《2022年红外遥控解码电路的的CPLD设计方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年红外遥控解码电路的的CPLD设计方案.docx（50页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选学习资料 - - - - - - - - - 保密类别编号武汉高校珞珈学院毕业论文红外遥控解码电路的 CPLD 设计系 别电子信息科学系专 业 电子信息工程年 级 2022级学 号 20220506024 姓 名 张宇指导老师 曹华伟武汉高校珞珈学院2022年 5 月 20 日0 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 摘要该文在 CPLD红外遥控原理的基础上, 具体介绍了在 MAX+PLUSII的可编程规律设计环境下, 用AHDL语言设计与仿真 CPLD红外遥控发射接收硬件电路的方法；文中给出了利用 AH
2、DL语言分别实现红外遥控发射模块的信号调制以及接收模块的信号解码或识别的程序设计 , 并对结果进行了仿真；通过仿真结果, 可以看出利用 CPLD器件完全可以实现红外遥控电路的发射与接收功能；因此 ,CPLD器件在红外遥控系统中具有重要的有用价 值；关键词 : 复杂可编程规律器件；红外遥控；调制；解码Infrared remote control decoding circuit design of CPLD ABSTRACT This paper analyzes the theory of infrared remote control based on CPLD,the method is
3、introduced in detail,which uses AHDL language to design and simulate hardware circuit of sending and receivingfor infrared remote control based on CPLD .The program design that utilizes AHDL language to achievemodulatingof sending module and decoding or identification of receiving module for infrare
4、d remotecontrol isgivenand the result is simulated.The result of simulation proves that CPLD can achieve function of sending andreceiving for infrared remotecontrol circuit totally.So CPLD has an important practical value in infrared remotecontrol system. / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 29 页精选学习资料
5、- - - - - - - - - Keywords:CPLDInfrared remotecontrolModulatingDecoding 目录第一章 绪论1.1 课题争论的背景和意义 . 1 1.2 本课题争论的热点及进呈现状 1 其次章 总体设计方案2.1 总体设计思路 . 3 2.2 CPLD 红外遥控原理 . 3 2.3 硬件系统结构 . 4 2.4 EPM3128ATC100-10复杂可编程规律器件芯片介绍 . 4 第三章 红外遥控器的硬件结构及设计3.1 红外遥控电路的工作原理 . 6 3.2 红外遥控器模块的原理图 . 8 3.3 主掌握板每个模块功能介绍 . 9 3.4 一
6、体化红外接收头 . 11 3.5 红外遥控编码原理与设计 . 12 3.6 红外遥控解码原理与设计 . 16 第四章 HDL 语言实现与仿真结果4.1 发射模块程序设计及仿真 . 18 4.2 接收模块程序设计及仿真 . 20 结语与展望 22参考文献 23I / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第一章绪论1.1 课题争论的背景和意义随着微电子技术和运算机技术的不断进展,在涉及通信、国防、航天、工业自动化、仪器外表等领域的电子系统设计工作中,EDA技术的含量正以惊人的速度上升,它己成为当今电子技术进展的前沿
