基于STM32F103ZET6的紅外遙控盒設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：胡方猛（1987—），初級(jí)工程師職稱，硬件測(cè)試工程師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品硬件測(cè)試、自動(dòng)化測(cè)試設(shè)計(jì)以及測(cè)試儀器開(kāi)發(fā)工作。E-mail: woanzf@163.com。

0   引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展和人民生活水平的持續(xù)提高，人們對(duì)于液晶電視的需求也在日益擴(kuò)大，同時(shí)對(duì)于品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。目前液晶電視生產(chǎn)商出廠前的功能測(cè)試主要通過(guò)人工遙控進(jìn)行，效率較低，而且受人為因素影響，易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

為了提高生產(chǎn)測(cè)試效率和品控質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103ZET6 的遙控盒，遙控碼保存于SD卡中，方便編輯保存，微控制器通過(guò)FATFS 文件系統(tǒng)讀取SD 卡中的遙控碼[1]，解析后通過(guò)紅外遙控頭發(fā)射出去。紅外遙控抗干擾能力強(qiáng)，成本低，多數(shù)家電控制采用此種方式[2-3]。本系統(tǒng)支持遙控碼單碼和多碼發(fā)送模式，同時(shí)支持多碼一鍵連續(xù)發(fā)送，而且采用彩色TFT-LCD 液晶模組[4]，當(dāng)前發(fā)送的遙控碼功能可以實(shí)時(shí)顯示，可為液晶電視等家電生產(chǎn)商提高生產(chǎn)測(cè)試效率和品質(zhì)控制帶來(lái)很大益處。

1   系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

1.1 硬件組成電路框圖

紅外遙控盒主要由電源模塊、MCU 控制單元、彩色TFT-LCD 液晶顯示單元、SD 讀卡單元、遙控碼段選擇單元、串口通信單元、設(shè)備聯(lián)動(dòng)單元等幾個(gè)部分組成，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理及主要功能介紹

MCU 主控單元首先讀取當(dāng)前遙控碼的碼段并顯示于彩色TFT-LCD。本系統(tǒng)通過(guò)碼段選擇單元可實(shí)現(xiàn)16個(gè)碼段，每個(gè)碼段可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)遙控碼發(fā)送或連續(xù)1 ～ 8個(gè)紅外遙控碼同時(shí)發(fā)送。碼段選擇完成后，遙控碼發(fā)射按鍵將SD 存儲(chǔ)卡中對(duì)應(yīng)遙控碼段的遙控碼通過(guò)IR 紅外發(fā)射單元發(fā)送出去，同時(shí)彩色TFT-LCD 顯示屏?xí)诠潭ㄎ恢脤?shí)時(shí)顯示當(dāng)前發(fā)送的遙控碼。本系統(tǒng)目前支持NEC 和SHARP 的紅外遙控碼協(xié)議，通過(guò)擴(kuò)展編程，可以實(shí)現(xiàn)其他協(xié)議的遙控碼。同時(shí)，通過(guò)設(shè)備聯(lián)動(dòng)單元，紅外遙控盒可與生產(chǎn)線自動(dòng)化設(shè)備，如PLC 控制柜，實(shí)現(xiàn)通信、控制，從而達(dá)到設(shè)備聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)化測(cè)試的目的。而且用戶可以根據(jù)需求，對(duì)SD 存儲(chǔ)卡內(nèi)的遙控碼任意裁剪或組合，靈活、便捷。

2   系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源管理電路

本系統(tǒng)通過(guò)外部直流12 V 提供電源輸入，然后通過(guò)DC-DC 轉(zhuǎn)換將直流12 V 降為直流5 V，為T(mén)FT-LCD 液晶顯示模塊和USB 轉(zhuǎn)串口芯片供電，之后利用LDO 將直流5 V 降為直流3.3 V，為MCU 主控單元及外圍設(shè)備提供電源。詳細(xì)電路如圖2 所示。

