STM32红外接收分析
title: STM32红外接收分析
date: 2020-06-18 00:45:12
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红外遥控原理分析
对于红外遥控，一般都不会陌生，我们身边就有很多采用红外遥控的设备，例如绝大多数的电视，空调，都使用的是红外遥控原理的遥控器，配上红外接收管接收遥控信号。
红外线（Infrared）是频率介于微波与可见光之间的电磁波，波长在1mm到760纳米（nm）之间，频率比红光低的不可见光。
红外发射端一般使用红外LED，接收端使用红外接收二极管，利用光电效应，经过滤波和功率放大，形成能够承载信号的数字量。红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段，如下850NM、875NM、940NM。850NM波长的主要用于红外线监控设备，875NM主要用于医疗设备，940NM波段的主要用于红外线控制设备。一般的红外遥控器使用的发射管是940nm波长，当然，我们中学做实验在气垫导轨上用到的光电门，也是这种红外光，这个波长的红外光人眼虽然看不见，但是相机的CMOS传感器是可以捕捉到的，具体验证方法，用手机开启相机，对着空调或者电视遥控器的发射管，按下遥控器，就可以看见屏幕里粉色的灯珠。
再来谈一谈红外遥控的方式是怎么传递信息的。大多数用于遥控的红外信号，采用NEC编码的方式。将用于驱动红外LED的电平信号，经过调制，形成某个高频信号的幅度、相位、频率等参量变化的过程，用一个信号去装载另一个信号。比如我们的红外遥控信号要发送的时候，先经过38K调制，如图所示：
经过这样的调制信号，我们就可以用它来装载我们需要的信号。比如对于NEC编码，规定发射信号有以下4种：
- 起始码：用于判断起始信号
- 逻辑0
- 逻辑1
- 重复码：如果遥控器有连按功能，那么发完一次完整的信号后，按键松开前都会循环发送重复码
我们由于红外传输的是一种数字信号，所以我们可以使用脉宽调制（JPWM）的方式，用不同的电平时间区分这4种信息。具体的不同就是这样：
- 起始码：9ms低电平 + 4.5ms高电平
- 逻辑0： 560us + 560us
- 逻辑1： 560us + 1680us
- 重复码 ： 9ms低电平 + 2.5ms高电平
如果按照NEC编码的功能来区分，以正常的时序，就有以下几种码：
- 起始码
- 用户地址码（8bit）+用户地址反码（8bit）
- 数据码（8bit）+数据反码（8bit）
- 如果连按，之后会一直发送重复码
器件准备
- STM32核心板或开发板，有板载红外接收管最好
- 一个红外遥控器（可以用空调或者电视遥控器代替）
- 一个红外接收管，最好是带有放大电路的，但是不要使用带有解调芯片的。
- 如果可以，最好是有一个逻辑分析仪或者示波器，可以提前对未知的红外遥控设备进行直观的解码
程序编写
程序编写分为2个部分，分别是接收程序和发送程序，为了学习标准的NEC编码，我们使用标准遥控器，先通过编写接收程序，来体验红外编码的时序，有一个直观的理解之后，再尝试编写发送代码。
红外接收有3个引脚，5V，GND，以及信号引脚，先将接收模块连接逻辑分析仪，注意不要忘了共地，打开逻辑分析仪，再软件中设置上升沿和下降沿捕获，然后按下遥控器（可以是空调遥控器，我这里用专用红外遥控器的数字1键演示），然后逻辑分析仪就会捕获到一次信号，如下图：
这样，我们就得到了红外遥控器上按下数字1的红外信号，根据上面的原理分析，这个信号就很容易理解了：首先是一个起始码，有9ms低电平，4.5ms高电平，紧接着是8位地址码，这里是0（0000 0000）,相应的8位地址反码就是255（1111 1111），紧接着是8位数据码，这里是162（1010 0010），相应8位数据反码93（0101 1101），然后经过一段时间高电平，接收到了重复码，有9ms低电平和2.5ms高电平，如果按住不放，之后就一直循环接收到重复码。
是不是一目了然？其实对我来说，这是迫不得已，因为我买的遥控器，资料非常有限，只给了一个电气参数的PDF，编码表也没有，例程更没有，无奈我只能动用逻辑分析仪，弄清楚了每个按键的编码值，顺便分析了一下电平时间和时序，算是做一个铺垫吧。
我要在小车上用红外接收，需要用到的按键，有下面一些：
接收程序思路分析
NEC编码解码的实质，其实是对电平时间的精确读取，我不禁想到了超声波模块。对了！一切都是那么的熟悉，定时器的捕获模式，刚好满足这种需求。
- 设置低电平捕获，一旦接收到信号，进入捕获中断，改为高电平捕获，捕捉到高电平时，读取计数值，再根据时基，就得到了低电平的时间，获取高电平时间的方法也是一样
- 然后根据时间的范围，设置一些标志位，来判断数据起始位，然后获取地址码，地址反码，数据码，数据反码
- 然后校验，将地址码与地址反码的取反进行比较，再与设定的地址码进行比较，如果都相等则表示地址数据无误，并且控制设备无误，继续下一步
- 将数据码与数据反码的取反进行比较，相等则表示数据无误，再赋值给需要接收键值的变量。
由于我是应用在小车上的，本来是设计成蓝牙遥控，这样就可以拓展出红外遥控了，C8T6一共有4个定时器的资源，TIM1用于PWM模式，驱动两个电机，TIM2和TIM4用于读取2个AB相编码器，TIM3用于超声波模块的输入捕获，那么要想红外遥控，只能废掉超声波避障了。
timer.c&timer.h
根据红外接收的工作特性，应该接收到一次低电平，程序进入中断，我们开始判断是否是起始位，因此，初始化程序应该配置为Input Capture输入捕获模式，捕获极性为低电平捕获。
