正点原子开拓者FPGA开发板资料连载第二十四章 红外遥控实验

2）摘自《开拓者FPGA开发指南》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子
3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-13912-1-1.html

第二十四章 红外遥控实验
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、易
实现等显著特点，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。本章我们将使用开拓者FPGA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，如果监测到重复码，则通过LED灯闪烁指示。
本章分为以下几个章节：
24.1 红外遥控简介
24.2 实验任务
24.3 硬件设计
24.4 程序设计
24.5 下载验证
红外遥控简介
红外遥控是一种无线、非接触控制技术，由于它不具有像无线电遥控那样可以穿过障碍物
去控制被控对象的能力，所以同类产品的红外遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，而不会
隔墙控制或干扰邻居的家用电器，这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外遥控器提供了
极大的方便。红外遥控器发射出的实际上是一种红外光（红外线），其波长范围在1mm到760nm
之间，而人眼可见光的波长范围一般在400nm到760nm之间，所以我们并不能看到红外遥控器发
出的红外光，因此对环境的影响很小，也不会影响临近的无线电设备。
红外遥控器的编码目前广泛使用的是：NEC协议和Philips RC-5协议。开拓者FPGA开发板
配套的遥控器使用的是NEC协议，其逻辑电平编码格式如图 24.1.1所示。


图 24.1.1 NEC协议逻辑电平编码格式
NEC协议采用PPM调制（Pulse Position Modulation，脉冲位置调制）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（carrier burst）进行调制，推
荐的载波占空比为1/3至1/4。由上图可知，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+载波脉冲间隔时间为2.25ms；逻辑“0”的载
波脉冲+载波脉冲间隔时间为逻辑“1”的一半，也就是1.125ms。


图 24.1.2 NEC协议的数据传输格式
图 24.1.2为NEC协议的数据传输格式。由图可知，传输数据时低位在前，图中的地址码
（Address）为0x59，控制码（Command）为0x16。一个信息的发送由9ms的AGC（自动增益控制）
载波脉冲开始，用于在早期的IR红外接收器中设置增益；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，
用于对地址码和控制码做校验，当然，也可以直接忽略地址码反码和控制码反码。每次信息都
是按照同步码（9ms载波脉冲+4.5ms空闲信号）、地址码、地址反码、控制码和控制反码的格
式进行传输，因此，单次信息传输的时间是固定不变的。
当红外遥控器上的按键被一直按下时，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，同样是由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，重复码
的数据格式如图 24.1.3和图 24.1.4所示。


图 24.1.3 重复码的数据格式


图 24.1.4 一直发送重复码
以上部分是对NEC协议的介绍，也就是红外遥控器发送数据时所遵循的协议规范，接下来
我们了解下开发板板载的红外接收头，其型号为HS0038B，实物图和结构框图如图 24.1.5和图
24.1.6所示。

图 24.1.5 HS0038B实物图


图 24.1.6 HS0038B结构框图
红外接收头通常被厂家集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。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。红外遥控器发出的信息经38KHz的载频进行二级调制以提高发射效率，达到降低电源功率
的目的，然后再经过红外发射二极管产生红外线向空间中发射。红外接收头通过红外监测二极
管，将光信号转换成电信号，经过电路调制之后，最终输出可以被FPGA采集的TTL电平信号。
这里要注意的一点是，红外接收头内部的三极管电路具有信号反向的功能，也就是将1变为0，
0变为1，那么上面的整个协议则电平反过来接收。9ms本来是高电平，那么将变为低电平，以
此类推如图 24.1.7所示，接收解码对应的波形是FPGA最终接收到的红外信号。

图 24.1.7 红外接收解码接收图
下图为红外解码接收到的完整波形。


图 24.1.8 红外解码接收到的完整波形
从图 24.1.8可以看到，地址码为0，控制码为0x15。在一段时间之后，我们还可以收到几
个脉冲，这就是NEC协议规定的重复码（连发码），如果一帧数据发送完毕之后，按键仍然没
有放开，则发射重复码，可以通过统计重复码来标记按键按下的长短/次数。
实验任务
本节实验任务是使用开拓者FPGA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；如果监测到重复码，则通过LED灯闪烁指示。
硬件设计
HS0038电路原理图如图 24.3.1所示，图中REMOTE_IN信号为红外接收头的电平输出端。

