红外遥控的基本原理及其在手机上的应用.doc

红外遥控的基本原理及其在手机上的应用红外遥控的基本原理及其在手机上的应用摘要红外遥控由于其操作简单、功耗低、成本低，广泛应用于大多数遥控器当中，目前也逐渐有使用手机作为红外遥控器的趋势。为更好地了解手机红外遥控技术，首先从红外传感器选择、信号的调制与解调、编码与解码以及红外线信号传输协议四个方面阐述介绍了传统红外遥控系统的原理，再进一步介绍了超声波遥控和蓝牙遥控的原理及特点，与红外遥控作比较，分析讨论红外遥控的优点和缺点。最后通过四个实例，对目前主流的几个实现手机红外遥控的方法进行介绍，可见各个技术方法均有优缺点，距离推广到市场上广泛使用，仍需要一定改进和革新。关键字：红外遥控，编码，传输协议，手机ABSTRACTBecause of the simple operation, low power consumption and low cost, the technology of infrared remote control applied on most of telecontroller. Besides, there is a tendency that mobile phone is used as infrared remote control. In order to know more knowledge about the technology of infrared remote control, firstly, the theory of infrared remote control system has been introduced from four aspects, including the choice of infrared sensors, modulation and demodulation, encoding and decoding, and the transport protocols. Secondly, the theory of ultrasonic remote control and Bluetooth remote control have been introduced, and then compared with infrared remote control to analyze the advantages and disadvantages. Finally, after introducing for example about applying infrared remote control on mobile phone, it is clear that although each one has their characteristics, it still exists some problem. Therefore, more improvements and innovations are necessary before spreading to market.Key Words: Infrared remote control，Encoding，Transport protocols, Mobile phone1. 绪论 1.1 研究背景和意义红外遥控，顾名思义是一种以红外线为媒介的遥控技术。红外线是一种电磁波，作为信息载体能够实现数据的传输。所利用的红外光波段属于近红外线，波长在0.75m-25m，波长较短，因而对障碍物的衍射能力较差，所以红外遥控最适合于短距离通讯场合。由于红外遥控不需要实体连线，操作简单且实现的成本较低，并且具有抗干扰能力强、传输信息可靠性高、功耗低等优点，在家电和各种电子产品当中如笔记本电脑、手机、电视机、空调等得到广泛的应用。虽然遥控器究竟是什么时候发明的，并没有任何历史文献资料记录。不过为人所知的比较古老的一个遥控器，是由一位名叫尼古拉特斯拉（1856-1943）的物理学家发明的，他曾经在大发明家爱迪生手下工作，也是一名能力不亚于爱迪生的发明家。在1898年，他命名该遥控器为“Method of and Apparatus for Controlling Mechanism of Moving Vehicle or Vehicles”。实际上，红外遥控术最初只是应用在军事上，直到20世纪60年代初，部分发达国家才开始研究遥控技术在民用产品上的应用，不过发展仍然很缓慢1。大概十多年后，即20世纪70年代末，由于计算机技术及大规模集成电路的迅速发展，使遥控技术也得以迅速发展，从最初的军事领域，开始逐渐延伸到消防、电力、医疗、建筑、等领域。遥控技术的发展历程，若以遥控方式来区分，大致上经历从有线到无线、从振动子到红外线、然后是使用总线的微机红外遥控等几个主要阶段。无论是哪种遥控技术，哪种遥控方式，遥控的最终目的还是把信号进行无误差传输，从而达到所需要的控制效果。电磁波是最早的用来进行无线传输信号的媒介，可是电磁波是相当容易受干扰，而自身也会对周围产生干扰，容易导致信号产生误差，为了改进这一缺点，遥控技术逐渐使用超声波或红外线作为媒介来传输信号。