STM32入门开发: NEC红外线协议解码(超低成本无线传输方案)

简介: STM32入门开发: NEC红外线协议解码(超低成本无线传输方案)

一、环境介绍

MCU: STM32F103ZET6


编程软件环境: keil5


红外线传输协议:  NEC协议---38KHZ载波:。NEC协议是红外遥控协议中常见的一种。


解码思路:  外部中断 + 定时器方式


代码风格:   模块化编程,寄存器直接操作方式


完整keil工程源码下载(解压即可编译运行测试):  


https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/19863275


二、NEC协议与解码思路介绍

2.1 采用的相关硬件

 图1:  这是NEC协议的红外线遥控器:  如果自己手机没有红外线遥控器的功能,可以淘宝上买一个小遥控器来学习测试,成本不高,这个遥控器也可以自己做,能解码当然也可以编码发送,只需要一个红外光发射管即可。

image.png

    图2: 这是红外线接收头模块。如果自己的开发板没有自带这个接收头,那就单独买一个接收头模块,使用杜邦线接到开发板的IO口上即可用来测试学习,接线很方便。

image.png

image.png

图3: 这是红外线发射管,如果自己想做遥控器的发射端,自己做遥控器,那么就可以直接购买这种模块即可。

image.png

2.2 红外线协议介绍

在光谱中波长自760nm至400um的电磁波称为红外线,它是一种不可见光。红外线通信的例子我们每个人应该都很熟悉,目前常用的家电设备几乎都可以通过红外遥控的方式进行遥控,比如电视机、空调、投影仪等,都可以见到红外遥控的影子。这种技术应用广泛,相应的应用器件都十分廉价,因此红外遥控是我们日常设备控制的理想方式。


红外线的通讯原理: 红外光是以特定的频率脉冲形式发射,接收端收到到信号后,按照约定的协议进行解码,完成数据传输,在消费类电子产品里,脉冲频率普遍采用 30KHz 到 60KHz 这个频段,NEC协议的频率就是38KHZ。 这个以特定的频率发射其实就可以理解为点灯,不要被复杂的词汇难住了,就是控制灯的闪烁频率(亮灭),和刚学单片机完成闪光灯一样的意思,只不过是灯换了一种类型,都是灯。 接收端的原理:  接收端的芯片对这个红外光比较敏感,可以根据有没有光输出高低电平,如果发送端的闪烁频率是有规律的,接收端收到后输出的高电平和低电平也是有规律对应的,这样发送端和接收端只要约定好,那就可以做数据传输了。


红外线传输协议可以说是所有无线传输协议里成本最低,最方便的传输协议了,但是也有缺点,距离不够长,速度不够快;当然,每个传输协议应用的环境不一样,定位不一样,好坏没法比较,具体要看自己的实际场景选择合适的通信方式。  


2.3 NEC协议介绍

NEC协议是众多红外线协议中的一种(这里说的协议就是他们数据帧格式定义不一样,数据传输原理都是一样的),我们购买的外能遥控器、淘宝买的mini遥控器、电视机、投影仪几乎都是NEC协议。  像格力空调、美的空调这些设备使用的就是其他协议格式,不是NEC协议,但是只要学会一种协议解析方式,明白了红外线传输原理,其他遥控器协议都可以解出来。


下图是NEC协议传输一次数据的完整格式:

image.png

NEC协议一次完整的传输包含:    引导码、8位用户码、8位用户反码、8位数据码、8位数据反码。


(注意:下面的解释都是站在红外线接收端的角度来进行说明的,就是解码端的角度)


引导码:  由9ms的高电平+4.5ms的低电平组成。


4个字节的数据:  用户码+用户反码+数据码+数据反码。  这里的反码可以用来校验数据是否传输正确,有没有丢包。


重点:  NEC协议传输数据位的时候,0和1的区分是依靠收到的高、低电平的持续时间来进行区分的---这是解码关键。


标准间隔时间:0.56ms


收到数据位0:  0.56ms


收到位1:  1.68ms


所以,收到一个数据位的完整时间表示方法是这样的:


收到数据位0:   0.56m低电平+ 0.56ms的高电平


收到数据位1:  0.56ms低电平+1.68ms的高电平


红外线接收头模块输出电平的原理: 红外线接收头感应到有红外光就输出低电平,没有感应到红外光就输出高电平。


这是使用逻辑分析采集红外线接收头输出的信号:

image.png

这是采集红外线遥控器上的LED灯输出电平时序图,刚好和接收端相反:

image.png

单片机编写解码程序的时候,常见的方式就是采用外部中断+定时器的方式进行解析,中断可以设置为低电平触发,因为接收头没有感应到红外光默认是输出高电平,如果收到NEC引导码,就会输出低电平,进入到中断服务函数,完成解码,解码过程中开启定时器记录每一段的高电平、低电平的持续时间,按照NEC协议进行判断,完成最终解码。


STM32可以使用输入捕获方式完成解码,其实输入捕获就是外部中断+定时器的组合,只不过是STM32内部封装了一层。


外部中断服务器里的解码程序如下(这个在其他单片机上思路是一样的):

/*
函数功能:  外部中断线9_5服务函数
*/
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    u32 time;
    u8 i,j,data=0;
    //清除中断线9上的中断请求
    EXTI->PR|=1<<9;
    time=Infrared_GetTime_L();       //得到低电平时间
    if(time<7000||time>10000)return; //标准时间: 9000us
    time=Infrared_GetTime_H();       //得到高电平时间
    if(time<3000||time>5500)return;  //标准时间4500us
    //正式解码NEC协议
    for(i=0;i<4;i++)
    {
        for(j=0;j<8;j++)
        {
             time=Infrared_GetTime_L();       //得到低电平时间
             if(time<400||time>700)return;    //标准时间: 560us
             time=Infrared_GetTime_H();       //得到高电平时间
             if(time>1400&&time<1800)         //数据1 1680us
             {
                data>>=1;
                data|=0x80;
             }
             else if(time>400&&time<700)   //数据0 560us
             {
                data>>=1;
             }
             else return;
        }
        InfraredRecvData[i]=data; //存放解码成功的值
      }
      //解码成功
      InfraredRecvState=1;
}