图 24.3.1 HS0038B电路原理图
本实验的管脚分配如下表所示
表 24.3.1 红外遥控数码管显示实验管脚分配



程序设计
根据实验任务可大致规划出控制流程，红外驱动模块解析红外数据，将控制码输出至数码
管驱动模块，重复码有效信号输出至LED控制模块。数码管驱动模块将对应的位选和段选信号
发送至数码管，使相应的数字显示在数码管上，LED控制模块根据重复码信号控制LED灯的亮灭。
系统框图如下所示。
图 24.4.1 红外遥控实验系统框图


顶层模块原理图如下所示

图 24.4.2 顶层模块原理图
FPGA顶层（top_remote_rcv）例化了以下两个模块：红外驱动模块（remote_rcv）和数码
管动态显示模块（seg_led），实现各模块间信号的交互。
顶层模块代码如下：
1 module top_remote_rcv(
2 input sys_clk , //系统时钟
3 input sys_rst_n, //系统复位信号，低电平有效
4 input remote_in, //红外接收信号
5 output [5:0] sel , //数码管位选信号
6 output [7:0] seg_led , //数码管段选信号
7 output led //led灯
8 );
9
10 //wire define
11 wire [7:0] data ;
12 wire repeat_en ;
13
14 //*****************************************************
15 //** main code
16 //*****************************************************
17
18 //数码管显示模块
19 seg_led u_seg_led(
20 .clk (sys_clk),
21 .rst_n (sys_rst_n),
22 .sel (sel),
23 .seg_led (seg_led),
24 .data (data), //红外数据
25 .point (6'd0), //无小数点
26 .en (1'b1), //使能数码管
27 .sign (1'b0) //无符号显示
28 );
29
30 //HS0038B驱动模块
31 remote_rcv u_remote_rcv(
32 .sys_clk (sys_clk),
33 .sys_rst_n (sys_rst_n),
34 .remote_in (remote_in),
35 .repeat_en (repeat_en),
36 .data_en (),
37 .data (data)
38 );
39
40 led_ctrl u_led_ctrl(
41 .sys_clk (sys_clk),
42 .sys_rst_n (sys_rst_n),
43 .repeat_en (repeat_en),
44 .led (led)
45 );
46
47 endmodule
顶层模块完成对其他模块的例化，红外驱动模块输出的控制码（data）连接至数码管显示
模块，输出的repeat_en（重复码有效信号）连接至LED控制模块。
由本章简介部分介绍的红外传输时序可以发现，红外传输时序非常适合使用状态机来编写。
红外驱动模块状态跳转图如下图所示。

