源码系列：基于FPGA的红外线遥控系统设计（附源工程）

原创 FPGA技术江湖 2024-07-07 08:05

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今天给大侠带来基于FPGA的红外线遥控系统设计，附源码，获取源码，请在“FPGA技术江湖”公众号内回复“红外线遥控系统设计源码”，可获取源码文件。话不多说，上货。

前言

红外线(Infrared)是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长在760纳米(nm)至1毫米(mm)之间，比红光长的非可见光。红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。现在工业设备中，也已经广泛在使用。

设计原理

红外遥控系统主要由红外的发送装置和接收装置组成,发送装置可由按键,编码模块,发射电路等组成,接收装置由红外接收电路,遥控,解码模块等组成,此次设计我们用到的硬件平台式是Altera的DE1_SOC,晶振为50MHZ。

在红外的编码中，我们对1 和 0 的编码是通过38KHZ的脉冲来定义的,在红外的的编码中每个脉冲的为256.25us长的38KHZ载波频率(26.3us),对0,1的脉冲的定义的时间如下图：

红外的数据格式为包括引导码,用户码,数据码和数据纠错码,停止位编码总为32位。数据反码是数据码反相后的编码,可用于对数据的纠错。此外第二段的用户码可以在遥控应用电路中设置为第一段用户码的反码。

数据格式如下图:

一帧数据在发送时先发送9MS的高电平,然后发送4.5MS的低电平的起始位,然后发送用户码,数据码,数据反码。然后再发送一位的停止位。不发送数据时数据线一直为低。

发送的时序图如下:

接受的时,接收到的时序和发送的时序恰恰相反,如发送时先发送9ms的高,4.5ms的低,接收为接收9ms的低电平,4.5ms低电平。

接收的控制器我们用的时红外遥控装置,按键发送的数据如下图所示：

设计框架

设计的总框架如下图：

在设计中分频模块提供所需要的38KHZ的时钟，当按键按下时发送我们的发送模块发送一个给定的数值，我用户码为8'b0，第二段用户码为8'hff，然后发送给定的数据码，和数据反码。上电后我们的设计会发一次我们给定的数据码，然后在接受模块会接受到其发送的数据并在数码管上显示出来,之后我们可以用我们我的遥控键盘来发送数据，接收模块接收显示出来,通过验证我们接收和发送的正确。

设计代码

顶层模块infrared代码：

module infrared(clk, rst_n, key, tx, seg1, seg2, rx);
  input clk, rst_n;  input key;  output tx;  input rx;  wire [7:0] show_data;  output [7:0] seg1,seg2;  wire [31:0] data_n;  wire  clk_38khz;      clk_frep clk_frep_dut(    .clk(clk),    .rst_n(rst_n),    .clk_38khz(clk_38khz)  );    encode encode_dut(    .clk(clk_38khz),    .rst_n(rst_n),    .d_out(data_n),    .key(key)  );    tttxxx tx_dut(    .clk(clk_38khz),     .rst_n(rst_n),     .data_n(data_n),     .tx(tx),     .key(key)  );    seg seg01(    .clk(clk),    .rst_n(rst_n),    .seg7(seg1),    .data_in(show_data[3:0])  );    seg seg02(    .clk(clk),    .rst_n(rst_n),    .seg7(seg2),    .data_in(show_data[7:4])  );     rx_led led_dut(    .clk(clk_38khz),     .rst_n(rst_n),    .rx(rx),     .show_data(show_data)  );    endmodule