然而超声波作为媒介也有自身的缺点，能够携带的信号较少，一旦受到干扰极容易产生错误动作。因此随着遥控技术的发展，光控已成为主流，红外遥控逐渐取代超声波遥控，并且出现了红外线多功能遥控器。近年来，红外遥控技术已经得到了迅猛的发展，特别是在家电和电子领域得到广泛的应用。随着智能手机、智能家居系统的发展和普及，红外遥控技术开始不再局限于一个固有的遥控器上，而是结合当今的计算机技术，把红外遥控技术应用于智能手机上，使智能手机具有红外遥控的功能，为人们的生活提供更多的便利。1.2 本论文的内容介绍本文共分为五章，具体内容结构安排如下：第一章介绍了红外遥控的诞生背景和发展历程，并且突出了红外遥控优点；然后阐述了当今手机红外遥控技术的现状及研究意义。第二章从红外传感器的选择、信号的调制与解调、编码与解码以及红外线信号协议四部分阐述红外遥控的基本原理第三章介绍了超声波遥控和蓝牙遥控的基本原理和特点，并且与红外遥控作比较。第四章通过四个实例阐述了目前手机红外遥控技术的方法，并对其特点进行分析讨论。第五章为对本文研究内容的总结。2. 红外遥控特点2.1 红外线特性早在17世纪，著名的物理学家艾萨克牛顿就利用分光棱镜把太阳光（白光）分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七色光，因而总结出白光是一种复合光，同时也为后来发现红外线奠定了理论基础。直到19世纪，一名德国天文学家赫胥尔在实验中参考了牛顿的方法，利用分光棱镜把太阳光分为七色光谱，并用温度计对每种颜色的温度进行测量，与周围环境温度相比较。因此在实验中，每种颜色及其附近都会放上温度计，达到对比作用。结果赫胥尔在实验中发现，红色光外一处的温度计比室内其他的温度都要高，为了防止这是误差导致的现象，他又重复做了几次相同的实验，也得到同样的结果，因而他推断红光外存在一种不可见的辐射，称之为“热线”。赫胥尔所发现的“热线”就是我们现在所说的红外线，其实所谓的不可见是相对而言的，红外线由于不在人眼的可见辐射频带内，因而不可见，而对于某些其他生物是可见的，比如蛇，则对红外线相当敏感，因此在夜间，蛇可以通过其他生物发出的红外线进行捕猎。由电磁波谱可知，红外线波段介于可见光和微波波段之间，约0.751000m，由于位于红光之外，因而称为红外光或红外线2。通常为了研究不同波长红外的性质，根据波长分为近红外（36m）、中红外（615m）、远红外（615m）、极远红外（151000m），如表2.1。由于红外线波段位置的特殊，兼具了可见光和微波的特性。近红外处具有与可见光相同的特性，如直射、反射、折射、衍射等，还可以被某些物质吸收，而远红外区则具有较强的穿透能力。红外辐射（红外线）是自然界中普遍存在的现象，凡是温度高于绝对零度的物体，其表面便会不断辐射红外线。正因为红外线这些特点，只要选择相应的物质或器件，便能够对红外线进行发射和接收，从而为红外遥控技术奠定物理基础。2.2 红外遥控的基本原理2.2.1 红外传感器的选择在红外遥控系统中，有两个关键的红外传感器，即红外发射器和红外接收器3。实际上，红外遥控中常用的光源为近红外线，这是与红外发射器及接收器的选择有关，理由如下：（1）红外遥控系统中，接收器部分一般选择光电二极管、光电三极管，由于这些器件的材料大都采用硅半导体材料，因此其接收峰值波长为780-1550nm，即这些管子对该波长范围的红外光的探测灵敏度最高，而近红外线的波长范围为750-3000nm，因此使用近红外线作为光源时探测灵敏度最高4。（2）红外光发射器件（红外发光二极管）的发射波长范围为880-1700nm，由此可见该范围与光电接收器件的峰值波长相匹配，从而使探测的灵敏度更高，工作效率更高。 由上述可知，目前红外发射器主要为红外发光二极管，红外接收器主要为光电二极管和光电三极管，因此围绕这三类管子对红外遥控系统中传感器的作用进行介绍。1）红外发光二极管红外遥控系统中，一般采用红外发光二极管作为红外光源。红外发光二极管无论是外型还是发光原理都跟发光二极管LED很接近，是具有PN结的注入电流型发光器件，在加上合适的偏置电压后，可以发出一定波长的近红外线。由PN结特性可知，二极管发光必须使两端的电压大于或等于管压降5。红外发光二极管也有一个管压降参数，约为1.4V，而工作电流则一般低于20mA。常见的红外发光二极管以功率来区分，可分为小功率（1mW-10mW）、中功率（20mW-50mW）和大功率（50mW-100mW以上）三类。红外发光二极管是一种电流驱动器件，其发光强度与驱动电流大小有关，因此电流驱动方式显得相当重要6。根据电流驱动方式主要可分为：（1）恒定直流电流驱动方式：也称为平均发射方式，顾名思义，这是使用直流电源直接驱动二极管，因而红外发光二极管发出的也是光强恒定的光。但由于红外发光二极管的功率普遍较小，直流驱动下功耗很大，即功率转换效率很低，并且抗干扰性较差。该方式下红外发光二极管驱动电流情况如图2.1所示。（2）脉冲直流电流驱动方式：驱动电压为脉冲电压，因此红外发光二极管的驱动电流也为脉冲电流，从而发出一定占空比的脉冲信号。如图2.2所示。