7、之一；EDA Electronics Design Automation即电子设计自动化技术,是指以运算机为基本工作平台,融合应用电子技术、运算机技术、智能化技术的最新成果而研制成的一整套软件工具,主要能帮助进行三方面的设计工 作：IC设计,电子电路设计, PCB设计；没有 EDA技术的支持,想要完成一些超大规模 集成电路的设计制造是不行想象的；大规模可编程规律器件CPLDComplex Programmable Logic Device ）是当今应用最广泛的两类可编程规律器件之一,电子设计工程师利用它可以在办公室或试验室 设计出所自己所需要的专用芯片和专用产品,从而大大缩短了产品上市时间,降
8、低了 开发成本；此外,可编程规律器件仍具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改,这样就极大的提高了电子系统设计 的敏捷性和通用性；目前, 红外遥控的发射与接收一般都是靠单片机来实现的, 但它的有外围电路一般比较复杂、编程掌握不便利和时序不精确等缺点；而基于 CPLD的红外遥控发射接收设计 ,克服了一般的基于单片机的红外遥控发射接收系统的诸多缺点 , 具有结构简洁、编程掌握简易、牢靠性强、时序规律精确、简洁扩充新的功能等特点；1.2 本课题争论的热点及进呈现状PLD 生产厂商众多,有 Xilinx、Altera 、Actel 、Lattic、 Atme
9、l 等,其中以Xilinx 和 Altera 的产品较有代表性, Xilinx 的产品称为 FPGA,Altera 的产品称为CPLD,他们各有特点：1同样藉由 EPROM和 SRAM的结构；2Altera CPLD适合完成各类算法和组合规律,而Xilinx FPGA更适合于完成时序较多的规律电路；3对于 SRAM结构的产品, Altera公司的 PLD的输出电流可达25mA,而 Xilinx的 FPGA只有 16mA；4Altera 公司的 PLD延时时间可猜测,补偿了 FPGA的缺点；5Altera 公司的 FLEX10K10E系列的产品具有更大的集成度；CPLD器件已成为电子产品不行缺少
10、的组成部分,它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能；0 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 基于 PLD的设计,有一下几种较为成熟的设计方法：1原理图设计 2程序设计方 3状态机设计 4功能模块输入法 5IP 模块使用 6基于平台的设计方法其中,最为广泛普遍应用的为程序设计方法；程序设计是使用硬件描述语言 中, 可通过两个开关电路掌握 K0,K1来挑选不同脉宽宽度的编码信号进行调制, 当开关断开时 ,K0、K1端口的输入为 1, 闭合时输入为 0；SE303是红外发射二极管 ,当端口 OUT有编码调制脉
11、冲输出时 ,SE303通电发射红外线 , 实际上发射的是频率为38KHz的脉冲串；图 2.2b 中, 一体化红外接收头 SM0038的圆形面为红外接收面 , 它与SE303红外发射管的有效收发直射距离可达35M,在接收电路的输出端连有两只发光二极管LED1和LED2,以便于直观的识别开关电路所挑选的不同脉宽的调制脉冲；2.4 EPM3128ATC100-10复杂可编程规律器件芯片介绍 EPM3128ATC100-10是ALTERA公司 MAX3000A CPLD 系列中的一种； MAX3000A系列的CPLD采纳成本优化的 0.3um,四层金属生产工艺,供应32到512个宏单元； 3.3V的M
12、AX3000A CPLD 系列供应商业级和工业级常用的速度等级和封装,是那些对成本敏3 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 感,大批量应用的企业的抱负挑选方案；MAX3000A系列产品的特性：表2.1MAX3000a系列产品特性EPM3128ATC100-10特点：规律门： 2500 规律阵列块 LAB）：8 宏单元 Macrocells ）：128 用户 IO口： 76 非用户 IO口：20 JTAG 下载口： 4 合计： 100 封装： TQFP 图2.3 EPM3128ATC100-10 封装芯片中包
13、含四个专用输入口,分别为是全局时钟、全局使能、全局清零、全局时钟/ 使能信号,这几个信号有专用的连线与CPLD内部的每个宏单元相连,信号到每个宏单元的延时相同且延时最短,假如不用这些引脚可以将其接地；4 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第三章 红外遥控器的硬件结构及设计3.1 红外遥控电路的工作原理红外遥控作为一种单向红外通讯技术,因其具有性能稳固、使用便利以及成本低 廉等特点,已经在消费电器中得到了普遍的应用；随着对电器产品智能化和使用便利 性要求的进一步提高,红外遥控的应用已经从传统家电领域向智能设
