红外遥控解码设计与验证VHDL

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#fpga #vhdl

本文介绍了一种红外遥控解码的设计与验证方法，基于VHDL编程，涉及NEC协议的解析。实验中使用Quartus ii 18.0和AC620开发板，通过检测特定时序来识别0/1数据，实现红外信号的解码。文中还详细描述了VHDL代码实现的状态机逻辑，并提供了仿真和板级验证的结果。

实验器材

Quartus ii 18.0
小梅哥AC620开发板
红外遥控器

实验背景

红外线遥控器利用波长为0.76μm ~ 1.5 μm 的近红外线来传送信号。红外线的特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。比如不同的电视遥控器只能控制对应的电视，这是因为不同的电视遥控器对应一个不同的地址。不同的家用电器有不同的编码方式，统称为红外遥控器编码传输协议，使用最多的为NEC协议。

实验原理

红外发射部分电路包括矩阵键盘，红外发光二极管，编码以及调制电路，这些都已经集成在红外遥控器上（遥控器示意图如下图所示）。接收部分包括光敏二极管，解调以及解码电路。在本实验中，我们仅需要对其输出的信号进行解码操作。
遥控

NEC协议

HT6221为Holtek公司生产的一款基于NEC红外通信协议的遥控编码芯片，采用Pulse Position Modulation(PPM)进行编码。HT6221芯片的红外遥控发送一次数据的数据帧定义如下图所示：一帧数据：帧头，16位地址码，8位数据码，8位数据反码以及1bit结束位（可忽略）组成。
数据帧

数据发送：

引导码由9ms高电平和4.5ms的低电平构成，代码一个数据帧的帧头；
地址码由16位地址构成，低8位在前，高8位在后（对于一个红外遥控器，地址为固定值）。所以NEC协议理论上能最多支持65536个不同的用户。
数据码由数据原码和数据反码构成（可以通过比较这两个8位数据检测数据接收是否正确）。所以理论上支持256种指令。

数据发送0/1：
数据发送1： 560μs高电平+1.69ms低电平
数据发送0： 560μs高电平+560μs低电平
0/1

数据接收：

对于数据接收端，接收到信号之后再输出的波形和输入端发送的波形反相。因此对于FPGA中接收端输出的波形为： 9ms低+4.5ms高 + 0.56ms 低+ 1.69ms高（1）/ 0.56ms高（0）。本模块就是检测此波形然后输出数据（由于红外传感器的品质不同，因此本模块的检测时间为一个区间范围）

接收01
当按键长按时输出的波形如下图所示，本模块只进行短按时数据波形设计。
long

VHDL代码实现

由于红外遥控器按键的时序和接收端不同，因此需要先对接收到的红外信号进行时钟同步（采用两级FF）：

process(clk,nrst)
begin
	if(nrst = '0')then
		IR_temp1	<= '0';
		IR_temp2	<= '0';
	elsif( rising_edge(clk)) then
		IR_temp1 <= iIR;
		IR_temp2	<= IR_temp1;
	end if;
end process;

对同步的输入信号进行边沿检测（和上面代码一致）：

process(clk,nrst)
begin
	if(nrst = '0')then
		edge_temp1	<= '0';
		edge_temp2	<= '0';
	elsif( rising_edge(clk)) then
		edge_temp1 <= IR_temp2;
		edge_temp2 <= edge_temp1;
	end if;
end process;

pose_edge <= (not edge_temp2) and edge_temp1;
fall_edge <= edge_temp2 and (not edge_temp1);

时钟计数器（用于9ms, 4.5ms, 1.69ms, 0.56ms的计数）

process(clk,nrst)
begin
	if(nrst = '0')then
		cnt <= 0;
	elsif(rising_edge(clk))then
		if(cnt_en = '1') then
			cnt <= cnt + 1;
		else
			cnt <= 0;
		end if;
	end if;
end process;