图2.2 红外光功率脉冲发射方式图由于该红外发光二极管是用于红外遥控，因此红外光的有效传输距离是衡量该红外遥控系统好坏的重要标准之一。红外光的传输距离是跟驱动峰值功率成正比的，而该峰值功率与驱动峰值电流成正比，因此为了增大红外光的传输距离，必须考虑提高驱动峰值电流。实际使用中，在平均功率不变的前提下，可以保持周期T不变，把脉冲顶部宽度缩减，从而提升峰值电流。在实际应用中，综合考虑到电源消耗，红外发光二极管使用寿命、遥控距离等因素后，可知红外发光二极管采用脉冲直流电流驱动方式优于恒定直流电流驱动方式。其实除了这些因素外，选用脉冲直流电流驱动方式还有另外的好处，那就是大大提高了红外遥控系统的抗干扰性。这是因为红外遥控的环境中一般存在其他灯光或者日光，而使用脉冲直流电流驱动方式时发出的是脉冲红外光，具有一定固定的频率，因此只需要在红外接收端利用滤波电路，便可轻易滤掉干扰的杂散光，确保了红外遥控系统工作时的稳定性。2）光电二极管光电二极管与一般发光二极管的结构类似，也是具有PN结。在性质上，也是具有单向导电性，但功能上与普通的二极管不同，既不是用于发光照明，也不是用于整流，而是利用PN结的结构，接收入射光，把光信号转化为电信号。为了更好地接收入射光，光电二极管的PN结面积做的比一般二极管要大。光电二极管的工作原理也比较特别，一般二极管工作时两端都是加上正向电压导通，而光电二极管则相反，在两端加上反向电压，因此在平常处于非导通状态，仅有很微弱的反向电流，成为暗电流。当有光照到PN结上，吸收能量后，共价键中被束缚的电子形成空穴电子对，即光生载流子。光强越强，产生的光生载流子越多，产生的反向电流越大，若反向电流经过一负载，则转换成电信号，且该电信号随着光的变化而变化，因而整个过程完成了光电转换。3）光电三极管光电三极管与普通晶体管的结构类似，也是具有基极、集电极、发射极。一般采用硅材料制作，这是由于用该材料制作的原件会具有较小的暗电流和温度系数。在结构上，吸收光线主要发生在基区，之后的物理过程与光电二极管类似，吸收光能量后产生大量载流子，电子趋向集电区，空穴趋向发射区，随着空穴积累使发射区势垒降低，相当于加上正向电压导通，引起约倍的电流增益（与普通三极管一样），在相应电路外加负载即可转换为电信号。常见的光电二极管、光电三极管的红外光电转换电路如图2.3所示。图2.3 常见的红外光电转换电路2.2.2 信号的调制与解调红外遥控系统中，最关键的就是控制指令，因此要把指令正确发送到接收器上尤为重要。调制过程正是用于把这些控制指令（编码）调制到载波上再发送到接收器上，提高抗干扰性7-8。不过实际上，调制和解调并非必须的，这与红外遥控系统产生和区分控制指令的方式有关，常用的方式有频分制和码分制9。频分制红外遥控系统是指电路产生不同频率的电信号代表不同的指令信号，其系统框图如图2.4所示。因此按下不同按键时，指令信号产生电路便会产生不同频率的电信号，频率范围一般为几百Hz到几十KHz，由于采用这种方式时，指令信号直接驱动红外发光二极管产生的红外光具有较高的抗干扰性，因此一般情况下不需要调制和解调。但是采用频分制的红外遥控系统也有缺点，由于每多一个指令信号，接收系统便需要多一个选频电路，因此当通道数比较多时，红外遥控系统就会变得更加庞大和复杂，另外通道间也会产生干扰。因此，目前红外遥控系统比较多使用的是码分制。 图2.4 频分制红外遥控系统框图码分制红外遥控系统是指电路产生不同的脉冲数目及组合（脉冲编码）来代表不同的指令，如图2.5所示。因此按下不同键时，指令信号产生电路便会产生不同脉冲编码的指令信号，该过程也可称为编码。由于码分制系统产生的脉冲编码频率较低，若直接驱动红外发光二极管，则发出的红外光极容易受到干扰，因此码分制系统工作过程中必须加入调制和解调的步骤。目前常用的方法是把脉冲编码调制到38KHz的载波上，再驱动红外发光二极管，这样发出的红外光信号抗干扰能力更强。图2.5 码分制红外遥控系统框图由于红外遥控系统的红外线信号发送端发出的是经调制的信号，在接收端必然需要有解调的专用电路。在实际应用中，接收端一般是使用一体化红外线接收头，这种接收头包括红外检测二极管（光电二极管）、前置放大器、限幅器、带通滤波器、解调器等，由于该种接收头体积小，使用灵活方便，功能强大，抗干扰性强，因此在红外遥控系统中广泛应用。一体化红外线接收头实物图如图2.6所示。图2.6 一体化红外线接收头2.2.3 编码与解码1）编码在码分制红外遥控系统中，由指令信号电路产生的便称为编码。这些编码是一连串二进制码，因此编码方式就是说明如何用“空号”和“传号”来表示二进制中的“0”和“1”。目前主要有三种编码方式，分别为频率调制（FM）、脉冲宽度调制（PWM）和脉冲位置调制（PPM）10-11。（1）频率调制（FM）频率调制是指用不同频率的脉冲信号分别表示二进制的“0”和“1”，如图2.7所示。图2.7 频率调制（2）脉冲宽度调制（PWM）脉冲宽度调制是指用不同传号宽度的脉冲信号来表示二进制的“0”和“1”，空号宽度保持一致。如图2.8所示。图2.8 脉冲宽度调制（3）脉冲位置调制（PPM）脉冲位置调制是指在周期不变的前提下，通过改变传号脉冲的位置来表示二进制的“0”和“1”。