圖2 電源轉(zhuǎn)換模塊電路圖

2.2 MCU主控單元電路

STM32F103ZET6 微控制器使用高性能的ARM Cortex-M3 內(nèi)核。默認(rèn)工作主頻為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，具有豐富的增強(qiáng)型I/O 端口和外設(shè)，不僅支持JTAG調(diào)試，還支持SWD 調(diào)試方式。該芯片具有64 kB SRAM、512 kB FLASH、2 個(gè)基本定時(shí)器、4 個(gè)通用定時(shí)器、2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2 個(gè)DMA 控制器（共12 個(gè)通道）、3 個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5 個(gè)串口、1 個(gè)USB、1個(gè)CAN、3 個(gè)12 位ADC、1 個(gè)12 位DAC、1 個(gè)SDIO 接口、1個(gè)FSMC 接口以及112 個(gè)通用IO，強(qiáng)大的功能和豐富的外設(shè)接口完全滿足本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制要求。詳細(xì)如圖3 所示。

圖3 主控單元電路圖

2.3 彩色TFT-LCD顯示電路

MCU 主控單元通過(guò)FSMC外設(shè)接口控制彩色TFT-LCD液晶屏顯示。詳細(xì)如圖4 所示。

圖4 彩色TFT-LCD顯示屏接口電路

TFT-LCD 即薄膜晶體管液晶顯示器，其英文全稱為：thin film transistor-liquid crystal display。TFT-LCD與無(wú)源TN-LCD、STN-LCD 的簡(jiǎn)單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個(gè)像素上都有一個(gè)薄膜晶體管^[5]，每個(gè)像素都可以通過(guò)點(diǎn)脈沖直接控制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都相對(duì)獨(dú)立，并且可以連續(xù)控制，這樣不僅提高了顯示屏的反應(yīng)速度，同時(shí)可以精確控制顯示色階，所以TFT 液晶的色彩更逼真。

FSMC，即靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)控制器，能夠與同步或異步存儲(chǔ)器和16 位PC 存儲(chǔ)器卡連接。本系統(tǒng)采用的STM32F103ZET6 芯片自身帶有FSMC 接口，該接口支持SRAM、NAND FLASH、NOR FLASH 和PSRAM 等存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)通過(guò)FSMC 將TFT-LCD 當(dāng)作SRAM使用，可以有效驅(qū)動(dòng)TFT-LCD，顯示當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和遙控碼。

2.4 讀SD卡單元電路

MCU 主控單元通過(guò)FATFS 文件系統(tǒng)讀取SD 卡中.txt 格式文件，SD 卡可以隨時(shí)從遙控盒取出，通過(guò)讀卡器編輯保存其中的遙控碼。詳細(xì)電路如圖5 所示。

圖5 讀SD單元電路圖

.txt 文本文件中存儲(chǔ)的是十六進(jìn)制遙控碼，程序?qū)⑽募幸訟SCII 存儲(chǔ)的十六進(jìn)制遙控碼，通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的遙控碼協(xié)議，然后通過(guò)紅外遙控頭以二進(jìn)制遙控碼時(shí)序發(fā)送出去。

2.5 IR紅外發(fā)射單元電路

本系統(tǒng)紅外發(fā)射單元采用微控制器PF12引腳驅(qū)動(dòng)，如圖6。

圖6 IR紅外發(fā)射單元電路圖

圖7 遙控碼發(fā)送時(shí)序

紅外線的光譜位于紅色光之外，波長(zhǎng)是（0.76 ～ 1.5）μm。紅外線通過(guò)紅外發(fā)光二極管（LED）發(fā)射出去，紅外發(fā)光二極管的內(nèi)部構(gòu)造與普通發(fā)光二極管基本相同，但材料與普通發(fā)光二極管不同[6]，在紅外發(fā)射管兩端施加一定電壓時(shí)，它即可發(fā)出紅外線。紅外遙控是利用紅外線進(jìn)行傳遞信息的一種控制方式，紅外遙控抗干擾能力強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單，容易編碼和解碼，而且功耗小，成本低，幾乎適用于所有家電的控制。紅外遙控調(diào)制載波頻率一般在（30 ～ 60）kHz，大多數(shù)使用的是38 kHz，占空比1/3 的方波。