#include "timer.h"
#include "delay.h"
TIM_HandleTypeDef htim3; //定时器3句柄
void Remote_Init(void)
{
TIM_IC_InitTypeDef TIM3_CH3_IC_Initure; //定时器初始化句柄
htim3.Instance=TIM3; //选择定时器：定时器3
htim3.Init.Prescaler=(72-1); //预分频器：72分频,1M的计数频率,1um周期
htim3.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP; //计数方向：向上计数
htim3.Init.Period=10000; //自动装载值：最大计时10ms
htim3.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;//时钟分频：不分频
HAL_TIM_IC_Init(&htim3); //进行初始化
//初始化TIM1输入捕获参数
TIM3_CH3_IC_Initure.ICPolarity=TIM_ICPOLARITY_RISING; //捕获极性：上升沿捕获
TIM3_CH3_IC_Initure.ICSelection=TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;//交错映射：直接映射到TI3上
TIM3_CH3_IC_Initure.ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1; //输入捕获分频：不分频
TIM3_CH3_IC_Initure.ICFilter=0x03; //硬件滤波：设置8个定时器时钟周期滤波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim3,&TIM3_CH3_IC_Initure,TIM_CHANNEL_3);//通道选择：配置TIM4通道3
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim3,TIM_CHANNEL_3); //开始捕获TIM3的通道3
__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim3,TIM_IT_UPDATE); //使能更新中断
}
//Input Capture 输入捕获MSP函数
void HAL_TIM_IC_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); //使能TIM3时钟
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); //开启GPIOB时钟
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_0; //PB0
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_INPUT; //复用输入
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;//高速
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
HAL_NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn,1,3); //设置中断优先级，抢占优先级1，子优先级3
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn); //开启ITM4中断
}
接下来，我们实际上有两种中断，一种是捕获成功进入捕获中断，另一种未捕获，达到计数重装值，进入更新溢出中断，方便起见，在中断服务函数中写HAL库的中断处理总函数(HAL库就是香)，在函数内部会自动进入各自的回调函数：
void TIM3_IRQHandler(void)
{
HAL_TIM_IRQHandler(&htim3);//HAL库定时器处理函数
}
由于在处理过程中需要有各种标志的判断，定义一个储存状态的8位变量会方便许多：
//[7]:收到了引导码标志
//[6]:得到了一个按键的所有信息
//[5]:保留
//[4]:标记上升沿是否已经被捕获
//[3:0]:溢出计时器
u8 RmtSta=0; //状态标志变量
然后，我们继续分析，起始码中的9ms低电平其实没有必要判断，作为一个触发的信号就好，因为我们完全可以通过后面的4.5ms高电平，就得到一个起始码，然后逻辑电平0和1的区别，也在于高电平的时间长短，甚至重复码的特征也是2.5ms的高电平，那么代码的主要思路就很确定了：上升沿捕获中断中设置计时起点，在下降沿捕获中断期间判断计数值，得到高电平持续的时间，就可以在下降沿中断期间做出判断，是起始码还是重复码，是逻辑1还是逻辑0。
因此有必要设置一个存储计数值的变量，表示高电平时间，本质是读取CCR4寄存器，所以是16位：
u16 Dval; //上升沿期间,计数器增加的值
再定义一个储存所有有效逻辑电平的变量，8+8+8+8一共32位：
u32 RmtRec=0; //红外接收到的数据
如果需要记录连按，那么就需要一个计数变量，一般情况不是必须的：