如图2.9所示，当传号在后、空号在前，则表示“0”，当传号在前、空号在后则表示“1”。图2.9 脉冲位置调制一般我们习惯性地把调制和编码两部分合在一起，称为脉码调制。2）解码与编码步骤所对应的便是解码。解码一般有两种主要的方式，硬件解码和软件解码12。在红外遥控系统中，到底选用哪种方式，是与编码的产生方式有很密切的关系。根据编码的产生方式，主要可以分为专用芯片编码和自定义编码这两种方式。专用芯片编码方式，有规定的调制方式和帧结构，硬件解码或软件解码都可以实现解码；自定义编码方式，调制方式和帧结构都是由个人定义，因此使用软件解码更好13。硬件解码和软件解码的具体特点如下：（1）硬件解码所谓硬件解码，是指在红外遥控系统的接收电路主要利用一些数字IC和外围元件对信号进行解码。一般接收电路包括前置放大器、限幅放大器、滤波器、检波器、积分器、整形电路等主要模块。利用红外光电二极管（或光电三极管）进行信号接收，经过上述的模块，限幅放大、滤波、检波、积分、整形后形成一串二进制的信号编码。在简单的方案中，外围电路再加上定时器、移位寄存器、锁存器等模块即可进行硬件解码。由于硬件解码更多的是利用专用的解码芯片，而这种专用的解码芯片通常与配对的专用编码芯片一起使用，根据编码与解码的功能主要分类以下三类：a）地址加密及控制数据的编码与解码器：这种编码与解码器的功能最为强大，除了具有地址加密功能外，还具有控制数据功能，因此适用于安防、工业等对控制性、保密性和可靠性很依赖的场合。b）地址加密编码与解码器：这种电路不具有控制数据功能，仅有地址加密功能，因此适用于对保密性比较高、对控制要求比较低的场合，如简单的开关等。c）控制数据的编码与解码器：这种电路不具有地址加密功能，只有控制数据的功能，因此适用于安全性需求不高的场合，或者是一个封闭的场所，红外遥控系统的接收端不会受到其他信号源的影响。总而言之，使用配对的硬件编码解码芯片简便可靠。可是硬件解码也有它的缺点，相比软件解码，硬件成本更加高，硬件电路也更加复杂。另外，当红外遥控系统需求变更或者改进时，编码方式很有可能随之改动，导致硬件也要进行相应的改动，非常不便利。（2）软件解码软件解码在使用上比硬件解码更为广泛，无论是专用芯片的编码还是自定义编码，都可以用来进行解码14-15。软件解码与硬件解码最大的区别在于，解码电路大大简化，而且要利用如单片机这种MCU进行编程解码。软件解码的一种较简单的电路框图如图2.10所示。图2.10 软件解码下的硬件连接图软件解码的具体方式很多，但是普遍的解码原理还是相通的，下面以使用专门编码芯片为例介绍。由前文可知道，红外遥控系统发射器的基本发射过程，是根据指令键的输入，指令信号产生电路产生编码，经调制后驱动红外发光二极管发出信号。其实这里面的编码并非简单的数据码，而是具有一定的格式，确保发送和接收两端正确接收信息，一般称之为信号协议。对某一确定的信号协议，一般有确定的编码方式。因此在软件解码前，必须清楚需要解码的是什么信号协议，对应的编码方式，从而得知脉冲波形表示二进制“0”和“1”的形式，然后用逻辑分析仪采集每个按键的波形，使MCU获取每个按键的编码值。接下来就是具体进行软件解码，其方法主要是使用扫描的方式，MCU对接收到的波形进行快速扫描，根据结果分析出编码值16。识别编码的过程有四个关键点：a）确定MCU的扫描周期。对于一般的信号协议，整个帧结构主要包括引导码、系统码、数据码等三部分，通过分析波形和参数其实是可以知道整个帧的总时长，再计算出数据位的平均时长，便可以控制扫描周期确保正确还原信号。b）判别二进制“0”和“1”。以PPM（脉冲位置调制）为例，“0”的波形为空号在前，传号在后，即在相邻两次扫描中，波形从低到高则认定为数据“0”；同样的，由于“1”的波形为空号在后，传号在前，在相邻两次扫描中，波形从高到低则认定为数据“1”。c）识别数据内的跳变。这一点与第二关键点有关，如上所述如要识别数据“0”，则要判别出数据位波形是否从低到高。但由于两个数据位间还会产生跳变，因此软件编程中相应要设置两个变量，一个为变化识别位，一个为数据有效位，仅当两个位都为1时，MCU才识别判决数据为0还是1，否则不进行判定识别。d）识别整个数据的结束。这个可以通过扫描中不断计数来判别。假设整个数据共14位，时长为23ms，扫描周期为1ms，每一次扫描波形没变化时计数器加一，则当计数器为25时，说明至少25ms内波形没变化，则可判别为整个数据已结束。软件解码时，外部的硬件连接方式并不唯一，图2-10只是其中一种比较简单的方式。除了上述四个关键点外，还应该注意MCU的扫描周期也不易太短，因为实际应用中该MCU还可以应用于其他模块的控制，扫描周期太短会导致占用MCU过多的资源，因此需要选择适当的扫描周期。硬件解码和软件解码的优缺点如下表2.2所示（硬件解码以专用芯片解码为主）。总而言之，当系统的指令更为复杂时，软件解码和硬件解码相比，优点更加明显，成本更低，灵活性也更强。表2.2 硬件解码和软件解码优缺点对比2.2.4 红外线信号传输协议红外遥控系统中，传输的二进制信号“0”和“1”需要以一定的编码方式进行编码，然后经过调制再用来驱动红外发光二极管。