红外遥控器信号的采集及压缩
【摘 要】现代家庭生活中，由于红外遥控器数量不断增加，人们产生了对集成型红外遥控器的需求。本文提出了红外遥控器信号采集及压缩的方案，该方案以STM32F103RB微控制器为核心，使用HS0038作为采集模块。经测试，该设计能可靠采集各种红外遥控器的信号，具有较低的误码率，而且能对采集到的信号数据进行压缩，压缩比平均可达到28%。
【关键词】红外遙控器 ；STM32F103RB ；HS0038 ；信号采集 ；数据压缩
一、引言
红外通信作为一种短距离、可靠的无线控制方式，在家电领域已被广泛应用。但由于存在多种红外遥控器编码方式，且各种编码方式间互不兼容，致使家中红外遥控器的数量随着电器设备的数量与日剧增。为此，研究红外遥控器信号（下文简称红外信号）的采集及压缩的方法，为最终实现红外遥控器的集成奠定基础，具有一定的研究意义。
二、红外遥控器的编码分析
由于不同的电器设备生产厂家采用不同的编码方式，导致不同电器设备的红外遥控器不能相互替代。为此，在大量收集各种红外信号的基础上，对其进行了细致的分析，得出以下几个结论：
（1）调制方式以脉宽调制为主：红外遥控器编码存在的调制方式有脉宽调制，相位调制，脉冲位置调制，但大部分都采用脉宽调制方式。（2）载波频率不固定：不同遥控器的载波频率不同，最低可达36KHz，最高可达42KHz，但大多数载波频率在38KHz左右。（3）通讯协议组成迥异：每种协议都是在地址码与控制码的基础上添加引导码、结束码、控制码反码或地址反码。（4）发送方式不同：发送方式的不同体现在发送的次数上，有一次发送一帧、一次发送两帧或一次发送多帧。
三、红外遥控器采集硬件设计
设计需要采集红外信号，并将所得到的信号数据编码保存起来，为此设计了由STM32F103RB微控器、红外采集电路、存储器等构建的硬件平台进行测试。
（一） STM32F103RB微控器
STM32F103RB是意法半导体公司推出的STM32F103xx中等容量增强型系列中的一款微控器。该系列微控器整合了工作频率为72MHz的高性能ARM CortexTM-M3内核。该系列微控器的节电模式适用于低功耗的应用设计[1]。
凭借STM32F103RB任意边沿捕捉功能的16位定时器以及高速的处理能力，能精确采集红外信号的电平时长，快速处理采集到的数据；低功耗特性降低了对电源的要求。
（二）红外采集电路
红外信号的载波频率基本集中在38KHz，因此采集电路使用HS0038一体化红外接收头。HS0038是一款体积小、内置IC、抗干扰能力强、可低压工作的红外接收头。当HS0038接收到38KHz红外遥控器信号脉冲时，将输出低电平；当HS0038未接收到38KHz红外遥控器信号脉冲时，将输出高电平。
（三）储存器
将各种红外信号进行采集，并集中在一个遥控器中，需要大容量、具有掉电保存功能、可低电压工作的存储器，设计选用AT24c128作为存储器。AT24c128是Atmel推出的高速、128Kb的2线串行EEPROM，拥有商业和工业应用中所必须的低功耗和低电压的特性，工作电压范围为1.7V～5.5V[2]，能满足设计的功能要求。
四、红外信号处理的软件设计
红外信号处理的软件设计主要包括信号采集、信号数据压缩。信号采集使用微控器中的定时捕捉模式，因此系统启动后，需完成对系统初始化；当检测到红外信号输入时，微控器便进行捕捉采集；完成采集后，若采集的红外信号异常，数据不被保存；若采集的红外信号正常，数据被压缩并保存。软件设计的流程图如图1所示。
（一）红外遥控器信号采集
红外遥控器信号采集是通过记录红外遥控器信号电平时长实现的。这种方式可以在红外遥控器信号编码方式未知的情况下，将红外遥控器信号完全复制。根据采样定理，为了更好地还原信号，将微控器内16位定时器的工作频率设定在1MHz，并设置为输入捕捉工作模式。
逻辑分析仪采集某NEC红外信号波形如图2所示。微控器采集到的该红外信号数据（下文称信号数据）如表1所示。
图2 红外信号波形
表1 红外信号电平时长数据
该组数据共有71个，每个数据占2字节的存储空间，共需142字节，其中N为奇数的数据为低电平时长，N为偶数的数据为高电平时长。
（二） 索引表压缩
信号数据需要占用大量存储空间，且数据具有规律性，可对信号数据进行压缩。由于红外遥控器信号电平时长的种类有限，故采用索引表的方式。表1中的数据经索引表压缩后数据如表2所示，所需的存储空间降到85个字节。
表2 建立索引表后的数据
（三） 数据编码
根据高电平索引个数少于6个、低电平索引个数少于4个的特点，使用一个字节的第3～4位存放低电平索引表数据，用相同字节的第0～2位存放高电平的数据。由于表2中数据数组的元素个数为奇数，故在其后面添加一个数值为2的元素。将表2中的数据经编码，除高低电平索引外的结果如表3所示。信号数据经编码压缩后所需存储空间降到50个字节。
表3 数据编码后的数据
五、 验证测试
将保存的信号数据还原成电平时长的数据，并与原始采集到的数据进行对比，以确定信号还原误差。图4所示原始红外信号时长与还原信号的对比如表4所示。
表4 信号数据对比
采集到的信号数据经过数据压缩，占用极少的存储空间。以上述NEC编码为例，有效原始数据长度为71，共需142字节存储空间。经建索引表，产生2个高电平索引和5个低电平索引，以及71个索引表数据，因此需要字节的存储空间。经过编码压缩后，信号数据的存储空间变为字节。最终，整个压缩过程的压缩率为。
六、总结
设计可以精确记录任意红外编码方式的红外遥控器信号电平时长。在完成信号采集工作后，将原始信号数据建立索引表、数据编码，减少了所需的存储空间，提升了存储空间利用率。在测试阶段，利用硬件平台进行对生活中10种常见各类红外遥控器（彩电、空调、DVD等）进行测试，均能正常采集、压缩并还原。此设计为实现智能遥控器提供一种方式，若利用微控器丰富的通讯接口，则可以实现物联网智能遥控器。
参考文献：
[1] STM32F103x8B_13587_Rev 14.pdf.http：//.cn
[2] 128Kb I2C-compatible 2-wire Serial EEPROM.pdf. http：///
[3] 郝建国，赵英杰，张卫东.家用电器遥控系统集成电路大全.北京：人民邮电出版社，1996
[4] 李建华.实用遥控器原理与制作[M].北京：人民邮电出版社，1996
[5] 聂诗良，李磊民.红外遥控信号的一种编码解码方法[J].仪器技术与传感器。2004（8）：28.32.