红外遥控设计

1. 红外遥控简介

红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。

由于它不能穿过障碍物去控制被控对象的能力，可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。

红外遥控器发射出的红外光波长范围在760nm到1nm之间，而人眼可见光的波长范围一般在400nm到760nm之间，所以看不到红外遥控器发出的红外光。

红外遥控器和红外接收头外形

2. 红外遥控器协议

红外遥控器传输协议的编码目前广泛使用的是：NEC协议和Philips RC-5协议。
主流的调制方式有两种：
PPM（Pulse Position Modulation，脉冲位置调制）
PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）
NEC协议特征

• 8位地址和8位指令长度
• 地址和命令2次传输（确保可靠性）
• 脉冲位置调制
• 载波频率为38KHz
• 位时间为1.125ms或2.25ms（高电平持续时间来区分）

NEC码位定义
NEC协议采用PPM调制的形式进行编码，数据的每一位（Bit）脉冲长度为560us，由38KHz的载波脉冲进行调制，有载波脉冲的地方，其宽度都为560us，而载波脉冲的间隔时间是不同的，逻辑“1”的载波脉冲+载波脉冲时间间隔为2.25ms；逻辑“0”的脉冲+载波脉冲间隔时间为逻辑“1”的一般，也就是1.125ms。

NEC协议数据传输格式
传输数据时地位在前；9ms的AGC（自动增益控制）载波脉冲开始；紧接着是4.5ms的空闲信号；随后是地址码和控制码。地址码和控制码分别传输了两次，第二次传输的地址码和控制码都是反码；

NEC协议数据重复码（连发码）
当红外遥控器上的按键一直被按下时，红外遥控器只会发送一次完整的信息，其后会每隔110ms发送一次重复码（也叫连发码）。重复码的数据格式比较简单，同样是9ms的AGC（自动增益控制）载波脉冲开始；紧接着是2.25ms的空闲信号；随后是560us的载波脉冲。

红外接收头
一体化红外接收头，内部集成了红外监测二极管、自动增益放大器（AGC）、带通滤波器（Band Pass）、解调器（Demodulator）等电路。

红外接收解码

3. 试验任务

使用开发板接收红外遥控器发出的红外信号，并将数据显示在数码管上；如果检测到重复码，则通过LED灯显示。
系统框图

程序设计

代码

module top_remote_rcv(
    input             sys_clk  ,    //系统时钟 
    input             sys_rst_n,    //系统复位信号，低电平有效
    input             remote_in,    //红外接收信号
    output     [5:0]  sel      ,    //数码管位选信号
    output     [7:0]  seg_led  ,    //数码管段选信号
    output            led           //led灯
);

//wire define
wire  [7:0]   data       ;
wire          repeat_en  ;

//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************

//数码管显示模块
seg_led u_seg_led(
    .clk            (sys_clk),   
    .rst_n          (sys_rst_n),
    .seg_sel        (sel),   
    .seg_led        (seg_led),
    .data           (data),           //红外数据
    .point          (6'd0),           //无小数点
    .en             (1'b1),           //使能数码管
    .sign           (1'b0)            //无符号显示
    );

//HS0038B驱动模块
remote_rcv u_remote_rcv(               
    .sys_clk        (sys_clk),  
    .sys_rst_n      (sys_rst_n),    
    .remote_in      (remote_in),
    .repeat_en      (repeat_en),                
    .data_en        (),
    .data           (data)
    );

led_ctrl  u_led_ctrl(
    .sys_clk       (sys_clk),
    .sys_rst_n     (sys_rst_n),
    .repeat_en     (repeat_en),
    .led           (led)
    );

endmodule

module remote_rcv(
    input                  sys_clk   ,  //系统时钟
    input                  sys_rst_n ,  //系统复位信号，低电平有效
    
    input                  remote_in ,  //红外接收信号
    output    reg          repeat_en ,  //重复码有效信号
    output    reg          data_en   ,  //数据有效信号
    output    reg  [7:0]   data         //红外控制码
    );

//parameter define
parameter  st_idle           = 5'b0_0001;  //空闲状态
parameter  st_start_low_9ms  = 5'b0_0010;  //监测同步码低电平
parameter  st_start_judge    = 5'b0_0100;  //判断重复码和同步码高电平(空闲信号)
parameter  st_rec_data       = 5'b0_1000;  //接收数据
parameter  st_repeat_code    = 5'b1_0000;  //重复码

