红外NEC通信协议_nec协议

一、NEC简介

        红外(Infrared，IR)遥控是一种无线、非接触控制技术，常用于遥控器、无线键盘、鼠标等设备之间的通信。IR协议的工作原理是，发送方通过红外线发送一个特定的编码，接收方通过识别该编码来执行相应的操作。

        IR协议是指红外线通信协议的总称，而NEC协议是IR协议中的一种具体实现。红外遥控系统分为发射和接收两部分，发射部分的发射元件为红外发光二极管，它发出的是红外线而不是可见光；接收电路的红外接收管是一种光敏二极管。

二、NEC传输格式

        NEC协议采用PPM(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。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，即1.125ms. 

        每次信息都是按照引导码 (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(连发码)。重复码的数据格式比较简单，同样是由 9ms的载波脉冲开始，紧接着是2.25ms的空闲信号，随后是560us的载波脉冲。

        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。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，即数据0是0.56ms的低电平和0.56ms的高电平，数据1是0.5ms的低电平和1.69ms的高电平，9ms是高电平变为低电平。

三、FPGA实现

通过三段式状态机实现红外驱动模块

module ir_rcv(
    input                  clk   ,      //系统时钟
    input                  rst_n ,      //系统复位信号，低电平有效
    input                  remote_in ,  //红外接收信号
	 
    output    reg          repeat_en ,  //重复码有效信号
    output    reg          data_en   ,  //数据有效信号
    output    reg  [7:0]   data         //红外控制码
    );
 
//parameter define
parameter  idle           = 5'b0_0001;  //空闲状态
parameter  start_low_9ms  = 5'b0_0010;  //监测同步码低电平
parameter  start_judge    = 5'b0_0100;  //判断重复码和同步码高电平(空闲信号)
parameter  rec_data       = 5'b0_1000;  //接收数据
parameter  repeat_code    = 5'b1_0000;  //重复码
 
//reg define
reg    [4:0]    cur_state      ;  //当前状态
reg    [4:0]    next_state     ;  //下一状态
 
reg    [11:0]   div_cnt        ;  //分频计数器
reg             div_clk        ;  //分频时钟
reg             remote_in_d0   ;  //对输入的红外信号延时打拍
reg             remote_in_d1   ;
reg    [7:0]    time_cnt       ;  //对红外的各个状态进行计数
 
reg             time_cnt_clr   ;  //计数器清零信号
reg             time_done      ;  //计时完成信号
reg             error_en       ;  //错误信号
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
reg    [15:0]   data_temp      ;  //暂存收到的控制码和控制反码
reg    [5:0]    data_cnt       ;  //对接收的数据进行计数       
 
//wire define
wire            ir_pos  ;  //输入红外信号的上升沿
wire            ir_neg  ;  //输入红外信号的下降沿
 
//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************
 
assign  ir_pos = (~remote_in_d1) & remote_in_d0;
assign  ir_neg = remote_in_d1 & (~remote_in_d0);
 
//对50MHz时钟进行分频,50Mhz/(2*(3124+1))=8khz,T=0.125ms，得到一个周期为0.125ms(8KHz)的时钟
//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，也可以分频成其它频率的时钟
always @(posedge clk or negedge rst_n  ) begin
    if (!rst_n) begin
        div_cnt <= 12'd0;
        div_clk <= 1'b0;
    end    
    else if(div_cnt == 12'd3124) begin
        div_cnt <= 12'd0;
        div_clk <= ~div_clk;
    end    
    else
        div_cnt <= div_cnt + 12'b1;
end
 
//对红外的各个状态进行计数，例如监测同步码低电平、判断重复码和同步码高电平等
always @(posedge div_clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        time_cnt <= 8'b0;
    else if(time_cnt_clr)
        time_cnt <= 8'b0;
    else 
        time_cnt <= time_cnt + 8'b1;
end 
 
//对输入的remote_in信号延时打拍，即在一个时钟周期内，获取两个不同的红外信号采样值，以便后续的上升沿和下降沿检测
always @(posedge div_clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        remote_in_d0 <= 1'b0;
        remote_in_d1 <= 1'b0;
    end
    else begin
        remote_in_d0 <= remote_in;
        remote_in_d1 <= remote_in_d0;
    end
end
 