14、备等新领域扩 展；由于集成电路制造工艺的设计水平的不断提高,将此类分立电路功能集成到嵌入 式系统中已成为可能；本文设计脉冲信号调制采纳了PPM方式,红外遥控系统采纳了AHDL语言编写,来实现该电路的功能；市场上的红外遥控器种类繁多,一般有这些类型 001、SA3010等等uPD6121、 TC9012、 M50560-不管遥控器的种类如何,其编码方式大多类似,本文以比较典型的 uPD6121为例,要想用可编程规律器件编写其内部电路模块,第一得明白整个电路的工作原理,以下是 uPD6121红外遥控器的主要原理；载波波形如图 3.1 所示；图 3.1 红外载波波形使用 455kHZ晶体,经内部分频
15、电路、信号被调制在 1/3 ,1/3 的占空比有助于提高红外线的发射效率；数据格式：37.91kHZ的频率上,占空比为 : 数据格式包括了引导码、用户码、数据码和数据反码,编码总占 32位；数据反码是数据码反向后的编码,编码时可用于对数据纠错；控应用电路中被设置成第一段用户码的反码；）5 / 29 注：其次段用户码也可以在遥名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3.2 uPD6121 编码前数据格式使用455kHZ晶体时各代码所占用的时间图3.3 uPD6121 编码后数据格式位定义：1用户码或者数据码中的每一位可
16、以是位0,也可以是位1；区分0和是利用脉冲的时间间隔来区分,这种编码方式称为脉冲位置调制方式,英文简称PPM；图 3.4 uPD6121 的位定义uPD6121G按键输出波形有两种方式：一种是每次按键都输出完整的一帧数据；另一种是按键按下相同的按键后每发送完整的一帧数据后,再发送重复码,直到按键松开；重复码波形如图 3.5 所示；图 3.5 uPD6121 重复码波形6 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 单一按键波形如图 3.6 所示；图3.6 uPD6121 单一按键波形连续按键波形如图 3.7 所示
17、；图 3.7 uPD6121 连续按键波形3.2 红外遥控器模块的原理图红外遥控模块的硬件部分原理图较为简洁,该电路主要由键盘扫描电路和红外发射部分组成,而编码调制部分由软件部分负责；+5V4 KY3 KY42 4X KIOC IRIOD LEIOIOIOIOU1VCC_BARR54.7KD2IR-LEDLEDQ1AIRCIOIOIOIOVCC_BARR64.7KD1IR-LEDMPQ379914 3X K15 2X K45 2X K47 1X K18 3X K19 3X K50 1X K2 KY1 KYR7R14.7KSW1SW5SW9SW13C R I4.7KR24.7KSW-PBSW-P
18、BSW-PBSW-PBSW2SW6SW10SW14R34.7KSW-PBSW-PBSW-PBSW-PBSW3SW7SW11SW15R44.7KSW-PBSW-PBSW-PBSW-PBSW4SW8SW12SW16YX4SW-PBSW-PBSW-PBSW-PB7 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3.7 红外遥控发射电路图由于 ALTERA 公司的 3.3V/2.5V 的MAX3000A 芯片的 IO脚兼容 5V,所以键盘扫描 电路的上拉电阻可以接 5V电源； D1为红外发射管, D2为红外发射指示灯；
19、3.3 主掌握板每个模块功能介绍主掌握板电路除了 CPLD的最小系统之外,主要有双门限电压比较电路、数码管 扫描显示电路、按键脉冲发生电路、红外接收电路以及一些接插件等；CPLD的最小系统主要是电源电路、程序的下载电路以准时钟输入电路 作为纯组 合规律时可不接）几部分组成；电源电路如图 3.8 ；采纳 5V电源适配器供电经 AMS1117稳压后产生 3.3V电压给 CPLD供电； CPLD的每个电源引脚均要接滤波电容,典型值0.1uF ；+3.3v+3.3vU2C1C2C3C4C5C6C7C83GNDIO1226 33VCCIOGNDIO GNDIO0.1uf0.1uf0.1uf0.1uf0.
20、1uf0.1uf0.1uf0.1uf18 3438 43VCCIO VCCIOGNDINT GNDIO+5vC12 CC11 CR8D339 5153 59VCCINT VCCIOGNDIO GNDIO66 8265 74VCCIO VCCIOGNDIO GNDIO9178 86VCCINT GNDIOGNDINT95GNDINTEMP3128ATCR2IR-LEDU3+3.3v3INOUT DNG2C9 CC10 C1AMS1117图 3.8 电源部分电容 C5C12为芯片的每个电源引脚的旁路滤波电容,起电荷池作用,以平滑电流变 化引起的电源电压的波动,当芯片电流突然增大时,旁路滤波电容放电