u8 RmtCnt=0; //按键按下的次数
接下来就是中断回调函数：
//定时器更新（溢出）中断回调函数
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if(htim->Instance==TIM3)
{
if(RmtSta&0x80)//检测第[7]位，如果收到引导码
{
RmtSta&=~0X10; //清零第[4]位,清除上升沿捕获标志
if((RmtSta&0X0F)==0X00)RmtSta|=1<<6;//标记已经完成一次按键的键值信息采集
if((RmtSta&0X0F)<14)RmtSta++;
else
{
RmtSta&=~(0x80);//清空起始标识
RmtSta&=~(0x0F);//清空溢出计数器
}
}
}
}
//定时器输入捕获中断回调函数
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)//捕获中断发生时执行
{
if(htim->Instance==TIM3)
{
if(DATA_PIN)//读取引脚状态，如果引脚高电平，说明是上升沿捕获
{
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&htim3,TIM_CHANNEL_3); //清除捕获极性
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&htim3,TIM_CHANNEL_3,TIM_ICPOLARITY_FALLING);//配置捕获极性，设置为下降沿捕获
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3,0); //清空定时器计数值
RmtSta|=0X10; //设置第[4]位，标记上升沿已经被捕获
}else //下降沿捕获
{
Dval=HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim3,TIM_CHANNEL_3);//读取输入捕获的计数值
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&htim3,TIM_CHANNEL_3); //清除捕获极性
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&htim3,TIM_CHANNEL_3,TIM_ICPOLARITY_RISING);//配置捕获极性，设置为上升沿捕获
if(RmtSta&0X10) //完成一次上升沿捕获
{
if(RmtSta&0X80)//接收到了引导码
{
if(Dval>300&&Dval<800) //收到逻辑0,560us
{
RmtRec<<=1;
RmtRec|=0;
}else if(Dval>1400&&Dval<1800) //收到逻辑1,1680us
{
RmtRec<<=1;
RmtRec|=1;
}else if(Dval>2200&&Dval<2600) //收到重复码,2.5ms
{
RmtCnt++; //按键次数增加1次
RmtSta&=~(0x0F); //清空溢出计数器
}
}else if(Dval>4200&&Dval<4700) //收到起始码,4.5ms
{
RmtSta|=0x80; //设置第[7]位，表示成功接收到了引导码
RmtCnt=0; //清除按键次数计数器
}
}
RmtSta&=~(0x10); //清除上升沿捕获标志
}
}
}
所有的操作我都打上了详细的注释，下面我按照正常接收一帧有效数据来过一遍这个时序，单片机如何读到数据，存入RmtRec变量中的：
-
首先起始码，9ms低电平，由于是下降沿，不会触发中断，然后4.5ms高电平，触发中断，判断为上升沿捕获，标记上升沿捕获，然后重新设置下降沿捕获，计数值清零，这时便开始记录高电平的持续时间。
if(DATA_PIN)//读取引脚状态，如果引脚高电平，说明是上升沿捕获 { TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&htim3,TIM_CHANNEL_3); //清除捕获极性 TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&htim3,TIM_CHANNEL_3,TIM_ICPOLARITY_FALLING);//配置捕获极性，设置为下降沿捕获 __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3,0); //清空定时器计数值 RmtSta|=0X10; //设置第[4]位，标记上升沿已经被捕获 } -
一旦捕获到下降沿，便重新设置上升沿捕获，然后读取CCR4寄存器，存入Dval变量，由于设置的是72分频，计数值就是1um的数量，判断这个变量的所在区间，就可以得到收到的是什么。如果是起始码，就把相应的起始码标志位置1。如果判断标志位已经收到起始码，就判断逻辑码和重复码。如果是逻辑码，就将Rec变量左移，如果是1，就进行与操作，如果是0，可以不操作，因为右移自动补0。如果是重复码，就把重复计数加1。