//reg define
reg    [4:0]    cur_state      ;
reg    [4:0]    next_state     ;

reg    [11:0]   div_cnt        ;  //分频计数器
reg             div_clk        ;  //分频时钟
reg             remote_in_d0   ;  //对输入的红外信号延时打拍
reg             remote_in_d1   ;
reg    [7:0]    time_cnt       ;  //对红外的各个状态进行计数

reg             time_cnt_clr   ;  //计数器清零信号
reg             time_done      ;  //计时完成信号
reg             error_en       ;  //错误信号
reg             judge_flag     ;  //检测出的标志信号 0:同步码高电平(空闲信号)  1:重复码
reg    [15:0]   data_temp      ;  //暂存收到的控制码和控制反码
reg    [5:0]    data_cnt       ;  //对接收的数据进行计数       

//wire define
wire            pos_remote_in  ;  //输入红外信号的上升沿
wire            neg_remote_in  ;  //输入红外信号的下降沿

//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************

assign  pos_remote_in = (~remote_in_d1) & remote_in_d0;
assign  neg_remote_in = remote_in_d1 & (~remote_in_d0);

//时钟分频,50Mhz/(2*(3124+1))=8khz,T=0.125ms
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n  ) begin
    if (!sys_rst_n) begin
        div_cnt <= 12'd0;
        div_clk <= 1'b0;
    end    
    else if(div_cnt == 12'd3124) begin
        div_cnt <= 12'd0;
        div_clk <= ~div_clk;
    end    
    else
        div_cnt = div_cnt + 12'b1;
end

//对红外的各个状态进行计数
always @(posedge div_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if(!sys_rst_n)
        time_cnt <= 8'b0;
    else if(time_cnt_clr)
        time_cnt <= 8'b0;
    else 
        time_cnt <= time_cnt + 8'b1;
end 

//对输入的remote_in信号延时打拍
always @(posedge div_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if(!sys_rst_n) begin
        remote_in_d0 <= 1'b0;
        remote_in_d1 <= 1'b0;
    end
    else begin
        remote_in_d0 <= remote_in;
        remote_in_d1 <= remote_in_d0;
    end
end

//状态机
always @ (posedge div_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if(!sys_rst_n)
        cur_state <= st_idle;
    else
        cur_state <= next_state ;
end

always @(*) begin
    next_state = st_idle;
    case(cur_state)
        st_idle : begin                           //空闲状态
            if(remote_in_d0 == 1'b0)
                next_state = st_start_low_9ms;
            else
                next_state = st_idle;            
        end
        st_start_low_9ms : begin                  //监测同步码低电平
            if(time_done)
                next_state = st_start_judge;
            else if(error_en)
                next_state = st_idle;
            else
                next_state = st_start_low_9ms;
        end
        st_start_judge : begin                    //判断重复码和同步码高电平(空闲信号)
            if(time_done) begin
                if(judge_flag == 1'b0)
                    next_state = st_rec_data;
                else 
                    next_state = st_repeat_code;
            end
            else if(error_en)
                next_state = st_idle;
            else
                next_state = st_start_judge;
        end
        st_rec_data : begin                       //接收数据
            if(pos_remote_in && data_cnt == 6'd32) 
                next_state = st_idle;
            else
                next_state = st_rec_data;                
        end
        st_repeat_code : begin                    //重复码
            if(pos_remote_in)
                next_state = st_idle;
            else
                next_state = st_repeat_code;    
        end    
        default : next_state = st_idle;
    endcase
end