21、以降低芯片的 电压波动；旁路滤波电容通常选用10100nF的瓷片电容,瓷片电容的特点是：电感小,等8 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 效串联电阻低,用作旁路滤波电容特别合适；下载电路：ALTERA 公司供应了多种编程下载电缆,如ByteBlasterMV 、 ByteBlaster 并行下载电缆,目前更好的挑选是采纳 USB接口的 USB-Blaster下载电缆； USB-Blaster电缆与ALTERA 器件的接口一般是 10芯的接口,其信号定义见表 3.1；表3.1 USB-Blaster电缆与
22、ALTERA 器件的接口信号定义：引脚1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 JTAGTCK GND TDO VCC TMS TDI GND 模式图3.8 10 芯接口引脚图下载电路原理图如图 3.9所示；9 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - R9 1KU4+3.3V2 4 6 81 3 5 7TCK TDOTMSTDI109JTAGR11 1KR10 3KU5TDI TMS4 15TDI TMS TCK TDO62 73TCK TDOEMP3128ATC2图3.9 下载电路时钟电路：CPLD的主时钟
23、采纳 25MHZ 有源晶振,电路图 3.10如下；1ufC13R12 1K96 I/0U6+3.3V0.1ufC143CLK GND24VCC1125MHZ图3.10 时钟电路10 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.4 一体化红外接收头以前的红外接收头主要由CX20226、uPC1373 等集成电路加电容元件、红外接收管、滤光片 防光干扰）、金属屏蔽罩 防电磁干扰）组成,体积较大；这里我们使用 HS0038A2接收头；图 3.11 是它的原理图；图 3.11 一体化红外接收头原理图由图 3.11 可
24、知, HS0038A2系列是红外线遥控系统的小型化接收器；它将接收 头、输入给定信号、自动增益掌握、掌握电路、带通滤波器、解调器、三极管放置在 金属屏蔽盒内；仅有电源、接地和输出三个管脚；它将红外接收电路简洁化,使用也 特别便利；仅将输出接到适当位置即可；电源与接地分别接到电源端与地端；当一体化红外接收头接收到红外信号,由接收头内部的自动增益掌握器自动放大 红外信号到一个信号范畴内,使红外装置可以很简洁的实现掌握,再通过带通滤波电 路,它的中心频率是 38KHz,所以中心频率邻近的频率将被储存；然后再输出到三极管,由三极管判定输出高低电平；假如三极管基极为高电平,就输出的是低电平；反 之,基极
25、为低电平,就输出为高电平；3.5 红外遥控编码原理与设计由于 EPM3128A芯片的宏单元数量的有限性,在编写红外编码发射电路时,不得不 考虑芯片资源的节省问题,所以本设计编写的红外遥控编码原理与 uPD6121略微有所差别, uPD6121格式中数据码和用户码均为8bit ,这样编码或者解码时会占用许多的寄存器,及占用 CPLD内部许多的可编程触发器；而本文设计的遥控器只有 16个按键,没有那么多种数据要编码发射,且EPM3128A芯片资源也是有限的,所以对用户码和数据码均设定义为 4bit ；本文设计的红外编码采纳 PPM编码方式,下面是其编码信息；载波信号： f=38khz ；占空比 1
26、/3 ；位定义： a为一个时间单位时间长度是38kHZ的 16个时钟周期,即 a=1 38kHZ16=0.421ms这样有助于时钟分频,削减触发器使用的数量）11 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3.12 位定义数据格式：数据格式中包含了引导码、数据码、数据反码、用户码、用户码,除引导码外其余均为 4bit ,编码总占 16bit ；其中引导码的高电平 6.74ms=16a,低电平 3.37ms=8a；图3.13 编码前数据格式每按一次按键发送一帧数据图 3.14 编码后数据格式红外遥控编码的主要
27、电路有,键盘扫描电路、PPM编码电路、时钟分频电路、以及调制电路等组成；时钟分频电路：产生整个电路所需要的全部时钟频率；键盘扫描电路：产生 4位键值信号；PPM编码电路：对要发送的数据进行编码后发送；调制电路： 38kHZ的频率与 PPM编码后的串行输出信号进行相与即可；12 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 很明显电路的关键是对要发送的数据进行PPM编码,为了充分利用 EPM3128A有限的宏单元,挑选一个良好的 PPM编码的实现方式显的特别的重要；下面是两种 PPM编码方式：有PPM编码的位定义可知