if(RmtSta&0X10) //完成一次上升沿捕获 { if(RmtSta&0X80)//如果已经收到引导码 { if(Dval>300&&Dval<800) //收到逻辑0,560us { RmtRec<<=1; RmtRec|=0; } else if(Dval>1400&&Dval<1800) //收到逻辑1,1680us { RmtRec<<=1; RmtRec|=1; } else if(Dval>2200&&Dval<2600) //收到重复码,2.5ms { RmtCnt++; //按键次数增加1次 RmtSta&=~(0x0F); //清空溢出计数器 } } else if(Dval>4200&&Dval<4700) //收到引导码,4.5ms { RmtSta|=0x80; //设置第[7]位，表示成功接收到了引导码 RmtCnt=0; //清除按键次数计数器 } } -
如果超时，从逻辑分析仪的数据来看，只有一种可能，就是每次数据之间的上升沿时间会超过我设定的10ms自动重装时间，也就是说，会有下降沿中断无法达到，于是触发了溢出中断回调函数，这个中断就可以作为接收结束的标志，在里面进行标志位的复位操作即可。Sta变量的0-3位，作为计数位使用，可以计数0-15次，对于我的红外遥控器如果是连按的话，通常在15个重装时间150ms内会有重复码，如果15次还没有低电平出现，就视为松开了按键，需要清空起始标志和计数位，等待下一次按下按键。
//定时器更新（溢出）中断回调函数 void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if(htim->Instance==TIM3) { if(RmtSta&0x80)//检测第[7]位，如果收到引导码 { RmtSta&=~0X10; //清零第[5]位,清除上升沿捕获标志 if((RmtSta&0X0F)==0X00)RmtSta|=1<<6;//标记已经完成一次按键的键值信息采集 if((RmtSta&0X0F)<14)RmtSta++; else { RmtSta&=~(0x80);//清空起始标识 RmtSta&=~(0x0F);//清空溢出计数器 } } } } -
接下来，一共32位数据就存入了Rec变量中，由于存入数据时采用左移的方式，那么右移32-8=24位，与0xFF得到地址码，右移32-16=16位，得到地址反码，右移8位，得到数据码，直接与0xFF就是数据反码。然后，验证遥控用户码是否等于宏定义的地址码，并且取出从第24位开始的8位数据码，return返回，判断这个值，做相应的控制操作，就完成了。
u8 Remote_Scan(void) { u8 sta=0; u8 temp1,temp2; if(RmtSta&(1<<6))//得到一个按键的所有信息了 { temp1=RmtRec>>24; //得到地址码 temp2=(RmtRec>>16)&0xff; //得到地址反码 if((temp1==(u8)~temp2)&&temp1==REMOTE_ID)//检验遥控地址码,遥控器发送的地址码要和这里宏定义的相同才匹配 { temp1=RmtRec>>8; temp2=RmtRec; if(temp1==(u8)~temp2)sta=temp1;//键值正确 } if((sta==0)||((RmtSta&0X80)==0))//按键数据错误/遥控已经没有按下了 { RmtSta&=~(1<<6);//清除接收到有效按键标识 RmtCnt=0; //清除按键次数计数器 } } return sta; } void read_yaokong(void) { u8 key; key = Remote_Scan(); switch (key) { case 24: Flag_Qian=1,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0; break; //前进 case 74: Flag_Qian=0,Flag_Hou=1,Flag_Left=0,Flag_Right=0; break; //后退 case 16: Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=1,Flag_Right=0; break; //左转 case 90: Flag_Qian=1,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=1; break; //右转 case 56: Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0; break; //停止 case 162: mode_flag = 0; break; //遥控模式 case 98: mode_flag = 1; break; //CCD循迹模式 case 226: mode_flag = 2; break; //超声波避障模式 } }
然后补上头文件即可完成全部的代码。
#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H
#include "sys.h"
#define DATA_PIN PBin(0) //红外数据输入脚
#define REMOTE_ID 0
extern u8 RmtCnt; //按键按下的次数
void Remote_Init(void); //红外传感器接收头引脚初始化
u8 Remote_Scan(void);
void read_yaokong(void);
#endif
显然从逻辑分析仪看，我的红外遥控器发送的地址码是0x00，所以直接宏定义为0即可。