计数时间超时（当计数器的时间已经超过10ms说明出现错误）timeout标志信号

process(clk,nrst)
begin
	if(nrst = '0')then
		timeout <= '0';
	elsif(rising_edge(clk))then
		if(cnt > 500000) then			-- cnt >10 ms超时信号置1
			timeout <= '1';
		else
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【红外遥控器】基于FPGA的红外遥控verilog附代码及解析
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nec协议c语言代码,51单片机遥控接收器 红外NEC协议 代码有详细注释
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基于51单片机红外遥控解码与波形显示
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04-10 2185
1.显示遥控解码的编码。通过参数设置菜单设置，可最多显示6字节（48位）遥控编码数据。 2.可对大部分红外遥控发射芯片进行解码，解码方式及解码所用到的参数由菜单设置。程序内置15种编码型号的参数，只需选择型号。另外预留5种自定义供用户设置。（15种波形解码的参数，已在表1列出，其的型号的可参照表1进行设置）。 3.接收的红外波，可按比例缩放(可按键设置1~9 * 50us/象素点或10us/象素点，不足一象素点按一象素点显示)显示波形并可显示当前显示波段第一个周期波的时间，显示的起始波段可按键设置。
HT6221红外遥控解码设计
xxgyh
07-25 3052
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vhdl红外遥控
最新发布
10-24
<think>根据用户需求，需要提供使用VHDL实现红外遥控的方法和代码示例。参考站内引用，其中提到红外编码格式、接收头选择、FPGA硬件设计、时序分析等技术点。结合红外遥控的常见协议（如NEC协议），以下将分步骤说明实现方法并提供关键部分的VHDL代码示例。 ### 1. 红外遥控基本原理 红外遥控通常使用载波调制，常见载波频率为38kHz（NEC协议）。信号格式包含： - **引导码**：9ms高电平+4.5ms低电平（NEC协议） - **数据码**：32位（16位地址+16位命令），采用脉冲位置调制（PPM） - **重复码**：9ms高电平+2.25ms低电平（用于长按） ### 2. VHDL实现步骤 #### (1) 红外接收模块设计 - 使用红外接收头（如VS1838B）将38kHz载波解调为数字信号。 - FPGA通过GPIO引脚接收解调后的信号。 - 关键：检测下降沿作为数据起始标志。 #### (2) 状态机设计 定义状态机处理红外信号： ```vhdl type state_type is (IDLE, LEADER_CODE, DATA_BIT, REPEAT_CODE); signal current_state : state_type := IDLE; ``` 状态转移： - `IDLE`：等待下降沿，检测到后进入`LEADER_CODE`。 - `LEADER_CODE`：验证引导码时长（9ms高+4.5ms低）。 - `DATA_BIT`：接收32位数据（每位560μs低电平起始，后续高电平表示0/1）。 - `REPEAT_CODE`：处理重复码（长按情况）。 #### (3) 时序测量 使用计数器测量高低电平持续时间： ```vhdl signal counter : integer range 0 to 1000000 := 0; -- 假设时钟50MHz（20ns周期） process(clk) begin if rising_edge(clk) then if ir_signal = '1' then counter <= counter + 1; -- 计数高电平 else counter <= 0; -- 遇到低电平复位计数器（或根据状态处理） end if; end if; end process; ``` #### (4) 数据解码 在`DATA_BIT`状态下，每位的判定： - 560μs低电平后，高电平时长决定数值： - 560μs高电平 → 逻辑0 - 1.68ms高电平 → 逻辑1 ### 3. VHDL代码示例（关键部分） ```vhdl library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; use IEEE.NUMERIC_STD.ALL; entity ir_decoder is Port ( clk : in STD_LOGIC; -- 系统时钟（50MHz） ir_input : in STD_LOGIC; -- 红外接收头输入 data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0); -- 解码数据 valid : out STD_LOGIC -- 数据有效标志 ); end ir_decoder; architecture Behavioral of ir_decoder is type state_type is (IDLE, LEADER_HIGH, LEADER_LOW, DATA_BIT, REPEAT); signal state : state_type := IDLE; signal counter : integer := 0; signal bit_counter : integer range 0 to 31 := 0; signal shift_reg : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0) := (others => '0'); begin process(clk) begin if rising_edge(clk) then case state is when IDLE => valid <= '0'; if ir_input = '0' then -- 检测下降沿（实际需消抖） counter <= 0; state <= LEADER_HIGH; end if; when LEADER_HIGH => -- 测量引导码高电平 if ir_input = '1' then counter <= counter + 1; else -- 高电平结束，判断是否≈9ms（50MHz下450000计数） if counter > 400000 and counter < 500000 then counter <= 0; state <= LEADER_LOW; else state <= IDLE; -- 无效引导码 end if; end if; when LEADER_LOW => -- 测量引导码低电平 if ir_input = '0' then counter <= counter + 1; else -- 低电平结束，判断是否≈4.5ms（225000计数） if counter > 200000 and counter < 250000 then counter <= 0; bit_counter <= 31; -- 准备接收32位数据（高位先收） state <= DATA_BIT; else state <= IDLE; end if; end if; when DATA_BIT => if ir_input = '0' then counter <= 0; else counter <= counter + 1; end if; -- 检测低电平结束（数据位开始） if ir_input'event and ir_input = '1' then -- 根据高电平时长判断数据位 if counter > 28000 then -- 约1.68ms（84000计数） shift_reg(bit_counter) <= '1'; -- 逻辑1 else shift_reg(bit_counter) <= '0'; -- 逻辑0 end if; if bit_counter = 0 then data_out <= shift_reg; valid <= '1'; state <= IDLE; else bit_counter <= bit_counter - 1; end if; end if; -- 重复码处理省略... end case; end if; end process; end Behavioral; ``` ### 注意事项 1. **消抖处理**：红外信号需添加消抖逻辑（如连续检测到多次相同电平）。 