always @(posedge div_clk or negedge sys_rst_n ) begin 
    if (!sys_rst_n) begin  
        time_cnt_clr <= 1'b0;
        time_done <= 1'b0;
        error_en <= 1'b0;
        judge_flag <= 1'b0;
        data_en <= 1'b0;
        data <= 8'd0;
        repeat_en <= 1'b0;
        data_cnt <= 6'd0;
        data_temp <= 32'd0;
    end
    else begin
        time_cnt_clr <= 1'b0;
        time_done <= 1'b0;
        error_en <= 1'b0;
        repeat_en <= 1'b0;
        data_en <= 1'b0;
        case(cur_state)
            st_idle           : begin
                time_cnt_clr <= 1'b1;
                if(remote_in_d0 == 1'b0)
                    time_cnt_clr <= 1'b0;
            end   
            st_start_low_9ms  : begin                             //9ms/0.125ms = 72
                if(pos_remote_in) begin  
                    time_cnt_clr <= 1'b1;                  
                    if(time_cnt >= 69 && time_cnt <= 75)
                        time_done <= 1'b1;  
                    else 
                        error_en <= 1'b1;
                end   
            end
            st_start_judge : begin
                if(neg_remote_in) begin   
                    time_cnt_clr <= 1'b1;   
                    //重复码高电平2.25ms 2.25/0.125 = 18      
                    if(time_cnt >= 15 && time_cnt <= 20) begin
                        time_done <= 1'b1;
                        judge_flag <= 1'b1;
                    end    
                    //同步码高电平4.5ms 4.5/0.125 = 36
                    else if(time_cnt >= 33 && time_cnt <= 38) begin
                        time_done <= 1'b1;
                        judge_flag <= 1'b0;                        
                    end
                    else
                        error_en <= 1'b1;
                end                       
            end
            st_rec_data : begin                                  
                if(pos_remote_in) begin
                    time_cnt_clr <= 1'b1;
                    if(data_cnt == 6'd32) begin
                        data_en <= 1'b1;
                        data_cnt <= 6'd0;
                        data_temp <= 16'd0;
                        if(data_temp[7:0] == ~data_temp[15:8])    //校验控制码和控制反码
                            data <= data_temp[7:0];
                    end
                end
                else if(neg_remote_in) begin
                    time_cnt_clr <= 1'b1;
                    data_cnt <= data_cnt + 1'b1;    
                    //解析控制码和控制反码        
                    if(data_cnt >= 6'd16 && data_cnt <= 6'd31) begin 
                        if(time_cnt >= 2 && time_cnt <= 6) begin  //0.565/0.125 = 4.52
                            data_temp <= {
    
    1'b0,data_temp[15:1]};  //逻辑“0”
                        end
                        else if(time_cnt >= 10 && time_cnt <= 15) //1.69/0.125 = 13.52
                            data_temp <= {
    
    1'b1,data_temp[15:1]};  //逻辑“1”
                    end
                end
            end
            st_repeat_code : begin                                
                if(pos_remote_in) begin                           
                    time_cnt_clr <= 1'b1;
                    repeat_en <= 1'b1;
                end
            end
            default : ;
        endcase
    end
end

endmodule

module seg_led(
    input                   clk    ,        // 时钟信号
    input                   rst_n  ,        // 复位信号

    input         [19:0]    data   ,        // 6位数码管要显示的数值
    input         [5:0]     point  ,        // 小数点具体显示的位置,从高到低,高电平有效
    input                   en     ,        // 数码管使能信号
    input                   sign   ,        // 符号位（高电平显示“-”号）

    output   reg  [5:0]     seg_sel,        // 数码管位选，最左侧数码管为最高位
    output   reg  [7:0]     seg_led         // 数码管段选
    );

//parameter define
localparam  CLK_DIVIDE = 4'd10     ;        // 时钟分频系数
localparam  MAX_NUM    = 13'd5000  ;        // 对数码管驱动时钟(5MHz)计数1ms所需的计数值

//reg define
reg    [ 3:0]             clk_cnt  ;        // 时钟分频计数器
reg                       dri_clk  ;        // 数码管的驱动时钟,5MHz
reg    [23:0]             num      ;        // 24位bcd码寄存器
reg    [12:0]             cnt0     ;        // 数码管驱动时钟计数器
reg                       flag     ;        // 标志信号（标志着cnt0计数达1ms）
reg    [2:0]              cnt_sel  ;        // 数码管位选计数器
reg    [3:0]              num_disp ;        // 当前数码管显示的数据
reg                       dot_disp ;        // 当前数码管显示的小数点

//wire define
wire   [3:0]              data0    ;        // 个位数
wire   [3:0]              data1    ;        // 十位数
wire   [3:0]              data2    ;        // 百位数
wire   [3:0]              data3    ;        // 千位数
wire   [3:0]              data4    ;        // 万位数
wire   [3:0]              data5    ;        // 十万位数

//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************

//提取显示数值所对应的十进制数的各个位
assign  data0 = data % 4'd10;               // 个位数
assign  data1 = data / 4'd10 % 4'd10   ;    // 十位数
assign  data2 = data / 7'd100 % 4'd10  ;    // 百位数
assign  data3 = data / 10'd1000 % 4'd10 ;   // 千位数
assign  data4 = data / 14'd10000 % 4'd10;   // 万位数
assign  data5 = data / 17'd100000;          // 十万位数