三、核心完整代码

image.png

image.png

本程序的解码思路是: 将红外线接收模块的输出脚接到STM32的PB9上,配置STM32的PB9为外部中断模式,下降沿电平触发;如果收到红外线信号就进入到中断服务函数里解码,如果解码过程中发现数据不符合要求就终止解码,如果数据全部符合要求就按照协议接收,直到解码完成,设置标志位,在main函数里打印解码得到的数据。


代码都是模块化编程,阅读起来也很方便。


3.1  红外线解码.c

#include "nec_Infrared.h"
u8 InfraredRecvData[4]; //存放红外线解码接收的数据
u8 InfraredRecvState=0; //0表示未接收到数据,1表示接收到数据 
/*
函数功能: 红外线解码初始化(接收)
*/
void Infrared_RecvInit(void)
{
    Infrared_Time6_Init(); //定时器初始化
    /*1. 配置GPIO口*/
    RCC->APB2ENR|=1<<3; //PB
    GPIOB->CRH&=0xFFFFFF0F;
    GPIOB->CRH|=0x00000080;
    GPIOB->ODR|=1<<9;
    /*2. 配置外部中断*/
    EXTI->IMR|=1<<9; //外部中断线9,开放中断线的中断请求功能
    EXTI->FTSR|=1<<9; //中断线9_下降沿
    RCC->APB2ENR|=1<<0; //开启AFIO时钟
    AFIO->EXTICR[2]&=~(0xF<<1*4);
    AFIO->EXTICR[2]|=0x1<<1*4;
    STM32_NVIC_SetPriority(EXTI9_5_IRQn,1,1);
}
/*
函数功能: 初始化定时器,用于红外线解码
*/
void Infrared_Time6_Init(void)
{
    RCC->APB1ENR|=1<<4;
    RCC->APB1RSTR|=1<<4;
    RCC->APB1RSTR&=~(1<<4);
    TIM6->PSC=72-1; //预分频器
    TIM6->ARR=65535;   //重装载寄存器
    TIM6->CR1|=1<<7; //开启缓存功能
    //TIMx->CR1|=1<<0; //开启定时器
}
/*
函数功能: 测量高电平持续的时间
*/
u32 Infrared_GetTime_H(void)
{
    TIM6->CNT=0;
    TIM6->CR1|=1<<0;    //开启定时器
    while(NEC_IR){}     //等待高电平结束
    TIM6->CR1&=~(1<<0); //关闭定时器
    return TIM6->CNT;
}
/*
函数功能: 测量低电平持续的时间
*/
u32 Infrared_GetTime_L(void)
{
    TIM6->CNT=0;
    TIM6->CR1|=1<<0;    //开启定时器
    while(!NEC_IR){}     //等待低电平结束
    TIM6->CR1&=~(1<<0); //关闭定时器
    return TIM6->CNT;
}
/*
函数功能:  外部中断线9_5服务函数
*/
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    u32 time;
    u8 i,j,data=0;
    //清除中断线9上的中断请求
    EXTI->PR|=1<<9;
    time=Infrared_GetTime_L();       //得到低电平时间
    if(time<7000||time>10000)return; //标准时间: 9000us
    time=Infrared_GetTime_H();       //得到高电平时间
    if(time<3000||time>5500)return;  //标准时间4500us
    //正式解码NEC协议
    for(i=0;i<4;i++)
    {
        for(j=0;j<8;j++)
        {
             time=Infrared_GetTime_L();       //得到低电平时间
             if(time<400||time>700)return;    //标准时间: 560us
             time=Infrared_GetTime_H();       //得到高电平时间
             if(time>1400&&time<1800)         //数据1 1680us
             {
                data>>=1;
                data|=0x80;
             }
             else if(time>400&&time<700)   //数据0 560us
             {
                data>>=1;
             }
             else return;
        }
        InfraredRecvData[i]=data; //存放解码成功的值
      }
      //解码成功
      InfraredRecvState=1;
}

3.2  主函数.c

#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include "at24c02.h"
#include "W25Q64.h"
#include "spi.h"
#include "nec_Infrared.h"
int main()
{
  LED_Init();
  BEEP_Init();
  KeyInit();
  USARTx_Init(USART1,72,115200);
  IIC_Init();
  W25Q64_Init();
  printf("芯片ID号:0x%X\n",W25Q64_ReadID());
  Infrared_RecvInit();
  while(1)
  {
    if(InfraredRecvState)
    {
        InfraredRecvState=0;
        printf("用户码:%d,按键码:%d\n",InfraredRecvData[0],InfraredRecvData[2]);
        printf("user反码:%d,key反码:%d\n",(~InfraredRecvData[1])&0xFF,(~InfraredRecvData[3])&0xFF);
        BEEP=!BEEP;
        LED0=!LED0;
    }
  }
}

四、扩展提高

如果上面的NEC的解码思路已经看到,程序已经可以自己编写,就可以试着使用STM32的输入捕获+定时器方式写一版解码代码,既能更加熟悉NEC协议、也可以学习STM32定时器捕获捕获的用法;也可以做一些小东西来锻炼,比如:红外线遥控小车、音乐播放器支持红外线遥控器切歌,电机的开关、灯的开关等等。


搞定协议解码之后,我们下一步就是完成自定义的NEC协议红外线制作,采用STM32模拟一个万能红外线遥控器。



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