本系統(tǒng)在遙控發(fā)射開(kāi)始按鍵按下以后，會(huì)查詢系統(tǒng)當(dāng)前設(shè)置的是哪一遙控碼段，即實(shí)現(xiàn)的遙控功能。當(dāng)確認(rèn)碼段后，系統(tǒng)會(huì)判斷當(dāng)前遙控碼是單碼模式發(fā)送還是多碼模式發(fā)送，多碼模式時(shí)，還會(huì)判斷是否為一鍵連續(xù)發(fā)送。微控制器定時(shí)器3 通過(guò)定時(shí)溢出時(shí)中斷程序使紅外管接口電平反轉(zhuǎn)一次，實(shí)現(xiàn)38 kHz 調(diào)制載波，同時(shí)通過(guò)控制參數(shù)設(shè)定時(shí)延來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯“1”和邏輯“0”。

本系統(tǒng)采用的是SHARP 紅外遙控協(xié)議：Sharp 遙控碼的位定義：1 個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)320 μs 的連續(xù)載波，1 個(gè)邏輯“1”傳輸需要2 ms，1 個(gè)邏輯“0”的傳輸需要1 ms（320 μs 脈沖+680 μs 低電平）。15 位遙控碼由5 位系統(tǒng)碼、8 位數(shù)據(jù)碼和2 位結(jié)束碼組成。1 個(gè)完整的遙控命令包含2 幀數(shù)據(jù)。發(fā)送時(shí)，首先發(fā)送1 幀15 位數(shù)據(jù)，延時(shí)40 ms 后發(fā)送另1 幀數(shù)據(jù)，此幀的系統(tǒng)碼與前幀相同，數(shù)據(jù)碼和結(jié)束碼與前幀相反。

經(jīng)過(guò)程序編碼，按下開(kāi)始發(fā)送按鍵，將具體遙控碼編碼后按時(shí)序發(fā)送出去，如圖7 所示。

2.6 串口通信單元電路

本系統(tǒng)串口通信單元電路采用CH340 實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口電路，方便串口調(diào)試及一鍵下載。詳細(xì)電路圖如圖8 所示。

圖8 串口通信單元電路圖

3   系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的程序使用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)方法，提高各模塊的獨(dú)立性，方便開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行調(diào)試和后期維護(hù)。程序的功能模塊包括程序初始化模塊、碼段選擇處理模塊、讀SD 卡模塊、紅外遙控命令解析模塊、彩色TFT-LCD 顯示模塊，在主函數(shù)中調(diào)用各個(gè)模塊的接口，按照既定的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)碼段選擇、讀SD 卡內(nèi)遙控命令并按照遙控碼協(xié)議發(fā)送，以及實(shí)時(shí)顯示于彩色TFT-LCD 的功能。本系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

4   實(shí)現(xiàn)功能

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的遙控功能可選擇、可編輯，方便客戶根據(jù)需要自由編輯保存所需的遙控功能，主要實(shí)現(xiàn)功能如下。

1）遙控碼存儲(chǔ)于SD 卡，變更遙控功能時(shí)只需將SD 卡取出，使用讀卡器編輯完再插入遙控盒即可，不需再燒錄固件；

2）相較于傳統(tǒng)遙控器的按鍵固定不可更改，本遙控盒可以對(duì)遙控碼進(jìn)行編輯，而且可以實(shí)現(xiàn)不同遙控碼的一鍵連續(xù)發(fā)送；

3）發(fā)射遙控碼的同時(shí)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前所做的遙控功能，方便用戶進(jìn)行狀態(tài)跟蹤；

4）預(yù)留了設(shè)備聯(lián)動(dòng)接口，可以與生產(chǎn)商的自動(dòng)化設(shè)備，如PLC 等進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)化設(shè)備聯(lián)動(dòng)，加快生產(chǎn)效率。

5   結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的遙控盒經(jīng)客戶試用完全達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，且經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試，工作穩(wěn)定、可靠，極大提高了生產(chǎn)廠商的檢測(cè)效率及品控質(zhì)量。另外，本遙控盒提供了與自動(dòng)化設(shè)備聯(lián)動(dòng)的接口，客戶可以根據(jù)需要對(duì)接到生產(chǎn)線的自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遙控與自動(dòng)化設(shè)備的聯(lián)動(dòng)。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）