《STM32F407 探索者开发指南》第四十一章红外遥控实验

正点原子运营 · 发表于 2023-8-18 15:37:10

本帖最后由正点原子运营于 2023-8-18 15:49 编辑

第四十一章红外遥控实验

1）实验平台：正点原子探索者STM32F407开发板

2) 章节摘自【正点原子】STM32F407开发指南 V1.1

3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609294673401

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32f407_explorerV3.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

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本章，我们将介绍STM32对红外遥控器的信号解码。STM32板子上标配的红外接收头和一个小巧的红外遥控器。我们将利用STM32的输入捕获功能，解码开发板标配的红外遥控器的编码信号，并将编码后的键值在LCD模块中显示出来。

本章分为如下几个小节：

41.1 红外遥控简介

41.2 硬件设计

41.3 程序设计

41.4 下载验证

41.1 红外遥控简介
41.1.1 红外遥控技术介绍

红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。由于红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过障碍物去控制被控对象的能力，所以，在设计红外线遥控器时，不必要像无线电遥控器那样，每套（发射器和接收器）要有不同的遥控频率或编码（否则，就会隔墙控制或干扰邻居的家用电器），所以同类产品的红外线遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控提供了极大的方便。由于红外线为不可见光，因此对环境影响很小，再由红外光波动波长远小于无线电波的波长，所以红外线遥控不会影响其他家用电器，也不会影响临近的无线电设备。

41.1.2 红外器件特性

红外遥控的情景中，必定会有一个红外发射端和红外接收端。在本实验中，正点原子的红外遥控器作为红外发射端，红外接收端就是板载的红外接收器，实物图可以查看41.2.3小节原理图部分。要使两者通信成功，收/发红外波长与载波频率需一致，在这里波长就是940nm，载波频率就是38kHz。

红外发射管也是属于二极管类，红外发射电路通常使用三极管控制红外发射器的导通或者截至，在导通的时候，红外发射管会发射出红外光，反之，就不会发射出红外光。虽然我们用肉眼看不到红外光，但是我们借助手机摄像头就能看到红外光。但是红外接收管的特性是当接收到红外载波信号时，OUT引脚输出低电平；假如没有接收到红外载波信号时，OUT引脚输出高电平。

红外载波信号其实就是由一个个红外载波周期组成。在频率为38KHz下，红外载波周期约等于26.3us（1s / 38KHz ≈ 26.3us）。在一个红外载波发射周期里，发射红外光时间8.77us和不发射红外光17.53us，发射红外光的占空比一般为1/3。相对的，整个周期内不发射红外光，就是载波不发射周期。在红外遥控器内已经把载波和不载波信号处理好，我们需要做的就是识别遥控器按键发射出的信号，信号也是遵循某种协议的。

41.1.3 红外编解码协议介绍

红外遥控的编码方式目前广泛使用的是：PWM（脉冲宽度调制）的NEC协议和PhilipsPPM（脉冲位置调制）的RC-5协议的。开发板配套的遥控器使用的是NEC协议，其特征如下：

1、8位地址和8位指令长度；

2、地址和命令2次传输（确保可靠性）；

3、PWM脉冲宽度调制，以发射红外载波的占空比代表“0”和“1”；

4、载波频率为38Khz；

5、位时间为1.125ms或2.25ms；

在NEC协议中，如何为协议中的数据‘0’或者‘1’？这里分开红外接收器和红外发射器。

红外发射器：发送协议数据‘0’ = 发射载波信号560us + 不发射载波信号560us

发送协议数据‘1’ = 发射载波信号560us + 不发射载波信号1680us

红外发射器的位定义如下图所示：

图41.1.3.1 红外发射器位定义图

红外接收器：接收到协议数据‘0’ = 560us低电平 + 560us高电平

接收到协议数据‘1’ = 560us低电平 + 1680us高电平

红外接收器的位定义如下图所示：

图41.1.3.2 红外接收器位定义图

NEC遥控指令的数据格式为：同步码头、地址码、地址反码、控制码、控制反码。同步码由一个9ms的低电平和一个4.5ms的高电平组成，地址码、地址反码、控制码、控制反码均是8位数据格式。按照低位在前，高位在后的顺序发送。采用反码是为了增加传输的可靠性（可用于校验）。