这里面信号的传输需要按照一定的“规则”，我们称之为信号传输协议，它规定了编码方式、载波频率和帧结构（数据传输格式），确保发送端和接收端间能够准确传输信号。目前还没有统一的传输协议，各大厂家都有各自定义的传输协议，常用的传输协议有：ITT协议、Nokia NRC17协议、Sharp协议和NEC协议17。具体特性及原理如下：1）ITT协议ITT协议可以称为最古老的红外遥控系统协议，它与其他常用的协议有所不同，那就是它并没有规定载波频率，即编码后不需要调制到载波上进行传输信号。它是用14个脉冲宽度为10s的脉冲信号进行遥控信号的传输，通过改变脉冲周期对遥控指令进行编码。ITT协议传输数据的可靠性很高，功耗也很低，可是由于并非通过载波进行信号传输，抗干扰性较差。ITT协议对于二进制“0”和“1”的编码方式如图2.11所示。ITT编码是用三个脉冲周期不同，脉冲宽度都为10s的波形表示不同的含义。脉冲周期为100s的表示二进制“0”，200s表示二进制的“1”，300s则表示停止脉冲和引导脉冲。图2.11 ITT协议编码图2.12为ITT协议的帧结构（数据传输格式）。开始的引导脉冲是为了让红外遥控系统的接收端设置适当的放大器增益，引导脉冲300s后是起始脉冲，周期为100s，即二进制的“0”，用于接收端的时间校准。然后是4位的系统码和6位的数据码（指令码），数据码后紧接着一个尾脉冲，经引出延时300s后是停止脉冲。图2.12 ITT协议数据传输格式红外遥控系统接收端可从两个主要方面来检验接收到的信息的有效性：（1）起始脉冲周期为100s的前提下，引出延时为起始脉冲周期的三倍。（2）“0”的空号时长误差不超过起始脉冲的20%，“1”的空号时长为起始脉冲空号时长的两倍。除此之外，若尾脉冲到结束脉冲之间的延时超过360s（标准为300s），则判定为信号中断或者没有信号传输。解码则是从起始脉冲开始。由上图可见控制信息部分为四位地址码（系统码）和六位命令码（数据码），地址范围为015，命令范围为063。地址分成07和158两组，后一组为前一组的反码。按键第一次发出信息时，使用低位07的地址，若是一直按着不放，后续的控制信息中系统码就会使用高位158，因此接收端可以选择拒绝接收。直到释放按键为止之前，每隔130ms重复发送控制信息。2）Nokia NRC17协议Nokia NRC17协议是Nokia公司为消费类电子产品所设计的红外遥控通信协议，该协议每条信息以17位信号来传送命令，因此称为NRC17。该协议的编码方式采用脉冲位置调制（PPM），载波频率为38KHz，占空比为1/4。如图2.13所示为逻辑“1”和逻辑“0”的格式示意图，传号和空号时长各为500s，每个逻辑二进制数时长则都为1ms。图2.13 逻辑二进制数格式示意图Nokia NRC17协议传输的每条信息的格式中，第一个脉冲用于使接收端调整前置放大器到适当的增益，称为预备脉冲（0.5ms传号和2.5ms空号），然后紧接着是一个恒为“1”的起始位，后面是八位命令码（低位在前）、四位地址码（低位在前）和四位子码。如图2.14为Nokia NRC17协议每条信息的传输格式，由图可知命令码为CDH、地址码为4H、子码为3H。由前面可知，编码方式为PPM，因此每条信息的时长是固定的，为20ms。图2.14 Nokia NRC17协议传输格式该协议规定当某个键按下时，并非立刻发送该键对应的信息编码，而是先发送一条起始信息，而且该起始信息固定格式为：命令码为FEH，地址码加上子码组合为FFH，时长为40ms，然后再开始不断重复发送该键对应的键命令、地址码和子码，每次时长为100ms，直到松开键时，再发送一条停止信息，也是固定为：命令码为FEH，地址码加上子码组合为FFH，时长为20ms。由于键的信息一直重复发送，因此接收端可以通过对比相同信息，从而校验信息的有效性。图2.15为按下某键期间信息的发送状况。图2.15 按下某键期间信息的发送状况3）Sharp协议Sharp协议是夏普公司为其VCR产品而发明的。该协议定义：载波频率为38KHz，占空比建议为1/3或1/4，使用的编码方式为脉冲宽度调制（PWM），传号时间固定为320s，脉冲周期为1ms或2ms，其中逻辑“1”的脉冲周期为2ms，逻辑“0”的脉冲周期为1ms，逻辑“0”和“1”的脉冲波形如图2.16所示。图2.16 逻辑“0”和“1”的脉冲波形如图2.17为Sharp协议的数据传输格式。五位地址码（低位在前），八位命令码（低位在前），紧接着的是扩展位和检测位，分别固定用逻辑“1”和“0”来表示，最后以一个时长为320s的尾脉冲作为结束。图中地址码为02H，命令码为07H。图2.17 Sharp协议的数据传输格式为了确保接收端收到的信息的有效性，Sharp协议规定每个遥控命令由两条信息组成，两条信息的发送间隔为40ms，两条信息的地址码完全相同，区别在于后一条信息的命令码、扩展位和检测位为前一条信息的反码，因此接收端可以通过校验这两条信息来判断数据的有效性。4）NEC协议NEC协议是红外遥控系统中最为常用的信号传输协议。