//采用三段式状态机对红外信号进行解析
always @ (posedge div_clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        cur_state <= idle;
    else
        cur_state <= next_state ;
end
 
always @(*) begin
    next_state = idle;                          
    case(cur_state)
        idle : begin                           //默认在空闲状态，time_cnt_clr的值置为1，time_cnt也就为0
            if(remote_in_d0 == 1'b0)           //在空闲状态中检测到下降沿，则进入9ms低电平判断
                next_state = start_low_9ms;    //此时time_cnt_clr的值置为0，time_cnt开始计数
            else
                next_state = idle;             //否则一直保持空闲状态
        end
        start_low_9ms : begin                  //监测同步码低电平
            if(time_done)                      //计数达到9ms，跳转判断重复码和同步码高电平
                next_state = start_judge;
            else if(error_en)                  //计数不在9ms范围，发生错误，跳转到空闲状态
                next_state = idle;
            else
                next_state = start_low_9ms;    //否则一直保持在start_low_9ms
        end
        start_judge : begin                    //判断重复码和同步码高电平(空闲信号)
            if(time_done) begin
                if(judge_flag == 1'b0)         //如果是同步码，则跳转到接收数据状态
                    next_state = rec_data;
                else 
                    next_state = repeat_code;  //否则跳转到重复码状态
            end
            else if(error_en)
                next_state = idle;
            else
                next_state = start_judge;
        end
        rec_data : begin                       //接收数据，当数据传输完成，跳转到空闲状态
            if(ir_pos && data_cnt == 6'd32) 
                next_state = idle;
            else
                next_state = rec_data;                
        end
        repeat_code : begin                    //重复码
            if(ir_pos)
                next_state = idle;             //进入空闲状态
            else
                next_state = repeat_code;    
        end    
        default : next_state = idle;
    endcase
end
 
always @(posedge div_clk or negedge rst_n ) begin 
    if (!rst_n) begin  
        time_cnt_clr <= 1'b0;
        time_done <= 1'b0;
        error_en <= 1'b0;
        judge_flag <= 1'b0;
        data_en <= 1'b0;
        data <= 8'd0;
        repeat_en <= 1'b0;
        data_cnt <= 6'd0;
        data_temp <= 32'd0;
    end
    else begin
        time_cnt_clr <= 1'b0;
        time_done <= 1'b0;
        error_en <= 1'b0;
        repeat_en <= 1'b0;
        data_en <= 1'b0;
        case(cur_state)
            idle           : begin
                time_cnt_clr <= 1'b1;
                if(remote_in_d0 == 1'b0)
                    time_cnt_clr <= 1'b0;
            end   
            start_low_9ms  : begin                             //9ms/0.125ms = 72
                if(ir_pos) begin                               //当检测到ir_pos(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
                    time_cnt_clr <= 1'b1;                      //停止计数            
                    if(time_cnt >= 69 && time_cnt <= 75)       //判断time_cnt的值是否接近9ms，如果接近9ms，跳转到start_judee状态
                        time_done <= 1'b1;  
                    else                                       //如果time_cnt的值不接近9ms，则发生了错误，跳转到空闲状态
                        error_en <= 1'b1;
                end   
            end
            start_judge : begin
                if(ir_neg) begin   
                    time_cnt_clr <= 1'b1;   
                    if(time_cnt >= 15 && time_cnt <= 20) begin          //重复码高电平2.25ms 2.25/0.125 = 18
                        time_done <= 1'b1;
                        judge_flag <= 1'b1;                             //检测出是重复码，跳转到repeat_code重复码状态
                    end    
                    else if(time_cnt >= 33 && time_cnt <= 38) begin     //同步码高电平4.5ms  4.5/0.125 = 36
                        time_done <= 1'b1;
                        judge_flag <= 1'b0;                             //检测出是同步码，跳转到rec_data接收数据状态   
                    end
                    else
                        error_en <= 1'b1;
                end                       
            end
            rec_data : begin                                  
                if(ir_pos) begin                                  //当有红外信号上升沿
                    time_cnt_clr <= 1'b1;
                    if(data_cnt == 6'd32) begin                   //有32个数据即32个上升沿或下降沿，分别为16位地址码以及16位数据
                        data_en <= 1'b1;                          //当计数到32即数据传输完成
                        data_cnt <= 6'd0;
                        data_temp <= 16'd0;
                        if(data_temp[7:0] == ~data_temp[15:8])    //校验控制码和控制反码
                            data <= data_temp[7:0];
                    end
                end
                else if(ir_neg) begin                             //当有红外信号下降沿
                    time_cnt_clr <= 1'b1;
                    data_cnt <= data_cnt + 1'b1;                  //每当1bit数据到来时也就是一个下降沿到来时，数据位数计数器加1
                    //解析控制码和控制反码，判断是560us还是1690us计数完成，进而得到这个数据位是0还是1        
                    if(data_cnt >= 6'd16 && data_cnt <= 6'd31) begin 
                        if(time_cnt >= 2 && time_cnt <= 6) begin  //0.565/0.125 = 4.52
                            data_temp <= {1'b0,data_temp[15:1]};  //逻辑“0”
                        end
                        else if(time_cnt >= 10 && time_cnt <= 15) //1.69/0.125 = 13.52
                            data_temp <= {1'b1,data_temp[15:1]};  //逻辑“1”
                    end
                end
            end
            repeat_code : begin                                
                if(ir_pos) begin                           
                    time_cnt_clr <= 1'b1;
                    repeat_en <= 1'b1;
                end
            end
            default : ;
        endcase
    end
end
 
endmodule