我们遥控器的按键▽按下时，从红外接收头端收到的波形如图41.1.3.3所示：

图41.1.3.3按键▽所对应的红外波形

从上图中可以看到，其地址码为0，控制码为21（正确解码后00010101）。可以看到在100ms之后，我们还收到了几个脉冲，这是NEC码规定的连发码(由9ms低电平+2.25ms高电平+0.56ms低电平+97.94ms高电平组成)，如果在一帧数据发送完毕之后，按键仍然没有放开，则发射重复码，即连发码可以通过统计连发码的次数来标记按键按下的长短/次数。

第二十一章我们曾经介绍过利用输入捕获来测量高电平的脉宽，本章解码红外遥控信号，刚好可以利用输入捕获的这个功能来实现遥控解码。关于输入捕获的介绍，请参考第二十一章的内容。

41.2 硬件设计
1. 例程功能

本实验开机在LCD上显示一些信息之后，即进入等待红外触发，如果接收到正确的红外信号，则解码，并在LCD上显示键值和所代表的意义，以及按键次数等信息。LED0闪烁用于提示程序正在运行。

2. 硬件资源

1）LED灯

LED0 – PF9

2）红外接收头

REMOTE –PA8

3）红外遥控器

4）串口1(PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)

5）正点原子 2.8/3.5/4.3/7寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)

3. 原理图

红外遥控接收头与STM32的连接关系，如下图所示：

图41.2.1 红外遥控接收头与STM32的连接电路图

红外遥控接收头连接在开发板的的PA8(TIM1_CH1)上，进行本实验时不需要额外连线。程序将TIM1_CH1设计输入捕获，然后将接收到的脉冲信号解码就可以了。

开发板配套的红外遥控器外观如图41.2.2所示。

图41.2.2 红外遥控器

开发板上接收红外遥控器信号的红外管外观如图41.2.3所示。使用时需要遥控器有红外管的一端对准开发板上的红外管才能正确收到信号。

图41.2.3 开发板上的红外接收管位置

41.3 程序设计

由于红外遥控实验采用的是定时器的输入捕获功能，所以这里大家就需要往前面定时器章节输入捕获实验中重温一下输入捕获功能的配置。

红外遥控配置步骤

1）初始化TIMx，设置TIMx的ARR和PSC等参数

HAL库通过调用定时器输入捕获初始化函数HAL_TIM_IC_Init完成对定时器参数初始化。

注意：该函数会调用：HAL_TIM_IC_MspInit函数来完成对定时器底层以及其输入通道IO的初始化，包括：定时器及GPIO时钟使能、GPIO模式设置、中断设置等。

2）开启TIMx和输入通道的GPIO时钟，配置该IO口的复用功能输入

首先开启TIMx的时钟，然后配置GPIO为复用功能输出。本实验我们默认用到定时器1通道1，对应IO是PA8，它们的时钟开启方法如下：

__HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE(); /* 使能定时器1 */
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /* 开启GPIOA时钟 */

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IO口复用功能是通过函数HAL_GPIO_Init来配置的。

3）设置TIMx_CHy的输入捕获模式，开启输入捕获

在HAL库中，定时器的输入捕获模式是通过HAL_TIM_IC_ConfigChannel函数来设置定时器某个通道为输入捕获通道，包括映射关系，输入滤波和输入分频等。

4）使能定时器更新中断，开启捕获功能以及捕获中断，配置定时器中断优先级

通过__HAL_TIM_ENABLE_IT函数使能定时器更新中断。

通过HAL_TIM_IC_Start_IT函数使能定时器并开启捕获功能以及捕获中断。

通过HAL_NVIC_EnableIRQ函数使能定时器中断。

通过HAL_NVIC_SetPriority函数设置中断优先级。

5）编写中断服务函数

定时器1中断服务函数为：TIM1_IRQHandler，当发生中断的时候，程序就会执行中断服务函数。HAL库为了使用方便，提供了一个定时器中断通用处理函数HAL_TIM_IRQHandler，该函数会调用一些定时器相关的回调函数，用于给用户处理定时器中断到了之后，需要处理的程序。本实验我们除了用到更新（溢出）中断回调函数HAL_TIM_PeriodElapsedCallback之外，还要用到捕获中断回调函数HAL_TIM_IC_CaptureCallback。详见本例程源码。

41.3.1 程序流程图

图41.3.2.1 红外遥控实验程序流程图

41.3.2 程序解析

1. REMOTE驱动代码

这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。REMOTE驱动源码包括两个文件：remote.c和remote.h。remote.h和前面定时器输入捕获功能的.h头文件代码相似，这里就不介绍了，详见本例程源码。