图 24.4.3 红外驱动模块状态跳转图
红外驱动模块使用三段式状态机来解析红外遥控信号，从上图可以比较直观的看到每个状
态实现的功能以及跳转都下一个状态的条件。由于一次完整的红外信息和重复码都是以同步码
（9ms的低电平）开始，其空闲信号高电平的时间是不一样的，一次完整的红外信息空闲信号
高电平时间是4.5ms，而重复码的空闲信号高电平时间是2.25ms。所以我们在st_start_judge
状态判断空闲信号高电平的时间，如果时间是4.5ms，则跳转到st_rec_data状态；如果时间是
2.25ms，则跳转到st_repeat状态。
红外驱动模块部分代码如下：
1 module remote_rcv(
2 input sys_clk , //系统时钟
3 input sys_rst_n , //系统复位信号，低电平有效
4
5 input remote_in , //红外接收信号
6 output reg repeat_en , //重复码有效信号
7 output reg data_en , //数据有效信号
8 output reg [7:0] data //红外控制码
9 );
10
11 //parameter define
12 parameter st_idle = 5'b0_0001; //空闲状态
13 parameter st_start_low_9ms = 5'b0_0010; //监测同步码低电平
14 parameter st_start_judge = 5'b0_0100; //判断重复码和同步码高电平(空闲信号)
15 parameter st_rec_data = 5'b0_1000; //接收数据
16 parameter st_repeat_code = 5'b1_0000; //重复码
17
18 //reg define
19 reg [4:0] cur_state ;
20 reg [4:0] next_state ;
21
22 reg [11:0] div_cnt ; //分频计数器
23 reg div_clk ; //分频时钟
24 reg remote_in_d0 ; //对输入的红外信号延时打拍
25 reg remote_in_d1 ;
26 reg [7:0] time_cnt ; //对红外的各个状态进行计数
27
28 reg time_cnt_clr ; //计数器清零信号
29 reg time_done ; //计时完成信号
30 reg error_en ; //错误信号
31 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
32 reg [15:0] data_temp ; //暂存收到的控制码和控制反码
33 reg [5:0] data_cnt ; //对接收的数据进行计数
34
35 //wire define
36 wire pos_remote_in ; //输入红外信号的上升沿
37 wire neg_remote_in ; //输入红外信号的下降沿
38
39 //*****************************************************
40 //** main code
41 //*****************************************************
42
43 assign pos_remote_in = (~remote_in_d1) & remote_in_d0;
44 assign neg_remote_in = remote_in_d1 & (~remote_in_d0);
45
46 //时钟分频,50Mhz/(2*(3124+1))=8khz,T=0.125ms
47 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n ) begin
48 if (!sys_rst_n) begin
49 div_cnt <= 12'd0;
50 div_clk <= 1'b0;
51 end
52 else if(div_cnt == 12'd3124) begin
53 div_cnt <= 12'd0;
54 div_clk <= ~div_clk;
55 end
56 else
57 div_cnt = div_cnt + 12'b1;
58 end
59
60 //对红外的各个状态进行计数
61 always @(posedge div_clk or negedge sys_rst_n) begin
62 if(!sys_rst_n)
63 time_cnt <= 8'b0;
64 else if(time_cnt_clr)
65 time_cnt <= 8'b0;
66 else
67 time_cnt <= time_cnt + 8'b1;
68 end
69
70 //对输入的remote_in信号延时打拍
71 always @(posedge div_clk or negedge sys_rst_n) begin
72 if(!sys_rst_n) begin
73 remote_in_d0 <= 1'b0;
74 remote_in_d1 <= 1'b0;
75 end
76 else begin
77 remote_in_d0 <= remote_in;
78 remote_in_d1 <= remote_in_d0;
79 end
80 end
81
82 //状态机
83 always @ (posedge div_clk or negedge sys_rst_n) begin
84 if(!sys_rst_n)
85 cur_state <= st_idle;
86 else
87 cur_state <= next_state ;
88 end
89
90 always @(*) begin
91 next_state = st_idle;
92 case(cur_state)
93 st_idle : begin //空闲状态
94 if(remote_in_d0 == 1'b0)
95 next_state = st_start_low_9ms;
96 else
97 next_state = st_idle;
98 end
99 st_start_low_9ms : begin //监测同步码低电平
100 if(time_done)
101 next_state = st_start_judge;
102 else if(error_en)
103 next_state = st_idle;
104 else
105 next_state = st_start_low_9ms;
106 end
107 st_start_judge : begin //判断重复码和同步码高电平(空闲信号)
108 if(time_done) begin
109 if(judge_flag == 1'b0)
110 next_state = st_rec_data;
111 else
112 next_state = st_repeat_code;
113 end
114 else if(error_en)
115 next_state = st_idle;
116 else
117 next_state = st_start_judge;
118 end
119 st_rec_data : begin //接收数据
