(gòu)成。[!--empirenews.page--]

    紅外接收端DS338S內(nèi)含高速高靈敏度PIN光電二極管和低功耗、高增益前置放大IC，采用外屏蔽，在紅外遙控系統(tǒng)中作為接收器使用。IR M-338S的輸入／輸出波形如圖4所示。

    由圖可知，在進(jìn)行紅外解碼的時(shí)候，輸入信號(hào)是從IRM-338S接收管送出的信號(hào)，接收管的輸出信號(hào)與發(fā)射端的發(fā)射信號(hào)是倒相關(guān)系。
1．2 Avalon總線規(guī)范簡(jiǎn)介
    Avalon總線是Altera公司專門為SoPC推出的一套片內(nèi)總線系統(tǒng)，是SoPC解決方案中的核心部分。本設(shè)計(jì)采用的是Avalon-MM總線接口，該總線接口是內(nèi)存映射系統(tǒng)下用于主從設(shè)備之間通信的讀寫接口，采用主從式的傳輸方式，即由一個(gè)主控端外設(shè)發(fā)起并控制傳輸過程，而從屬端外設(shè)響應(yīng)經(jīng)由總線模塊發(fā)來的信號(hào)完成整個(gè)傳輸。Avalon-MM定義了一組接口信號(hào)和總線時(shí)序，具體的接口信號(hào)見表1。

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2 紅外解碼IP核的設(shè)計(jì)
    紅外解碼IP核包括紅外解碼邏輯和Avalon總線接入邏輯兩個(gè)部分，其端口描述如圖5所示。

2．1 紅外解碼邏輯的設(shè)計(jì)
    紅外解碼邏輯的設(shè)計(jì)核心是：采用脈沖計(jì)數(shù)的方法，檢測(cè)IRM-338S接收管輸出的IR_OUT信號(hào)在連續(xù)兩次跳沿間處于高電平或低電平的時(shí)間，進(jìn)而判斷出每個(gè)位元的類型和對(duì)應(yīng)信息，把位元信息組成字節(jié)，將字節(jié)還原成幀，實(shí)現(xiàn)紅外解碼。該邏輯的設(shè)計(jì)框架見圖6。

     (1)時(shí)鐘分頻邏輯。在紅外通信協(xié)議中，IR_OUT信號(hào)在連續(xù)2次跳沿間的最小電平持續(xù)時(shí)間為0．56 ms。為精確檢測(cè)該電乎的持續(xù)時(shí)間，選取周期為40μs時(shí)鐘脈沖信號(hào)對(duì)電平進(jìn)行計(jì)數(shù)。該時(shí)鐘脈沖信號(hào)由Avalon總線的csi_clock_clk信號(hào)分頻得到。位元檢測(cè)解碼邏輯：檢測(cè)IR_OUT信號(hào)的跳沿，以跳沿為計(jì)數(shù)起始和結(jié)束點(diǎn)，使用時(shí)鐘脈沖信號(hào)對(duì)位元電平進(jìn)行計(jì)數(shù)。位元解碼邏輯將計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成位元信息，并輸
出位元結(jié)束信號(hào)。在位元解碼邏輯中，考慮到實(shí)際硬件誤差，用不同的計(jì)數(shù)范圍對(duì)應(yīng)各種位元信息，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

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    (2)字節(jié)檢測(cè)解碼邏輯。檢測(cè)位元結(jié)束信號(hào)并進(jìn)行計(jì)數(shù)，將連續(xù)8個(gè)位元的信息填充成1個(gè)字節(jié)，輸出字節(jié)結(jié)束信號(hào)。幀檢測(cè)解碼邏輯：檢測(cè)字節(jié)結(jié)束信號(hào)并進(jìn)行計(jì)數(shù)，將連續(xù)4個(gè)字節(jié)的信息填充成1個(gè)紅外數(shù)據(jù)幀，輸出解碼結(jié)束信號(hào)，用于產(chǎn)生中斷；使用SignaltapⅡ?qū)υO(shè)計(jì)的紅外解碼邏輯進(jìn)行測(cè)試，其中位元檢測(cè)解碼邏輯時(shí)序見圖7。由圖可知，在40μs時(shí)鐘脈沖信號(hào)下，位元“0”的高電平持續(xù)14個(gè)脈沖，低電平持續(xù)14個(gè)脈沖；位元“1”的高電平持續(xù)14個(gè)脈沖，低電平持續(xù)43個(gè)脈沖。測(cè)試結(jié)果與理論分析一致。

2．2 Avalon總線接入邏輯
    Avalon總線接入邏輯實(shí)現(xiàn)總線中斷時(shí)序和總線讀時(shí)序，將紅外解碼邏輯輸出的解碼結(jié)束信號(hào)以中斷的方式發(fā)送到Avalon總線上，供Avalon總線上的主設(shè)備響應(yīng)中斷，讀取幀解碼結(jié)果。中斷邏輯和總線讀邏輯的Verilog描述見圖8。

3 紅外解碼IP核的測(cè)試與小結(jié)
    完成紅外解碼IP核的設(shè)計(jì)后，可應(yīng)用SoPC Builder提供的元件編輯器(Component Editor)將IP核封裝成基于Avalon總線中的AvaIon-MM設(shè)備，使用該IP核，在使用過程中要注意信號(hào)類型的映射關(guān)系、接口和時(shí)序等選項(xiàng)的配置。
    在DE2平臺(tái)上，使用該IP核完成的作品《基于NIOS Ⅱ多核技術(shù)的魔方智能求解系統(tǒng)》參加了2011 Altera亞洲創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽獲二等獎(jiǎng)。該系統(tǒng)中與紅外解碼IP核相關(guān)的信號(hào)時(shí)序見圖9。

4 結(jié)語
    反復(fù)測(cè)試和實(shí)際使用結(jié)果表明，紅外解碼IP核能實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、正確的紅外解碼功能，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。