发送模块tttxxx代码：

module tttxxx(clk, rst_n, data_n, tx, key);
  input clk, rst_n;  input key;  input [31:0] data_n;  output reg tx;    reg [31:0] temp;  reg [8:0] count;  reg [2:0] state;  reg data;  reg [13:0] num;  reg [31:0] d_data;    parameter T9ms = 342;            //9000/26.3;  parameter T4500us = 171;      //4500/26.3;  parameter T0 = 21;          //(1125-562.25)/26.3;  parameter T1 = 63;          //(2250-562.25)/26.3;  parameter T562us = 21;        //562.25/26.3;  parameter T = 2666;             reg T9_flag;  reg T45_flag;  reg T0_flag;  reg T1_flag;  reg T9_down;  reg T45_down;  reg T0_down;  reg T1_down;  reg [9:0] cnt9;  reg [9:0] cnt45;  reg [9:0] cnt0;  reg [9:0] cnt1;  reg [9:0] cnt562;  reg t0_clk, t1_clk;    always @ (posedge clk)    if(!rst_n)      begin        count <= 0;        state <= 0;        tx <= 0;        data <= 0;        num <= 0;        temp <= 0;        d_data <= {8'b0,8'hff, 8'b10100010, 8'b01011101};      end    else      case (state)        0  :  if(count < 10)              begin                tx <= 0;                count <= count + 1;              end            else if(!key)              begin                count <= 0;                state <= 1;                T9_flag <= 1;                tx <= 1;              end                1  :  if(T9_down)              begin                state <= 2;                T45_flag <= 1;                tx <= 0;                T9_flag <= 0;              end            else              begin                tx <= 1;                state <= 1;              end                2  :  if(T45_down)              begin                state <= 3;                tx <= 0;                T45_flag <= 0;              end            else              tx <= 0;                3  :  if(count < 32)              begin                count <= count + 1;                if(!d_data[31 - count])                  begin                    T0_flag <= 1;                    state <= 4;                    T1_flag <= 0;                  end                else                  begin                    T1_flag <= 1;                    state <= 5;                    T0_flag <= 0;                  end              end            else              begin                count <= 0;                state <= 6;                T0_flag <= 0;                T1_flag <= 0;              end                4  :  if(T0_down)              begin                state <= 3;                tx <= 0;              end            else              begin                tx <= t0_clk;              end                5  :   if(T1_down)              begin                state <= 3;                tx <= 0;              end            else              tx <= t1_clk;                6  :   if(count < T562us - 1)              begin                count <= count + 1;                tx <= 1;              end            else              begin                                tx <= 0;              end        default:  state <= 0;      endcase
  always @ (posedge clk)    if(!rst_n)      begin        T9_down <= 0;        cnt9 <= 0;      end    else if (T9_flag)      begin        if(cnt9 < T9ms - 1)          begin            T9_down <= 0;            cnt9 <= cnt9 + 1;          end        else          begin            T9_down <= 1;            cnt9 <= 0;          end      end    always @ (posedge clk)    if(!rst_n)      begin        T45_down <= 0;        cnt45 <= 0;      end    else if (T45_flag)      begin        if(cnt45 < T4500us - 1)          begin            T45_down <= 0;            cnt45 <= cnt45 + 1;          end        else          begin            T45_down <= 1;            cnt45 <= 0;          end      end    reg [9:0] cnt00;  always @ (posedge clk)    if(!rst_n)      begin        t0_clk <= 0;        T0_down <= 0;        cnt0 <= 0;        cnt00 <= 0;      end    else if (T0_flag)      begin        if(cnt0 < T562us - 1)          begin            t0_clk <= 1;            cnt0 <= cnt0 + 1;            T0_down <= 0;          end        else           begin            if(cnt00 < T0 - 1)              begin                cnt00 <= cnt00 + 1;                t0_clk <= 0;                T0_down <= 0;              end            else              begin                T0_down <= 1;                cnt0 <= 0;                cnt00 <= 0;              end          end      end    reg [9:0] cnt11;  always @ (posedge clk)    if(!rst_n)      begin        t1_clk <= 0;        T1_down <= 0;        cnt1 <= 0;        cnt11 <= 0;      end      else if (T1_flag)      begin        if(cnt1 < T562us - 1)          begin            t1_clk <= 1;            cnt1 <= cnt1 + 1;            T1_down <= 0;          end        else           begin            if(cnt11 < T1 - 1)              begin                cnt11 <= cnt11 + 1;                t1_clk <= 0;                T1_down <= 0;              end            else              begin                T1_down <= 1;                cnt1 <= 0;                cnt11 <= 0;              end          end      end      endmodule