120 if(pos_remote_in && data_cnt == 6'd32)
121 next_state = st_idle;
122 else
123 next_state = st_rec_data;
124 end
125 st_repeat_code : begin //重复码
126 if(pos_remote_in)
127 next_state = st_idle;
128 else
129 next_state = st_repeat_code;
130 end
131 default : next_state = st_idle;
132 endcase
133 end
134
135 always @(posedge div_clk or negedge sys_rst_n ) begin
136 if (!sys_rst_n) begin
137 time_cnt_clr <= 1'b0;
138 time_done <= 1'b0;
139 error_en <= 1'b0;
140 judge_flag <= 1'b0;
141 data_en <= 1'b0;
142 data <= 8'd0;
143 repeat_en <= 1'b0;
144 data_cnt <= 6'd0;
145 data_temp <= 32'd0;
146 end
147 else begin
148 time_cnt_clr <= 1'b0;
149 time_done <= 1'b0;
150 error_en <= 1'b0;
151 repeat_en <= 1'b0;
152 data_en <= 1'b0;
153 case(cur_state)
154 st_idle : begin
155 time_cnt_clr <= 1'b1;
156 if(remote_in_d0 == 1'b0)
157 time_cnt_clr <= 1'b0;
158 end
159 st_start_low_9ms : begin //9ms/0.125ms = 72
160 if(pos_remote_in) begin
161 time_cnt_clr <= 1'b1;
162 if(time_cnt >= 69 && time_cnt <= 75)
163 time_done <= 1'b1;
164 else
165 error_en <= 1'b1;
166 end
167 end
168 st_start_judge : begin
169 if(neg_remote_in) begin
170 time_cnt_clr <= 1'b1;
171 //重复码高电平2.25ms 2.25/0.125 = 18
172 if(time_cnt >= 15 && time_cnt <= 20) begin
173 time_done <= 1'b1;
174 judge_flag <= 1'b1;
175 end
176 //同步码高电平4.5ms 4.5/0.125 = 36
177 else if(time_cnt >= 33 && time_cnt <= 38) begin
178 time_done <= 1'b1;
179 judge_flag <= 1'b0;
180 end
181 else
182 error_en <= 1'b1;
183 end
184 end
185 st_rec_data : begin
186 if(pos_remote_in) begin
187 time_cnt_clr <= 1'b1;
188 if(data_cnt == 6'd32) begin
189 data_en <= 1'b1;
190 data_cnt <= 6'd0;
191 data_temp <= 16'd0;
192 if(data_temp[7:0] == ~data_temp[15:8]) //校验控制码和控制反码
193 data <= data_temp[7:0];
194 end
195 end
196 else if(neg_remote_in) begin
197 time_cnt_clr <= 1'b1;
198 data_cnt <= data_cnt + 1'b1;
199 //解析控制码和控制反码
200 if(data_cnt >= 6'd16 && data_cnt <= 6'd31) begin
201 if(time_cnt >= 2 && time_cnt <= 6) begin //0.565/0.125 = 4.52
202 data_temp <= {1'b0,data_temp[15:1]}; //逻辑“0”
203 end
204 else if(time_cnt >= 10 && time_cnt <= 15) //1.69/0.125 = 13.52
205 data_temp <= {1'b1,data_temp[15:1]}; //逻辑“1”
206 end
207 end
208 end
209 st_repeat_code : begin
210 if(pos_remote_in) begin
211 time_cnt_clr <= 1'b1;
212 repeat_en <= 1'b1;
213 end
214 end
215 default : ;
216 endcase
217 end
218 end
219
220 endmodule
在代码第47行开始的always语句块中，我们对输入的50MHz的时钟进行分频，得到一个周
期为0.125ms（8KHz）的时钟，即以8Khz的时钟对红外信号进行采样。这里之所以对时钟进行
分频，是因为红外信号接收的过程用时较长，如果使用50Mhz的时钟采样，内部定义的计数器
位宽会比较大，所以我们对输入的时钟做了分频的处理，当然分频得到其它频率的时钟也是可
以的。
代码中使用三段式状态机对红外信号进行解析。状态机默认是在st_idle（空闲）状态，
并且此时time_cnt_clr的值为1，即time_cnt计数器停止计时；当监测到remote_in_d0为低电
平 之 后 ， time_cnt_clr 的 值 为 0 ， time_cnt 计 数 器 开 始 计 时 ， 此 时 状 态 机 跳 转 到
st_start_low_9ms状态，在这里主要向大家介绍下程序是如何对9ms低电平的同步码进行计数
的。在代码的第160行，当检测到pos_remote_in（红外信号上升沿）为高电平时，说明此时红
外信号拉高，即同步码低电平结束，此时判断time_cnt的值是否接近9ms，如果接近9ms，此时
开始跳转到st_start_judge状态，否则跳转到空闲状态。程序后面对空闲信号、重复码以及数
据的检测方法类似，在此不再赘述。
图 24.4.4为SignalTap抓取的波形图，从图中可以清晰的看到红外驱动模块各个状态跳转
的波形图。可以观察到空闲状态时总线为高电平，按下遥控器按键后，发出9ms低电平的同步
码和4.5ms高电平的空闲信号，然后发出00000000的地址码和11111111的地址反码；接下来发
送10100010的控制码和01011101的控制反码。需要注意的是，红外遥控先发送的是数据的低位，
所以控制码为8’b01000101（8’d69），和图中的data（控制码）保持一致。在波形图的最后，
接收到了红外遥控器发出的重复码，当程序检测到重复码之后，repeat_en发出一次脉冲信号。