该协议定义：载波频率为38KHz，占空比建议为1/3或1/4，使用的编码方式为脉冲宽度调制（PWM），脉冲宽度为560s，脉冲周期为2.25ms或1.12ms,其中逻辑“1”的脉冲周期为2.25ms，逻辑“0”的脉冲周期为1.12ms，如图2.18所示为逻辑“1”和“0”的脉冲波形示意图。图2.18 NEC协议中逻辑“1”和“0”的脉冲波形示意图如图2.19为NEC协议的数据传输格式。先是一个9ms传号加上4.5ms空号的引导码，与其他协议的引导码功能类似，也是起着自动调整增益的作用。紧接着是八位地址码（用户码）和八位地址码的反码，然后是八位数据码和八位数据码的反码，最后是时长为560s的尾脉冲。地址码和数据码都为低位在前，高位在后，图中地址码为78H，数据码为55H。不难看出，NEC协议的一条信息的位数比一般协议的位数都要多，如此多的位数并非冗余，而是起着重要的校验作用。由于每传送一条信息，地址码和命令码的原码和反码都一起发送，因此接收端通过分别对比地址码和数据码的原码与反码，若十六位地址码或十六位数据码的前八位和后八位不是反码关系，则判定该数据无效。图2.19 NEC协议的数据传输格式上文说到，NEC协议的地址码为八位地址原码+八位地址反码。在实际应用中，并非只有这种方式，使用NEC协议的红外发射芯片一般有两种地址编码格式，除了上述方式，还有八位地址原码+八位地址原码这种方式，这两种并没有优劣之分，仅仅是对应的外部硬件电路的连接方式有所区别。根据NEC协议的规定，当按下按键，发送端只发送一次命令信息，若按键一直不释放，则每隔108ms发送一个重复码。重复码由引导码脉冲波形（9ms脉宽和2.25ms空号）与560s脉冲组合而成。如图2.20为按键不释放期间信息发送状况。图2.20 NEC协议下按键不释放期间信息发送状况3. 其他类型遥控与红外遥控的比较3.1 超声波遥控3.1.1 超声波特点人类耳朵能够听到的声音频率范围为20Hz到20KHz，换而言之，频率低于20Hz和高于20KHz的声音，人类是听不到的，因此把这些声音中高于20KHz的称为超声波。其实对于超声波，人类虽然是听不到，但是自然界有某些动物是能够感知到的，比如蝙蝠、蛇等。蝙蝠自身虽然没有眼睛，但是能够发出超声波探测周围环境及猎食。平时的风声和海浪声中，实质上也包含了人类所听不到的超声波。超声波与红外线光波不同，是一种机械波，能够在固体、液体、气体中传播。红外线光波属于电磁波，其传播速度约为3*108m/s，而超声波则跟普通声波的传播速度一样，在空气中传播速度为340m/s，很明显比红外线的传播速度慢得多，但是超声波还有其他自身的特性支撑其应用于遥控系统中：（1）由于超声波的频率均为20KHz以上，频率很高（波长很短），而且能量相对集中，因此可以把超声波看作光波一样，能够向着一定的方向传播。（2）超声波虽然振幅较小，加速度却很大，可以产生较大的力量。（3）当超声波从一种介质传播到另一种介质时，绝大部分的能量都会被反射回来。正是由于这些特性，使得以超声波作为介质的遥控系统成为可能。3.1.2 超声波传感器超声波传感器是超声波遥控系统中十分重要的器件，在发射端起着把电信号转化为超声波向外辐射的作用，在接收端则把接收到的超声波信号转化为电信号。因此总的来说，超声波传感器起着能量转换的桥梁作用。一般来说，超声波传感器都是采用双压电陶瓷晶片为主要材料制成的。这种材料价格便宜，十分适用于液体和气体介质中。当在压电陶瓷晶片两端加上方向和大小不断变化的电压（交流电压）时，则会产生压电效应，使压电陶瓷晶片发生机械变形，变形的大小和方向是与外部施加电压的大小和方向成正比关系的。换而言之，当施加频率为f0的交流电压于压电陶瓷晶片的两端时，它就会产生频率为f0的机械振动，而这种机械振动推动着周围的空气，则会发出声波。因此只要选取适当的交流电压频率，便可以使压电陶瓷晶片产生超声波相应的机械振动，推动着空气产生超声波。另外，当有超声波作用在压电陶瓷晶片上时，它也会产生机械变形，使压电陶瓷晶片产生与超声波相同频率的电信号。双压电陶瓷晶片如图3.1所示，当在AB间加上交流电压时，若极化方向与上方电场方向相同，下方的方向则会相反，从而产生上下方一伸一缩的效果，因此形成超声波振荡。图3.1 双压电陶瓷晶片实际应用中，加在压电陶瓷晶片两端的交流电压，其频率并非随意的，这是因为压电陶瓷晶片自身有固定的谐振频率，也称为中心频率f0。这个频率关系着超声波传感器的灵敏度，因此为了使它有较高的灵敏度，对于遥控系统的发送端，加在压电陶瓷两端的交流电压的频率f，必须尽可能的与压电陶瓷中心频率f0一致；对于接收端，作用在压电陶瓷上的超声波频率也必须尽可能与中心频率f0一致。一般情况下，当其他压电材料不变时，压电陶瓷可以通过改变其几何尺寸来实现固有谐振频率的改变。由于这一特性，可以制作各种频率不同的超声波传感器。目前在遥控系统中，常用中心频率为40KHz的超声波传感器。3.1.3 超声波遥控原理及其与红外遥控的对比虽然超声波的频率为20KHz以上，但在遥控系统中常用的超声波传感器中心频率为40KHz，这是由于频率选得太低时，外部环境杂音干扰较多；频率若选取太高，传播过程中衰减会很大。因此频率选取40KHz更为适合。由于超声波的传播具有方向性，因此超声波遥控系统也是具有方向性的。