接收模块rx_led代码：

0    module rx_led(clk, rst_n, rx, show_data);1    2    input clk, rst_n;3    input rx;4    output reg [7:0] show_data;5    6    reg [1:0] state;7    reg [7:0] cnt;8    reg temp;9    reg [9:0] num;10   reg flag;11   reg [31:0] data; 12   reg [1:0] state_s;13   reg flag_x;14   reg [12:0] count;15   16   parameter T = 2566;   // 一帧数据的时间17   18   //这个模块是中因为接受的32位编码数据中，不管是位0还是位1，接受的低电平都是相同的，19   //我们可以通过来判断高电平的时间来确定为位1 还是位0，位’1‘ 1.68MS，位0 562.25us20   always @ (posedge clk)21     if(!rst_n)22       begin23         num <= 0;24         data <= 0;25         state_s <= 0;26         flag_x <= 0;27         count <= 0;28       end29     else30       begin31         case (state_s)32           0  :   if(!rx)            //判断起始位，是否接受=收数据33                 begin34                   state_s <= 1;35                   flag_x <= 0;36                   count <= count + 1;37                 end38               else39                 begin40                   flag_x <= 0;41                   state_s <= 0;42                   count <= count + 1;43                 end44           45           1  :  if(num < (342 + 171 - 1))  //延迟9ms + 4.5ms的起始时间46                 begin47                   num <= num + 1;48                   state_s <= 1;49                   count <= count + 1;50                 end51               else52                 begin53                   num <= 0;54                   state_s <= 2;55                   count <= count + 1;56                 end57           58           2  :   if(flag && num < 32)    //flag来的时候表示接到了位1 ，或者位0，59                             //通过移位寄存器来获取32位数据60                 begin61                   data <= {data[30:0],temp};62                   state_s <= 2;63                   num <= num + 1;64                   count <= count + 1;65                 end66               else if(num == 32)67                 begin68                   state_s <= 3;69                   num <= 0;70                   count <= count + 1;71                 end72               else73                 state_s <= 2;74           75           3  :  if(num < 21 - 1)    //延迟结束位的时间76                 begin77                   num <= num + 1;78                   count <= count + 1;79                 end80               else81                 begin82                   if(count == T - 1)    //延迟一帧数据的时间后，发送一个标志位83                     begin84                       num <= 0;85                       state_s <= 0;86                       flag_x <= 1;87                       count <= 0;88                       count <= count + 1;89                     end90                   else91                     count <= count + 1;92                 end93           default: state_s <= 0;94         endcase95       end96       97   always @ (posedge clk)98     if(!rst_n)99       begin100        cnt <= 0;101        state <= 0;102        temp <= 0;103        flag <= 0;104      end105    else106      if(state_s > 1 && state_s < 3)107      case (state)108        0  :   if(rx)    109              begin110                cnt <= cnt + 1;111                state <= 1;112                flag <= 0;113              end114            else115              begin116                state <= 0;117                flag <= 0;118              end119              120        1  :  if(!rx) 121              begin122                cnt <= cnt;123                state <= 2;124              end125            else126              cnt <= cnt + 1;127        128        2  :  if(400 < cnt * 26 &&  cnt * 26 < 600)    //判断高电平的时间129              begin130                temp <= 0;131                flag <= 1;132                state <= 0;133                cnt <= 0;134              end135            else if (1400 < cnt * 26 && cnt * 26 < 1700)  //判断高电平的时间136              begin137                temp <= 1;138                flag <= 1;139                state <= 0;140                cnt <= 0;141              end142            else143              begin144                state <= 0;145                cnt <= 0;146              end147        default: state <= 0;148      endcase149  150  always @ (*)      //接收完一帧数据后，当标志位来的时候通过对数据的纠错来捕获数据151              //我们接收的数据用的是左移，而发送的时候先发的是低位152    if(!rst_n)153      show_data <= 0;154    else if((data[7:0] == ~data[15:8]) && (data[31:24] == ~data[23:16]) && flag_x)155      begin156        show_data[0] <= data[15];157        show_data[1] <= data[14];158        show_data[2] <= data[13];159        show_data[3] <= data[12];160        show_data[4] <= data[11];161        show_data[5] <= data[10];162        show_data[6] <= data[9];163        show_data[7] <= data[8];164      165      end166    else167      show_data <= show_data;168      169 endmodule