图 24.4.4 SignalTap抓取的波形图
LED控制模块代码如下：
1 module led_ctrl(
2 input sys_clk , //系统时钟
3 input sys_rst_n , //系统复位信号，低电平有效
4
5 input repeat_en , //重复码触发信号
6 output reg led //LED灯
7 );
8
9 //reg define
10 reg repeat_en_d0 ; //repeat_en信号打拍采沿
11 reg repeat_en_d1 ;
12 reg [22:0] led_cnt ; //LED灯计数器,用于控制LED灯亮灭
13
14 //wire define
15 wire pos_repeat_en;
16
17 //*****************************************************
18 //** main code
19 //*****************************************************
20
21 assign pos_repeat_en = ~repeat_en_d1 & repeat_en_d0;
22
23 ////repeat_en信号打拍采沿
24 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
25 if(!sys_rst_n) begin
26 repeat_en_d0 <= 1'b0;
27 repeat_en_d1 <= 1'b0;
28 end
29 else begin
30 repeat_en_d0 <= repeat_en;
31 repeat_en_d1 <= repeat_en_d0;
32 end
33 end
34
35 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
36 if(!sys_rst_n) begin
37 led_cnt <= 23'd0;
38 led <= 1'b0;
39 end
40 else begin
41 if(pos_repeat_en) begin
42 led_cnt <= 23'd5_000_000; //单次重复码:亮80ms 灭20ms
43 led <= 1'b1; //led亮的时间:4_000_000*20ns=80ms
44 end
45 else if(led_cnt != 23'd0) begin
46 led_cnt <= led_cnt - 23'd1;
47 if(led_cnt < 23'd1_000_000) //led灭的时间:1_000_000*20ns=20ms
48 led <= 1'b0;
49 end
50 end
51 end
52
53 endmodule
LED控制模块代码比较简单，首先检测repeat_en信号的上升沿（如代码的第24行开始的
always所示），pos_repeat_en拉高之后，计数器赋值为5_000_000，随后计数器每个周期开始
递减1，直到计数到0；在计数器在1_000_000~5_000_000范围内，点亮LED灯，其它情况熄灭LED
灯，从而指示红外遥控模块是否检测到重复码。
下载验证
首先我们打开红外遥控工程，在工程所在的路径下打开top_remote_rcv/par文件夹，在里
面找到“top_remote_rcv.qpf”并双击打开。注意工程所在的路径名只能由字母、数字以及下
划线组成，不能出现中文、空格以及特殊字符等。工程打开后如图 24.5.1所示。
图 24.5.1 打开工程
工程打开后通过点击工具栏中的“Programmer”图标(图中红框位置)打开下载界面，通过
“Add File” 按 钮 选择串 口工程 中 top_remote_rcv/par/output_files 目 录 下
“top_remote_rcv.sof”文件，下载界面如图 24.5.2所示（图中已下载完毕）。

图 24.5.2 下载界面
将下载器一端连电脑，另一端与开发板上对应端口连接，然后连接电源线并打开电源开关。
开发板电源打开后，在程序下载界面点击“Hardware Setup”， 在弹出的对话框中选择
当前的硬件连接为“USB-Blaster”。然后点击“Start”将工程编译完成后得到的sof文件下
载到开发板中。
下载完成后，按下遥控器上任意按键，就可以观察数码管上显示的数据了；长按按键的话，
可以观察到LED在不停地闪烁。需要注意的是，使用遥控器之前需要先将遥控器后部的塑料绝
缘片拔出，否则遥控器无法正常使用。