下面我们直接介绍remote.c的程序，下面是与红外遥控初始化相关的函数，其定义如下：

TIM_HandleTypeDef g_tim1_handle; /* 定时器1句柄 */
/**
* @brief 红外遥控初始化
* @note 设置IO以及定时器的输入捕获
* @param 无
* @retval 无
*/
void remote_init(void)
{
TIM_IC_InitTypeDef tim_ic_init_handle;
g_tim1_handle.Instance =REMOTE_IN_TIMX; /* 通用定时器1 */
g_tim1_handle.Init.Prescaler = 168 - 1; /* 预分频器,1M的计数频率,1us加1 */
g_tim1_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; /* 向上计数器 */
g_tim1_handle.Init.Period = 10000; /* 自动装载值 */
HAL_TIM_IC_Init(&g_tim1_handle);
/* 初始化TIM1输入捕获参数 */
tim_ic_init_handle.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; /* 上升沿捕获 */
tim_ic_init_handle.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; /* 映射到TI1上 */
tim_ic_init_handle.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; /* 配置输入分频，不分频 */
tim_ic_init_handle.ICFilter = 0x03; /* IC1F=0003 8个定时器时钟周期滤波 */
/* 配置TIM1通道1 */
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&g_tim1_handle, &tim_ic_init_handle,
REMOTE_IN_TIMX_CHY);
/* 开始捕获TIM的通道值 */
HAL_TIM_IC_Start_IT(&g_tim1_handle, REMOTE_IN_TIMX_CHY);
__HAL_TIM_ENABLE_IT(&g_tim1_handle, TIM_IT_UPDATE); /* 使能更新中断 */
}
/**
* @brief 定时器4底层驱动，时钟使能，引脚配置
* @param htim:定时器句柄
* @note 此函数会被HAL_TIM_IC_Init()调用
* @retval 无
*/
voidHAL_TIM_IC_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if(htim->Instance == REMOTE_IN_TIMX)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
REMOTE_IN_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 红外接入引脚GPIO时钟使能 */
REMOTE_IN_TIMX_CHY_CLK_ENABLE(); /* 定时器时钟使能 */
gpio_init_struct.Pin = REMOTE_IN_GPIO_PIN;
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; /* 复用输入 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP; /* 上拉 */
gpio_init_struct.Alternate = REMOTE_IN_GPIO_AF; /* PA8 复用为TIM1_CH1 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; /* 高速 */
/* 初始化定时器通道引脚 */
HAL_GPIO_Init(REMOTE_IN_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
/* 设置中断优先级，抢占优先级1，子优先级3 */
HAL_NVIC_SetPriority(REMOTE_IN_TIMX_IRQn, 1, 3);
HAL_NVIC_EnableIRQ(REMOTE_IN_TIMX_IRQn); /* 开启ITM1中断 */
/* 设置中断优先级，抢占优先级1，子优先级2, 如果是通用定时器 ,不需要设置CC中断 */
HAL_NVIC_SetPriority(REMOTE_IN_TIMX_CC_IRQn, 1, 2);
HAL_NVIC_EnableIRQ(REMOTE_IN_TIMX_CC_IRQn); /* 开启ITM1中断 */
}
}

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remote_init函数主要是对红外遥控使用到的定时器1和定时器通道1进行相关配置，关于定时器1通道1的IO放在回调函数HAL_TIM_IC_MspInit中初始化。内部函数的实现跟21.4通用定时器输入捕获实验中初始化函数一致，在这里也简单提一下：

在remote_init函数中，通过调用HAL_TIM_IC_Init函数初始化定时器的ARR和PSC等参数；通过调用HAL_TIM_IC_ConfigChannel函数配置映射关系，滤波和分频等；最后调用HAL_TIM_IC_Start_IT和__HAL_TIM_ENABLE_IT分别使能捕获通道和使能定时器中断。

在HAL_TIM_IC_MspInit函数中主要通过HAL_GPIO_Init函数对定时器输入通道的GPIO口进行配置，最后还需要设置中断抢占优先级和响应优先级。

通过上面两个函数的配置后，定时器的输入捕获已经初始化完成，接下来我们还需要作一些接收处理，下面先介绍一下三个变量。

/* 遥控器接收状态
* [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
*/
uint8_t g_remote_sta = 0;
uint32_t g_remote_data = 0; /* 红外接收到的数据 */
uint8_t g_remote_cnt = 0; /* 按键按下的次数 */

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这三个变量用于辅助实现高电平的捕获。其中g_remote_sta是用来记录捕获状态，这个变量，我们把它当成一个寄存器来使用。对其各位进行定义，描述如下表所示：