数码管seg模块：

0   module seg(clk, rst_n, seg7, data_in);1 2   input clk;3   input rst_n;4   input [3:0] data_in;5   6   output reg [7:0] seg7;7   8   9   `define T1ms  50_000 //分频出1k的时钟10  //`define T1ms  511  reg [15:0] count;12  reg flag;13  always @ (posedge clk or negedge rst_n) 14    if(!rst_n)15      begin16        count <= 15'b0;17        flag <= 1;18      end19    else20      if(count == `T1ms /2 - 1)21        begin22          count <= 15'b0;23          flag <= ~flag;24        end25      else26        begin27          count <= count + 1'b1;28        end29  30  always @ (posedge flag)31    if(!rst_n)32      seg7 <= 8'b1010_0100;33    else34      begin35        case (data_in)36          0:seg7 <= 8'b1100_0000;37          1:seg7 <= 8'b1111_1001;38          2:seg7 <= 8'b1010_0100;39          3:seg7 <= 8'b1011_0000;40          4:seg7 <= 8'b1001_1001;41          5:seg7 <= 8'b1001_0010;42          6:seg7 <= 8'b1000_0010;43          7:seg7 <= 8'b1111_1000;44          8:seg7 <= 8'b1000_0000;45          9:seg7 <= 8'b1001_0000;46          10:seg7 <= 8'b1000_1000;47          11:seg7 <= 8'b1000_0011;48          12:seg7 <= 8'b1100_0110;49          13:seg7 <= 8'b1010_0001;50          14:seg7 <= 8'b1000_0110;51          15:seg7 <= 8'b1000_1110;52          default:;53        endcase54      end5556 endmodule

分频模块clk_frep代码：

0   module clk_frep(clk, rst_n, clk_38khz);1 2   input clk, rst_n;3   output reg  clk_38khz;4   5   reg [9:0] count;6   7   //分频出红外模块所用的38Khz的时钟8   //也可以用占空比为1:3的38khz的时钟9   10  always @ (posedge clk or negedge rst_n)11    if(!rst_n)12      begin13        count <= 0;14        clk_38khz <= 1;15      end16    else if(count == (50_000_000 / 38000 / 2 - 1))17      begin18        clk_38khz <= ~clk_38khz;19        count <= 0;20      end21    else22      count <= count + 1'd1;2324  endmodule

仿真测试

测试模块infrared_tb代码：

0   `timescale 1ns/1ps1 2 module infrared_tb();3 4   reg clk, rst_n;5   reg key;6   wire tx;7   wire [7:0] show_data;8   9   //因为我们代码中只发送一次数据，所以可以把key一直拉低10  11  initial begin12    clk = 1;13    rst_n = 0;14    key = 1;15    16    #100.1 rst_n = 1;17    18    #200  key = 0;    1920  end21  22  always # 10 clk = ~clk;2324  infrared dut(25    .clk(clk), 26    .rst_n(rst_n), 27    .key(key), 28    .tx(tx),29    .rx(rx),30    .seg1(seg1),31    .seg2(seg2)32  );3334 endmodule