//对系统时钟10分频，得到的频率为5MHz的数码管驱动时钟dri_clk
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
   if(!rst_n) begin
       clk_cnt <= 4'd0;
       dri_clk <= 1'b1;
   end
   else if(clk_cnt == CLK_DIVIDE/2 - 1'd1) begin
       clk_cnt <= 4'd0;
       dri_clk <= ~dri_clk;
   end
   else begin
       clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
       dri_clk <= dri_clk;
   end
end

//将20位2进制数转换为8421bcd码(即使用4位二进制数表示1位十进制数）
always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n)
        num <= 24'b0;
    else begin
        if (data5 || point[5]) begin     //如果显示数据为6位十进制数，
            num[23:20] <= data5;         //则依次给6位数码管赋值
            num[19:16] <= data4;
            num[15:12] <= data3;
            num[11:8]  <= data2;
            num[ 7:4]  <= data1;
            num[ 3:0]  <= data0;
        end
        else begin                         
            if (data4 || point[4]) begin //如果显示数据为5位十进制数，则给低5位数码管赋值
                num[19:0] <= {
    
    data4,data3,data2,data1,data0};
                if(sign)                    
                    num[23:20] <= 4'd11; //如果需要显示负号，则最高位（第6位）为符号位
                else
                    num[23:20] <= 4'd10; //不需要显示负号时，则第6位不显示任何字符
            end
            else begin                   //如果显示数据为4位十进制数，则给低4位数码管赋值
                if (data3 || point[3]) begin
                    num[15: 0] <= {
    
    data3,data2,data1,data0};
                    num[23:20] <= 4'd10; //第6位不显示任何字符
                    if(sign)             //如果需要显示负号，则最高位（第5位）为符号位
                        num[19:16] <= 4'd11;
                    else                 //不需要显示负号时，则第5位不显示任何字符
                        num[19:16] <= 4'd10;
                end
                else begin               //如果显示数据为3位十进制数，则给低3位数码管赋值
                    if (data2 || point[2]) begin
                        num[11: 0] <= {
    
    data2,data1,data0};
                                         //第6、5位不显示任何字符
                        num[23:16] <= {
    
    2{
    
    4'd10}};
                        if(sign)         //如果需要显示负号，则最高位（第4位）为符号位
                            num[15:12] <= 4'd11;
                        else             //不需要显示负号时，则第4位不显示任何字符
                            num[15:12] <= 4'd10;
                    end
                    else begin           //如果显示数据为2位十进制数，则给低2位数码管赋值
                        if (data1 || point[1]) begin
                            num[ 7: 0] <= {
    
    data1,data0};
                                         //第6、5、4位不显示任何字符
                            num[23:12] <= {
    
    3{
    
    4'd10}};
                            if(sign)     //如果需要显示负号，则最高位（第3位）为符号位
                                num[11:8]  <= 4'd11;
                            else         //不需要显示负号时，则第3位不显示任何字符
                                num[11:8] <=  4'd10;
                        end
                        else begin       //如果显示数据为1位十进制数，则给最低位数码管赋值
                            num[3:0] <= data0;
                                         //第6、5位不显示任何字符
                            num[23:8] <= {
    
    4{
    
    4'd10}};
                            if(sign)     //如果需要显示负号，则最高位（第2位）为符号位
                                num[7:4] <= 4'd11;
                            else         //不需要显示负号时，则第2位不显示任何字符
                                num[7:4] <= 4'd10;
                        end
                    end
                end
            end
        end
    end
end

//每当计数器对数码管驱动时钟计数时间达1ms，输出一个时钟周期的脉冲信号
always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0) begin
        cnt0 <= 13'b0;
        flag <= 1'b0;
     end
    else if (cnt0 < MAX_NUM - 1'b1) begin
        cnt0 <= cnt0 + 1'b1;
        flag <= 1'b0;
     end
    else begin
        cnt0 <= 13'b0;
        flag <= 1'b1;
     end
end

//cnt_sel从0计数到5，用于选择当前处于显示状态的数码管
always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0)
        cnt_sel <= 3'b0;
    else if(flag) begin
        if(cnt_sel < 3'd5)
            cnt_sel <= cnt_sel + 1'b1;
        else
            cnt_sel <= 3'b0;
    end
    else
        cnt_sel <= cnt_sel;
end

