摘要:随着遥控通信技术日益成熟，电气设备控制方式由传统就地操控逐步转换为远程遥控，为生产、生活提供极大便利。本文针对应用最广泛的红外通信方式进行模拟控制、解析算法方面的研究，并提出其应用前景及拓展方向。
关键词: 红外技术 模拟控制 单片机PCA
工业电气、家用电器设备对遥感遥控及无线传输技术的应用，极大地节约了生产调试时间和劳力成本，同时也提升了生活舒适度。然而，目前家居普及的电视机、空调、电冰箱、电风扇等用电设备，均有各自适配的遥控器，由此产生两个主要问题：一是遥控设备泛滥，占用空间过多，且易产生设备误控的情况；二是当遥控设备遗失或远离使用者时，无法及时对电气设备进行控制。除此之外，在工控领域，就地端设备当前仍以盘控、手控为主，红外等无线模拟控制方式在该领域仍处于研究阶段。因此，利用红外模拟技术实现设备群的集约控制具有积极创新的意义和广阔的应用市场。
一、红外技术
红外、蓝牙、WIFI、RF射频通信等均为常用的无线通信方式。而红外通信由于抗干扰能力强、传输速度快、信号衰减弱、反射性强、成本低廉等优点而被广泛应用于工业控制及家庭用电设备控制领域。
红外发射利用波长为940nm红外发射管发出频率为38kHz、占空比为1/3的方波，通过是否发出波形来代表0或1的数字信号，进而通过0和1的不同组合来传递具体的控制指令；而红外接收将发送来的信号进行解码，搜索匹配的内部指令后对设备执行相应操作。
二、红外模拟策略分析
策略1：检索比对算法
前期收录当前市面上常用红外设备的所有控制指令，分门别类烧录到指令库芯片中，通过按键复用功能，由用户主观检索比对所控设备类型及型号（也可芯片自检识别对应适配用电设备，但偶有选型误差）。设置完毕后，该遥控器可完全替代原产设备，所有按键均调用指令库中的完整指令集，并模拟原产设备的所有红外控制功能。
优点：用户主动选型比对，指令库均来自各品牌出产指令，零误差，完全替代原生控制设备并复现所有功能。
缺点：指令库庞大，所需存储空间大，成本较高；每个遥控器仅能模拟单个设备进行指令输出，切换其他设备需重新检索比对，耗时耗力。
策略2：归纳提取算法
根据红外指令的传输格式，编写协议解析程序，把控制类别内的指令集在产品设计阶段进行格式分类，再针对每种红外格式提取其中的地址码和指令码并保存在指令库芯片内部；调用时需提取地址码及指令码，重组成完整的红外指令进行发送。指令库的采集可由设备生产商提供，也可直接点对点逐条收集原生指令，利用算法进行提取、保存，再模拟复现。
优点：节省指令存储空间，成本较低；使用过程中不需人工检索比对，快速切换所控制设备，节约时间。
缺点：国际上当前红外传输指令格式没有严格统一（主流设备有5、6种格式），提取算法设计难度较大，尤其空调类指令是一状态一码，每个品牌自编指令集，模拟全覆盖难度较大；另外，重组发送指令相对于策略1来说指令存在误差，正确性有所下降。
策略3：完全模拟算法
由用户决定每个按键的触发指令，完全采集任何设备的任何红外指令，并保存至内部掉电不丢失的EEPROM中，可复现任一设备的任一按键功能。为了集约控制面板，仅抽取遥控设备上使用频次较高的共用按键，如开关键、上调键、下调键、确认键、返回键等，多设备集成一体进行控制。
优点：适用性强，原则上可模拟任何红外指令（包含空调类长指令），无需进行指令提取算法，无需升级指令库，维护成本低；集成度高，可实现单一遥控指令发送端控制多台用户设备终端，既节约设备占用空间，又可按需快速切换所操控设备，避免误控。除此之外，对需经常性调节的盘控设备，可将多台设备调参终端集成于一台遥控器上，方便远距离调试、集中控制，如变电所开关柜体组智能终端即可采用该模式进行参数调试工作。
缺点：由于按键数量及存储空间限制，无法适配每款设备的所有按键功能，指令初始模拟学习需由用户自行完成，前期工作量较大。
结论：综合考虑产品实用性、生产维护成本及功能准确性等因素，选择第3种模拟算法进行产品深化设计。
三、产品设计思路
1、整体框架
设备采用单片机作为总控芯片，配合红外接收模块，对接收的原始指令进行算法解析，分析、存储；通过检索按键，定位并重组红外指令，通过发射模块，控制相应设备，完成遥控功能。
2、红外接收
