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(tái)，運(yùn)用Verilog HDL硬件描述語言設(shè)計(jì)等精度測(cè)量載波頻率IP核、紅外信號(hào)解調(diào)IP核、紅外編碼脈寬測(cè)量IP核和紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路，以實(shí)現(xiàn)載波的精確測(cè)量、紅外信號(hào)解調(diào)、脈寬測(cè)量和調(diào)制功能，并給出了外圍硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)表明，該遙控器解決了單片機(jī)因時(shí)鐘頻率低而無法對(duì)載波頻率進(jìn)行測(cè)量的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)這個(gè)問題，很多廠家設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了一種稱為萬能遙控器的紅外信號(hào)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(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來較方便，通過對(duì)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(chǔ)，可以對(duì)多個(gè)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(shí)現(xiàn)，并且只能接收單一載波的紅外信號(hào)編碼，導(dǎo)致實(shí)際使用時(shí)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(chǔ)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(jì)了一種基于NiosⅡ的紅外學(xué)習(xí)型遙控器，把載波頻率測(cè)量、紅外信號(hào)解調(diào)、脈寬測(cè)量、調(diào)制發(fā)送IP核集中到FPGA器件上，極大地簡(jiǎn)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(duì)脈寬進(jìn)行精確測(cè)量，同時(shí)提高處理速度，能夠精確地對(duì)載波頻率進(jìn)行測(cè)量，并將原始的紅外信號(hào)進(jìn)行最大程度上無失真還原，解決了單片機(jī)因時(shí)鐘頻率低無法對(duì)載波頻率進(jìn)行測(cè)量的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jì)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(cè)量載波頻率IP核、紅外信號(hào)解調(diào)IP核、紅外編碼脈寬測(cè)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(shí)，通過I／O口中斷產(chǎn)生一個(gè)測(cè)量紅外載波頻率請(qǐng)求信號(hào)，此時(shí)“學(xué)習(xí)”指示燈亮。當(dāng)檢測(cè)到外部遙控紅外信號(hào)時(shí)，處理器通過Avalon總線調(diào)用等精度測(cè)量載波頻率IP核開始測(cè)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(chǔ)存到該家電紅外編碼FLASH載波頻率存儲(chǔ)區(qū)域。對(duì)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(hào)學(xué)習(xí)或發(fā)送階段。學(xué)習(xí)時(shí)，只需將家電遙控器發(fā)送窗對(duì)準(zhǔn)學(xué)習(xí)型遙控器的接收窗，發(fā)送紅外遙控信號(hào)。此時(shí)Nios軟核處理器會(huì)通過Avalon總線調(diào)用紅外信號(hào)解調(diào)IP核和紅外編碼脈寬測(cè)量IP核，完成紅外信號(hào)的解調(diào)和一幀完整編碼脈寬高低電平時(shí)間測(cè)量(此過程中處理的所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SDRAM中)。當(dāng)“學(xué)習(xí)”燈再次亮起，表示該信號(hào)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(hào)送到指定的該家電按鍵FLASH存儲(chǔ)區(qū)域；發(fā)送時(shí)，先選擇“家電”選擇鍵(即選定了載波頻率)，然后按下“功能鍵”時(shí)，NiosⅡ處理器會(huì)自動(dòng)調(diào)用FLASH存儲(chǔ)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(hào)還原。


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2 硬件電路設(shè)計(jì)
2. 1 主控制電路設(shè)計(jì)
    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(tái)，運(yùn)用Verilog HDL硬件描述語言設(shè)計(jì)等精度測(cè)量載波頻率IP核、紅外信號(hào)解調(diào)IP核、紅外編碼脈寬測(cè)量IP核和紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路，以實(shí)現(xiàn)載波的精確測(cè)量，紅外信號(hào)解調(diào)、脈寬測(cè)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(shí)也可以通過手動(dòng)按下復(fù)位鍵，使系統(tǒng)重新啟動(dòng)。時(shí)鐘是采用外部時(shí)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(jì)
2．2．1 按鍵與指示電路
    為了簡(jiǎn)化軟件程序，結(jié)合FPGA多I／O口的優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立按鍵方式，當(dāng)按鍵按下時(shí)，F(xiàn)PGA對(duì)應(yīng)的I／O口會(huì)檢測(cè)到低電平；按鍵彈起時(shí)，F(xiàn)PGA 對(duì)應(yīng)的I／O口會(huì)檢測(cè)到高電平。對(duì)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(gè)指示燈閃爍時(shí)，表示正在學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng)的家電遙控器或者是發(fā)送對(duì)應(yīng)的家電遙控信號(hào)。
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(cè)到紅外信號(hào)時(shí)，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(shí) IR_RECEIVE端檢測(cè)到高電平；當(dāng)檢測(cè)到紅外信號(hào)時(shí)，紅外接收二極管電阻較小，這時(shí)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(hào)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(shí)，經(jīng)過紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路調(diào)制后的紅外信號(hào)從FPGA I／O口16腳輸出，紅外信號(hào)通過三極管9014再次倒相放大后從集電極輸出，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管輻射出紅外調(diào)制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)紅外遙控信號(hào)的再生。紅外發(fā)送和接收電路如圖3所示。


2．2．3 存儲(chǔ)電路
    存儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)于SDRAM而言)。 NiosⅡ系統(tǒng)啟動(dòng)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(jì)
    當(dāng)系統(tǒng)上電后進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到學(xué)習(xí)鍵按下時(shí)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(cè)量控制字，通過A-valon總線調(diào)用頻率測(cè)量IP核對(duì)載波頻率進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量完成后，檢測(cè)到有啟動(dòng)解調(diào)控制字和測(cè)量脈寬控制字寫入，即開始對(duì)紅外信號(hào)解調(diào)同時(shí)對(duì)解調(diào)后的信號(hào)的脈寬進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量完成后，處理器會(huì)將數(shù)據(jù)寫入對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)域，完成本次學(xué)習(xí)過程。如圖4所示。還原信號(hào)時(shí)，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(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別按這三個(gè)遙控器的“電源”功能鍵，發(fā)送紅外遙控信號(hào)，它們對(duì)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(hào)，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(duì)學(xué)習(xí)型遙控器進(jìn)行功能仿真。首先建立一個(gè)工程，全部編譯通過后，然后對(duì)其功能和時(shí)序進(jìn)行仿真測(cè)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(hào)High_En和紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路輸出的信號(hào)IR_code的波形可看出，接收和發(fā)射的高低電平維持的時(shí)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(shí)也表明該遙控器可以精確地測(cè)量不同載波的紅外遙控信號(hào)，解決了單片機(jī)因時(shí)鐘頻率低而無法對(duì)載波頻率進(jìn)行測(cè)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(tái)，運(yùn)用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)等精度測(cè)量載波頻率IP核、紅外信號(hào)解調(diào)IP核、紅外編碼脈寬測(cè)量IP核和紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路，把載波的精確測(cè)量，紅外信號(hào)解調(diào)、脈寬測(cè)量和調(diào)制集中到Ahera FPGA系列Cyclone-EPICl2Q240C8器件上，極大地簡(jiǎn)化外圍硬件電路。實(shí)驗(yàn)表明，該遙控器解決了單片機(jī)因時(shí)鐘頻率低而無法對(duì)載波頻率進(jìn)行測(cè)量的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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。