另外由超声波的特性可知，超声波在两种不同介质中传播会产生反射，这一特性使超声波遥控系统可以通过反射作用进行控制。这些特性是与红外遥控系统类似的。超声波遥控系统的遥控距离一般为几米到几十米，因此适用于室内遥控。这也是与红外遥控系统相类似的，也是短距离的遥控方式。无论是发送端还是接收端，超声波传感器都有固有频率，因此超声波遥控系统中可以省略选频模块，也能具备较高的抗干扰能力。也正因为这个特性，使频分制的多通道超声波遥控系统不易实现，因此较多的是使用码分制多通道超声波遥控系统。超声波遥控系统与红外遥控系统是十分类似的，仅仅是能量转换方式上有所区别，其他的部分如调制与解调电路、编码与解码电路都是相同的18。如图3.2所示为单通道超声波遥控系统的原理框图，该电路的发射端一般由超声波信号振荡器（与超声波发射传感器中心频率一致）、驱动电路、超声波发射传感器构成；接收端主要由超声波接收传感器（与超声波发射传感器中心频率一致）、前置放大器、驱动电路和执行电路等。图3.2 单通道超声波遥控系统的原理框图多通道超声波遥控系统大部分使用过的是码分制，其原理框图如图3.3所示。除了发送和接收的传感器与红外遥控系统有所区别，其他模块电路皆类似。图3.3 码分制多通道超声波遥控系统的原理框图3.2 蓝牙遥控3.2.1 蓝牙特性蓝牙技术（Bluetooth）最早是由Telefonaktiebolaget LM Ericsson（爱立信公司）于1994年开始研发的。经过几年研发，蓝牙技术仍未成熟，直到1998年，五大跨国公司，即Ericsson（爱立信）、Nokia（诺基亚）、IBM、Toshiba（东芝）、Intel组成特殊兴趣小组（SIG），其目标是建立一项全球性的小范围无线通信技术，即蓝牙。蓝牙是一种用于短距离无线通信的技术规范，目标是取代笔记本，移动电脑，PC间通信的线缆。由于蓝牙技术在建立之初，其目标就是把该项技术在全球范围内使用，因此规范了其工作频段，在全球范围内使用统一开放的2.4GHz ISM频段。由于大部分国家ISM频段范围在2.4到2.4835GHz，因此使用该频段时不需要向本国的相关部门申请许可证，这为广泛使用蓝牙技术提供了很大的便利。由于蓝牙体积较小，因此易于应用到各种电子数字设备当中，尤其是那些对数据传输速率不是很高的设备。蓝牙技术可以同时传输数据和语音，它主要采用分组交换和语音交换技术，支持异步数据通道、同步语音和异步数据同时传输的通道以及三路语音信道。蓝牙技术由于工作在2.4GHzISM频段，理论上可以使30米以内的设备进行相互连接，但在实际中应用是远远达不到这个距离的，一般最远距离仅能达到10米左右。另外，2.4GHzISM频段虽然是全球通用频段，给蓝牙技术的推广应用带来很大便利，但也正因为这是通用频段，对蓝牙技术的实质应用效果是有影响的。这个频段对所有无线电系统都是开放状态，因此极容易受到不可预测的干扰，手机，微波炉等都是较为常见的干扰源，会导致蓝牙传输的数据极容易出错，因此为了避免干扰，蓝牙技术还必须引入跳频技术19。跳频技术是指把整个通信频带分为若干个跳频信道。对于蓝牙通信系统，在蓝牙芯片的控制下，发送端发送的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道，而接收端也以同样的跳转规律进行接收通信，外界干扰源只有以同样规律的跳转才可以对通信造成较大的干扰，实际应用中掌握跳转规律是十分困难的。这样的通信办法除了能提高抗干扰能力，而且也具有了加密的功能，这是因为第三方要截取信息，也需要同样的跳转规律。因此跳频技术的引入使系统具有更高的抗干扰性和安全性。另外，应用跳频技术时，跳频的瞬时带宽会变得很窄，因此需要利用扩频技术使窄带宽数倍扩展为宽频带。蓝牙技术为了确保信息传输的有效性，提供了三种纠错方案：（1）1/3FEC（1/3比例前向纠错码）。这是一种比较普遍常用的纠错方式，只一种对每位信息重复三次的重复码。（2）2/3FEC（2/3比例前向纠错码）。属于汉明码，主要用于部分分组。（3）ARQ（自动请求重发）方式。使用这种方式时，在每个时隙中发送端发送的数据，必须在下一个时隙得到确认（或超时）信息。每个信息发送到接收端后，接收端都会对信息进行报头错误检测及循环冗余检测，通过检测后则会向发送端返回确认信息，若没通过则会返回一个错误信息。蓝牙技术支持点对点或点对多点和通信方式，最为基本的网络形式为微微网（Piconet），这是通过蓝牙技术由几个设备构成的微型网络。这种网络一般由一台主设备（Master）和多台从设备（Slave）组成，从设备的数量最多为7台。主设备主要负责发起网络连接请求，即通信协议的动作。最简单的微微网形式是一台主设备对一台从设备的点对点通信方式，最为复杂的则是八台设备连在一起，使用相同的跳频序列，并且使用星型拓扑结构。由于每个微微网信道的主单元不同，可以使用不同的跳转模式，因此在同个区域内可以存在多个微微网，使多个微微网组成分散网。蓝牙技术最为核心的部分就是协议栈。协议栈的作用在于使设备间能够相互定位，并且遵循一定的规则进行各种程序间的交互和数据交换。蓝牙协议栈如图3.4所示。