//控制数码管位选信号，使6位数码管轮流显示
always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        seg_sel  <= 6'b111111;              //位选信号低电平有效
        num_disp <= 4'b0;           
        dot_disp <= 1'b1;                   //共阳极数码管，低电平导通
    end
    else begin
        if(en) begin
            case (cnt_sel)
                3'd0 :begin
                    seg_sel  <= 6'b111110;  //显示数码管最低位
                    num_disp <= num[3:0] ;  //显示的数据
                    dot_disp <= ~point[0];  //显示的小数点
                end
                3'd1 :begin
                    seg_sel  <= 6'b111101;  //显示数码管第1位
                    num_disp <= num[7:4] ;
                    dot_disp <= ~point[1];
                end
                3'd2 :begin
                    seg_sel  <= 6'b111011;  //显示数码管第2位
                    num_disp <= num[11:8];
                    dot_disp <= ~point[2];
                end
                3'd3 :begin
                    seg_sel  <= 6'b110111;  //显示数码管第3位
                    num_disp <= num[15:12];
                    dot_disp <= ~point[3];
                end
                3'd4 :begin
                    seg_sel  <= 6'b101111;  //显示数码管第4位
                    num_disp <= num[19:16];
                    dot_disp <= ~point[4];
                end
                3'd5 :begin
                    seg_sel  <= 6'b011111;  //显示数码管最高位
                    num_disp <= num[23:20];
                    dot_disp <= ~point[5];
                end
                default :begin
                    seg_sel  <= 6'b111111;
                    num_disp <= 4'b0;
                    dot_disp <= 1'b1;
                end
            endcase
        end
        else begin
            seg_sel  <= 6'b111111;          //使能信号为0时，所有数码管均不显示
            num_disp <= 4'b0;
            dot_disp <= 1'b1;
        end
    end
end

//控制数码管段选信号，显示字符
always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n)
        seg_led <= 8'hc0;
    else begin
        case (num_disp)
            4'd0 : seg_led <= {dot_disp,7'b1000000}; //显示数字 0
            4'd1 : seg_led <= {dot_disp,7'b1111001}; //显示数字 1
            4'd2 : seg_led <= {dot_disp,7'b0100100}; //显示数字 2
            4'd3 : seg_led <= {dot_disp,7'b0110000}; //显示数字 3
            4'd4 : seg_led <= {dot_disp,7'b0011001}; //显示数字 4
            4'd5 : seg_led <= {dot_disp,7'b0010010}; //显示数字 5
            4'd6 : seg_led <= {dot_disp,7'b0000010}; //显示数字 6
            4'd7 : seg_led <= {dot_disp,7'b1111000}; //显示数字 7
            4'd8 : seg_led <= {dot_disp,7'b0000000}; //显示数字 8
            4'd9 : seg_led <= {dot_disp,7'b0010000}; //显示数字 9
            4'd10: seg_led <= 8'b11111111;           //不显示任何字符
            4'd11: seg_led <= 8'b10111111;           //显示负号(-)
            default: 
                   seg_led <= {
    
    dot_disp,7'b1000000};
        endcase
    end
end

endmodule 

module led_ctrl(
    input             sys_clk   ,  //系统时钟
    input             sys_rst_n ,  //系统复位信号，低电平有效
    
    input             repeat_en ,  //重复码触发信号
    output    reg     led          //LED灯
    );

//reg define
reg            repeat_en_d0 ;      //repeat_en信号打拍采沿
reg            repeat_en_d1 ;
reg    [22:0]  led_cnt      ;      //LED灯计数器,用于控制LED灯亮灭

//wire define
wire           pos_repeat_en;

//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************

assign  pos_repeat_en = ~repeat_en_d1 & repeat_en_d0;

repeat_en信号打拍采沿
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if(!sys_rst_n) begin
        repeat_en_d0 <= 1'b0;
        repeat_en_d1 <= 1'b0;
    end
    else begin
        repeat_en_d0 <= repeat_en;
        repeat_en_d1 <= repeat_en_d0;
    end
end    

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if(!sys_rst_n) begin
        led_cnt <= 23'd0;
        led <= 1'b0;
    end
    else begin
        if(pos_repeat_en) begin
            led_cnt <= 23'd5_000_000;              //单次重复码:亮80ms 灭20ms
            led <= 1'b1;                           //led亮的时间:4_000_000*20ns=80ms
        end   
        else if(led_cnt != 23'd0) begin
            led_cnt <= led_cnt - 23'd1;
            if(led_cnt < 23'd1_000_000)            //led灭的时间:1_000_000*20ns=20ms
                led <= 1'b0;
        end     
    end    
end

endmodule