红外接收由带屏蔽罩的VS1838模块及部分电子电路构成。当接收到频率为38kHz的红外方波时，VS1838模块信号管脚输出低电平，未接收到红外信号，则保持高电平。红外接收及存储流程如下图1所示。
图1 红外指令模拟采集流程图
3、红外发射
红外发射模块主要通过发射波长为940nm、管径为3mm的红外发射二极管，配合部分电子电路组成。利用单片机的可编程计数器阵列PCA功能，将存入EEPROM中的参数转为PCA的计数器值，通过输出管脚驱动发射管模拟复现控制指令。模拟红外发射指令需频繁、快速调用、刷新装载数据，不断在输出管脚进行高、低电平切换。利用常规的计时器中断触发模式将极大占用单片机CPU资源，且由于执行装载程序将占用部分时长，导致红外发射信号电平切换滞后，进而可能产生指令失真，导致误控或指令无法响应等问题，因此，利用单片机的PCA功能可极大释放处理器任务队列空间，提升执行效率和指令准确性。
红外发射的基本流程是：首先读取面板设备ID号，再读取按键编号，调取EEPROM中对应数据段参数，结合PCA模块功能模拟复现并输出完整红外指令。若控制设备为状态型指令（即每一指令仅对应一个状态，如空调类），则前后两次按下同一按键将输出不同指令。红外指令模拟发射控制流程如下图2所示。
图2 红外指令模拟发射流程图
4、计时与定频
根据单片机的工作晶振频率，计算出38kHz、1/3占空比下方波的高、低电平时长并转为计时器的计数值，采用重加载的形式轮流送入PCA模块的相应变量中，实现高低电平的不间断轮流翻转，构成红外发射的基础波形模块。发射信号时，通过前期模拟并录入EEPROM的参数值，即可计算发射基础波形模块的时间和通断组合情况，复现高保真的模拟控制信号。
四、成品设计与量产
1、芯片选型分析
根据产品设计思路分析，芯片需要具备高频运行效率、大容量EEPROM存储空间，同时具备PCA模组功能，另外，主控芯片的选择还需结合产品量产的价位、性能稳定性、功耗及电源适配需求等因素综合考虑。
2、PCB电路板设计
电路板在按键部分采用导电硅胶按压模式，取代传统机械按键，提升按键寿命及舒适感；为配合面板按键充分、有效接触PCB按压区，将突起的元器件放置在电路板背面，并为电池的安装预留足够的内空尺寸。
3、机械工艺
为使电路板能平稳放置于背板底座上，在电路板边缘设置了四组凹槽及两个螺丝孔，据此开模设计注塑底板，可确保电路板与遥控底座稳固契合。同时，在电路板左右侧各设计一个大孔径电池焊盘接线孔，便于后期焊接电池弹簧金属触片配件。
成品打样PCB板实物如下图3所示。目前该产品已实现量产，可一机控制四台设备，用户可通过面板第一横排按键任意切换所控设备。
图3 样品电路板正、背面图
五、红外模拟控制技术的应用与拓展研究
红外技术由于信号衰减弱、传输速度快、可识别性强等特点广泛应用于工控领域及家用电器领域。基于目前的研究成果，提出两个拓展方向。
方向一：对红外设备采用相同的底层通讯规约并形成行业标准。红外通讯采用行业标准将有利于红外模拟控制技术的广泛应用，如针对工控领域的电气开关柜或低压配电柜设备组，每个开关柜保护装置均采用一致的动作指令代码，设备间仅以地址码进行区分。由于采用标准红外规约格式，可极大缩减指令存储空间，同时精简算法代码，提升效率，完成对所有设备的远程联调或联控。
方向二：建立全行业的指令库集服务器，供用户自行下载使用。采集市面上各行业使用红外通信的设备指令，转化为所开发产品对应的指令集，并向用户提供友好易用的用户界面。用户可随时登录网站下载适配机型的指令包，并可随时对指令进行按需更新。另一方面，商家也可通过用户下载的指令数据获取到用户在产品使用方面的大数据，最终实现双赢。
参考文献:
[1] 樊昌信,曹丽娜.通信原理(第7版)[ M].国防工业出版社, 2012-11-01.
[2] 王建跃,高守乐,张岩军. 红外遥控器编码方法[J].工矿自动化, 2005:239-241.
论文作者:林捷
论文发表刊物:《防护工程》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/22
标签：指令论文; 设备论文; 按键论文; 算法论文; 功能论文; 电路板论文; 模块论文; 《防护工程》2018年第1期论文;