表41.3.2.1g_remote_sta各位描述

变量g_remote_data用于存放红外接收到的数据，而g_remote_cnt是存放按键按下的次数。

下面开始看中断服务函数里面的逻辑程序，HAL_TIM_IRQHandler函数会调用下面两个回调函数，我们的逻辑代码就是放在回调函数里，函数的定义如下：

/**
* @brief 定时器输入捕获中断回调函数
* @param htim:定时器句柄
* @retval 无
*/
voidHAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == REMOTE_IN_TIMX)
{
uint16_tdval; /* 下降沿时计数器的值 */
if (RDATA) /* 上升沿捕获 */
{
__HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&g_tim1_handle,REMOTE_IN_TIMX_CHY,
TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING); /* 设置为下降沿捕获 */
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&g_tim1_handle, 0); /* 清空定时器计数器值 */
g_remote_sta |= 0X10; /* 标记上升沿已经被捕获 */
}
else /* 下降沿捕获 */
{ /* 读取CCR1也可以清CC1IF标志位 */
dval = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&g_tim1_handle, REMOTE_IN_TIMX_CHY);
__HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&g_tim1_handle, REMOTE_IN_TIMX_CHY,
TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING); /* 配置TIM1通道1上升沿捕获 */
if (g_remote_sta & 0X10) /* 完成一次高电平捕获 */
{
if (g_remote_sta & 0X80) /* 接收到了引导码 */
{
if (dval > 300 && dval < 800) /* 560为标准值,560us */
{
g_remote_data >>= 1; /* 右移一位. */
g_remote_data &= ~0x80000000; /* 接收到0 */
}
else if (dval > 1400 && dval < 1800) /* 1680为标准值,1680us */
{
g_remote_data >>= 1; /* 右移一位. */
g_remote_data|= 0x80000000; /* 接收到1 */
}
else if (dval > 2000 && dval < 3000)
{ /* 得到按键键值增加的信息 2250为标准值2.25ms */
g_remote_cnt++; /* 按键次数增加1次 */
g_remote_sta &= 0XF0; /* 清空计时器 */
}
}
else if (dval > 4200 && dval < 4700) /* 4500为标准值4.5ms */
{
g_remote_sta |= 1 << 7; /* 标记成功接收到了引导码 */
g_remote_cnt = 0; /* 清除按键次数计数器 */
}
}
g_remote_sta &= ~(1 << 4);
}
}
}

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现在我们来介绍一下，捕获高电平脉宽的思路：首先，设置TIM1_CH1捕获上升沿，然后等待上升沿中断到来，当捕获到上升沿中断，设置该通道为下降沿捕获，清除TIM1_CNT寄存器的值，最后把g_remote_sta的位4置1，表示已经捕获到高电平，等待下降沿到来。当下降沿到来的时候，读取此时定时器计数器的值到dval中并设置该通道为上升沿捕获，然后判断dval的值属于哪个类型（引导码，数据0，数据1或者重发码），相对应就把g_remote_sta相关位进行调整。例如，一开始识别为引导码的情况，就需要把g_remote_sta第7位置1。当检测到重复码，就把按键次数增量存放在g_remote_cnt变量中。

/**
* @brief 定时器溢出中断服务函数
* @param htim:定时器句柄
* @retval 无
*/
voidHAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == REMOTE_IN_TIMX)
{
if (g_remote_sta & 0x80) /* 上次有数据被接收到了 */
{
g_remote_sta &= ~0X10; /* 取消上升沿已经被捕获标记 */
if ((g_remote_sta & 0X0F) == 0X00)
{
g_remote_sta |= 1 << 6; /* 标记已经完成一次按键的键值信息采集 */
}
if ((g_remote_sta & 0X0F) < 14)
{
g_remote_sta++;
}
else
{
g_remote_sta &= ~(1 << 7); /* 清空引导标识 */
g_remote_sta &= 0XF0; /* 清空计数器 */
}
}
}
}

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定时器溢出中断服务函数主要是对标志位进行管理。在函数内通过g_remote_sta标志的判断，主要思路就是：在接收到引导码的前提下，对g_remote_sta状态进行判断并在符合条件下进行运算，这里主要就做了两件事：标记完成一次按键信息采集和是否松开按键（即没有接收到数据）。当完成一次按键信息采集时，g_remote_data已经存放了控制反码、控制码、地址反码、地址码。那为啥可以检测是否可以松开按键？是因为接收到重发码的情况下会清空计数器，所以说当我们松开按键接收不到重发码时，溢出中断次数增多最终会导致g_remote_sta&0x0f值大于14，进而就可以把引导码，计数器清空，便于下一次的接收。