2. **时钟频率适配**：计数器阈值需根据实际系统时钟调整（示例基于50MHz）。 3. **协议兼容性**：不同遥控器协议（如RC5、Sony）需修改状态机逻辑。 ### 测试建议 - 使用仿真工具（如ModelSim）模拟红外信号输入。 - 实际测试时用逻辑分析仪抓取时序。 §§相关问题§§ 1. 如何处理红外遥控信号中的干扰和误码？ 2. 如何扩展此解码器支持多种红外协议（如NEC、RC5）？ 3. VHDL实现中如何优化资源占用和功耗？ </think>以下是使用VHDL实现红外遥控解码的详细方法和代码示例，基于NEC协议（最常见的红外协议）： ### 一、实现原理 1. **NEC协议时序**（标准38kHz载波）： - **引导码**：9ms高电平 + 4.5ms低电平 - **数据位**：32位（地址码16位 + 命令码16位） - **逻辑0**：560μs低电平 + 560μs高电平 - **逻辑1**：560μs低电平 + 1.68ms高电平 - **重复码**：9ms高电平 + 2.25ms低电平（长按键）[^1] 2. **FPGA处理流程**： ```mermaid graph TD A[红外接收头] --> B[信号整形] B --> C[状态机解码] C --> D[数据校验] D --> E[输出按键值] ``` ### 二、VHDL核心代码示例 #### 1. 实体定义（Entity） ```vhdl library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; use IEEE.NUMERIC_STD.ALL; entity IR_Receiver is Port ( clk : in STD_LOGIC; -- 系统时钟（50MHz） ir_input : in STD_LOGIC; -- 红外信号输入 data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0); -- 32位解码数据 valid : out STD_LOGIC -- 数据有效标志 ); end IR_Receiver; ``` #### 2. 状态机架构（Architecture） ```vhdl architecture Behavioral of IR_Receiver is -- 状态定义 type state_type is ( IDLE, -- 空闲状态 LEADER_HIGH, -- 检测引导码高电平 LEADER_LOW, -- 检测引导码低电平 DATA_BIT, -- 数据位处理 REPEAT -- 重复码处理 ); signal state : state_type := IDLE; signal counter : integer := 0; -- 时钟计数器 signal bit_index : integer := 0; -- 当前数据位索引 signal data_reg : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0) := (others => '0'); -- 时间常数（50MHz时钟） constant LEADER_HIGH_MIN : integer := 450000; -- 9ms (9000us) constant LEADER_HIGH_MAX : integer := 500000; -- 容差范围 constant LEADER_LOW_MIN : integer := 225000; -- 4.5ms (4500us) begin process(clk) begin if rising_edge(clk) then case state is -- 状态1：等待引导码 when IDLE => valid <= '0'; if ir_input = '0' then -- 检测下降沿 counter <= 0; state <= LEADER_HIGH; end if; -- 状态2：测量引导码高电平 when LEADER_HIGH => counter <= counter + 1; if ir_input = '1' then if counter > LEADER_HIGH_MIN and counter < LEADER_HIGH_MAX then counter <= 0; state <= LEADER_LOW; else state <= IDLE; -- 无效引导码 end if; end if; -- 状态3：测量引导码低电平 when LEADER_LOW => counter <= counter + 1; if ir_input = '0' then if counter > LEADER_LOW_MIN then counter <= 0; bit_index <= 31; -- 准备接收32位数据（高位先收） state <= DATA_BIT; else state <= IDLE; end if; end if; -- 状态4：数据位解码 when DATA_BIT => if ir_input = '1' then counter <= counter + 1; else -- 根据高电平时长判断逻辑值 if counter > 28000 then -- 1.68ms (逻辑1) data_reg(bit_index) <= '1'; else -- 560μs (逻辑0) data_reg(bit_index) <= '0'; end if; if bit_index > 0 then bit_index <= bit_index - 1; counter <= 0; else valid <= '1'; data_out <= data_reg; state <= IDLE; -- 返回空闲状态 end if; end if; when others => state <= IDLE; end case; end if; end process; end Behavioral; ``` ### 三、关键实现技术 1. **时序精度控制**： - 使用系统时钟计数器测量脉冲宽度 - 添加±10%容差范围应对信号抖动[^1] 2. **错误处理机制**： ```vhdl -- 在DATA_BIT状态添加超时检测 if counter > 33600 then -- >1.8ms (超时阈值) state <= IDLE; -- 复位状态机 end if; ``` 3. **重复码处理扩展**： ```vhdl -- 检测重复码（长按键） when REPEAT => if counter > 112500 then -- 2.25ms valid <= '1'; -- 重复上一次有效数据 state <= IDLE; end if; ``` ### 四、实际应用优化 1. **消抖处理**： ```vhdl -- 添加消抖滤波器 signal filter_reg : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := (others => '1'); signal clean_ir : STD_LOGIC; begin clean_ir <= '1' when filter_reg = "11111111" else '0'; process(clk) begin if rising_edge(clk) then filter_reg <= filter_reg(6 downto 0) & ir_input; end if; end process; ``` 2. **多设备支持**： - 通过地址码区分设备：`data_out(31 downto 16)`为设备地址 - 可配置地址掩码实现多设备控制[^2] ### 五、测试验证方法 1. **仿真测试序列**： ```vhdl -- 生成测试信号（发送按键0x00FF） ir_input <= '1', '0' after 10 ms, -- 引导码高 '1' after 19 ms, -- 引导码低 '0' after 23.5 ms; -- 数据位开始... ```
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