28、,原码 1 1000 0 10 方案1：第一在 PPM编码过程中省去了引导码方案 2同样）,只对要发送的数据进行PPM编码论述；由编码格式可知,要发送的数据的有效信号位数长短不一,不能用简洁的规律变换将原信号转变为要发送的PPM编码信号后再移位输出；数据必需依据次序装载在移位寄存器的前半部分；将数据码、数据反码、用户码、用户码分别装入 16位缓冲寄存器中,用 38kHZ、占空比为 1/3 的频率 频率不固定,其周期最好大于时间 a）对这 16位缓冲寄存器进行逐位采样,当待译码为1时采样得到的信号为 1000,当待译码为 0时得到的信号 10,并依次装入 64位移位寄存器,移位寄存器如有空余位,
29、就全部补零；当 装载完成后,移位寄存器进行移位,在移位的过程中,需要对移位的位数进行计数,当移位寄存器寄满 64位时停止移位；实际应用时最好在移位寄存器前加一个输出位；该方案的实现方法较为简洁,但是会铺张系统许多的资源,仅仅这两个寄存器就需占 用80个可编程触发器,当要发送的数据过长,用这样的方法编码简直就是不切实际 的；其规律框图如图 3.15 所示；图 3.15 方案 1 编码原理框图方案2：13 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 当键盘扫描模块得到稳固键值数据时,将数据码、数据反码、用户码 用户码
30、可以设定为 4bit 常量）分别装载于寄存器中；并且启动PPM编码发送电路；数据码、数据反码；用户码、用户码分时装载于缓冲寄存器 4bit ）中,再由缓冲寄存器装载于移位寄存器 5bit 、右移）的 4个高位中,及移位寄存器的最低位 输出位）不装载；自由计数器是两位模值可控计数器,当移位寄存器的移出位是0时,自由计数器计数值由“00” “01” “00” 变化,当移位寄存器输出位是1时,自由计数器计数值由“00” “01” “10” “11” “00” 变化；自由计数器每次清零时,产生移位时钟,以对移位寄存器中的数据进行移位；当移位满 4位时,产生地址时钟信号,以对地址发生器做加 1处理；地址
31、发生器由两位计数器构成,地址时钟信号每来一次脉冲,计数器加 1,四位地址分别为“00” “01” “10” “ 11” ；分别对应数据码、数据反码、用户码、用户码；比较器的功能是,将自由计数器的输出值与“01” 比较,当自由计数器输出“ 01” 时,比较器输出为1,其余数值时比较器输出0；这样当移位寄存器的输出位是1时,比较器就按次序输出1000,当移位寄存器输出位是0时,比较器就按次序输出10；图 3.16 方案 2 编码原理框图明白数据发送的基本结构后,在程序编写时,关键是在无“ 时间缝隙” 的情形下,分别将数据调制发送出去,所以把握好整个电路中的每一个时钟的上升沿和下降沿显的特别的重要；
32、方案2虽然在结构上貌似麻烦了一点,但是它可以节省芯片的资源,而且当数据量越大时成效越明显；无疑对于像触发器比较匮乏的 MAX3000A系列的CPLD来实现类似于 NEC的uPD6121的编码规章,是一个良好的实现方案；遥控器除了遥控编码当然仍有键盘扫描电路；键盘是 4*4键盘,行线接的电阻是上拉电阻,阻值一般为几个 K,作用是限流；14 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - CPLD循环输出行信号 为“ 1111” ；当有按键按下时,例如,按下1键,此时 KX3.0行信号输出为“0111” ,输入端 KY3
33、.0 检测到的信号将是“ 0111” ；可以在编写程序时,将输出信号KX3.0 与输入信号 KY3.0 同时判定,如刚刚举的例子,可以认为当数据“KX&KY” 为“01110111” 时,可以译成数据 1,同理可得其它按键的编码；键盘扫描程序设计思想：循环输出行信号“1110” “ 1101” “ 1011” “0111” ；检测列信号输入,将行、列信号相并“K_CODE=KX_TEMP&KY译 键值 ,将 行、 列相并的 信号“K_CODE” 译成“0000” “0001” “0010”“ 0011” “0100” “0101” “0110” “0111” “1000” “1001” “10
34、10” “1011”“ 1100” “ 1101” “1110” “1111” ,并且锁存；去抖动,在译每一个键值后,为了防止按键抖动,加了一个计数环节,一旦检测到列信号后就译码,紧跟着进入计数环节,此时键抖动不会进入其它环节,这样可以防止键的抖动；3.6 红外遥控解码原理与设计红外接收器接收到的红外信号后,输出电平与信号的有无一般是反向的,但是在硬件电路连接时,在其输出脚接了PNP管,信号从三极管的集电极输出至CPLD；所以,CPLD需要解码的数据与其发射时数据的相位是同相的；一般文献在介绍红外解码时,选用 VHDL语言的有限状态机对红外信号进行解码,用有限状态机解码的优点有很多,本文不再冗述；本文主要是基于寄存器或者计数器的状态对整个电路的解码流程进行具体的数据流描述,这样可以更好明白电路的硬件结构以节省整个电路资源；下面就以其发射时的波形