图3.4 蓝牙协议栈蓝牙技术的核心协议由四部分组成，包括：基带协议、链路管理协议（LMP）、逻辑链路控制与适应协议（L2CAP）以及服务搜索协议（SDP）。（1）基带协议：确保蓝牙设备之间的物理连接由射频构成，并且负责数据及信息帧的传输。（2）链路管理协议：LMP主要负责蓝牙设备间链路的建立和拆除，以及链路的控制和安全。另外还能通过发起连接，对蓝牙设备身份进行交换、核实、加密、继而协商确定基带数据分组的大小，还控制着蓝牙设备的电源模式、工作周期以及蓝牙设备间的连接状态。（3）逻辑链路控制与适配协议：由图3-4可看出L2CAP为基带的上层协议，主要负责数据拆装、服务质量的控制、组提取和协议复用。它能够为上层协议提供面向连接和无线连接的数据业务，是蓝牙协议栈中最为核心的部分。（4）服务搜索协议：SDP的功能在于可以查询到蓝牙设备信息及服务类型，因此可以根据不同类型的设备和服务建立不同的连接，其上层可以有FTP、LAN接入等应用模型20。蓝牙协议栈中，包括了蓝牙指定协议和非蓝牙指定协议，如此设计主要是为了使蓝牙技术更尽最大可能地利用上现有的高层协议，使这些高层协议能够与蓝牙技术更好地兼容。因此在蓝牙遥控系统中，并非要使用上蓝牙协议栈中的所有协议，只要根据需求选择即可。蓝牙技术还包括很多其他的特性，使得蓝牙技术在很多领域得以广泛应用。此处所列举和介绍的蓝牙技术特性为最基本的性质，能够满足对于一般个人构建简单的蓝牙遥控系统的需求，下面为简单的蓝牙遥控系统的原理介绍。3.2.2 蓝牙遥控原理及其与红外遥控的对比以简单的蓝牙遥控系统为例，如图3.5为其遥控通信方式框图21。图3.5 蓝牙模块串口通信该蓝牙控制系统主要使用单片机为核心MCU进行数据控制和处理。两台主机分别设置为主模式和从模式，由于是进行串口通信方式，因此两台主机必须设置相同的波特率，相同的通道。由于蓝牙协议定义了三种主控制器传输层：HCI_UART、HCI_USB、HCI_RS232，因此单片机可以用相应的接口与蓝牙模块进行连接，从而实现蓝牙遥控通信的目的。该系统把单片机的TXD和RXD端口分别与蓝牙模块的RXD和TXD端口连接，利用单片机I/O口进行流量的模拟控制。对于发送端，利用HCI协议，主机可以把控制命令及数据发送到蓝牙模块；对于接收端，蓝牙模块接收到控制命令和数据后，同样利用HCI协议把这些信息传递给接收方主机。由该例子可以看出，蓝牙遥控通信中，十分依赖于协议，而这些协议正是蓝牙技术的核心所在。蓝牙遥控技术在实际应用中并非只用到上述的HCI协议，尤其是涉及计算机、数字设备方面会涉及到更多的高级协议，如TCP/IP、UDP等。蓝牙协议栈的兼容性，使得在目前广泛使用的平板电脑、触屏手机将会成为蓝牙遥控器的新载体。与红外遥控相比，蓝牙遥控由于其自身技术的特殊性，显得更为“高端”。蓝牙遥控更多的是与当代计算机技术结合，牵涉到很多计算机学科的内容，与通信技术同等重要。而红外遥控更像是一种传统的通信方式，目前也在不断地与计算机技术结合，但更多成熟的应用仍然是停留在电子通信的阶段。到底哪种技术更好，并没有绝对的定论，这必须根据应用场合和环境来讨论。蓝牙遥控牵涉到大量计算机学科内容，蓝牙遥控系统的成本必然会增加，但是与数字电子产品能有很好的结合，也有很好的扩展性，对于数字化十分完善的企业则很有必要。而红外遥控系统则相对简单一些，对于普通个人也更加容易上手DIY，成本相对较低，但目前的移动设备如平板电脑、手机，只有极少数是有红外发射的模块，因此在移动设备上的扩展不及蓝牙灵活。因此，两项技术各有优劣，如何选择还是取决于已有的条件和所设计的系统的目标。蓝牙技术和红外线技术的主要特性如下表所示。表3.1 蓝牙技术和红外线技术通信的主要特性4. 红外遥控在手机上的一些应用实例4.1 一种手机红外遥控功能的实现装置4.1.1 原理该应用实例为引用实用新型专利“一种手机红外遥控功能的实现装置”（申请号：200920208507.0）22。对于一些具有红外遥控功能的按键型手机，一般是把手机上的按键映射到红外遥控器的按键，因此按下手机上对应的按键后，经指令编码后通过红外发射模块把信号发射出去，从而达到遥控的功能。在此不难发现，用户必须记住手机上的按键对应着哪些遥控操作按键，对于某些光线不足的场合，如夜晚躺在床上看电视的时候，一旦没记住按键的功能，很容易造成误操作。正是为了使用户更好、更方便地用手机进行红外遥控的功能，因此有该发明的诞生。该实用新型有几个关键的部件，包括：基带芯片、红外遥控模块、加速度传感器。加速度传感器是与基带芯片相连的，用于发送手机在三维空间的运动变化信息给基带芯片，基带芯片根据这些信息，编码相应的红外指令到红外遥控模块，再经调制后把信号发射出去。其工作原理主要如下：首先，要开启手机的红外遥控功能。在该状态下，手机的姿态一旦发生改变，加速度传感器就会测量出当前手机的三维空间状态，利用中断的方式让基带芯片读取到手机的三维信息，然后编码相应的红外指令信号，发送到红外遥控模块，把信号调制后发射出去。其中，手机姿态的改变一共有四组按键的对应关系：向左倾斜对应着左按键，向前倾斜对应着上按键、向右倾斜对应着右按键以及向后倾斜对应着下按键。另外，当手机进入省电模式之后，将自动关闭加速度传感器。如图4