IR remote control, а без микроконтроллеров можно? Да не вопрос

Автор текста: OldFashionedEngineer
Больше интересных фотографий и комментариев в оригинальном материале

Сколько логических микросхем понадобится, чтобы получить полноценный ИК-пульт дистанционного управления? Этот вопрос, вероятно, никогда не приходил вам в голову! И в моем воспаленном сознании однажды возник такой вопрос.

Если вы читали мои предыдущие статьи, вы уже имеете представление о моей конкретной страсти к схемотехнике. Но не все мои идеи воплощены в железе; многие остаются в виде черновиков на виртуальных моделях. Именно это и произошло с этим дизайном, но я думаю, что он достаточно интересен, чтобы поделиться с вами.

Если вы тоже думаете, что немного схемотехники после новогодних праздников вам не помешает, то добро пожаловать под кат.

Одному моему другу из Ярославля нужно было разработать задание для конкурса по электронике. Формат соревнований удивительно совпал с форматом моего хобби. Вот почему ко мне обратился мой друг.

Конкурс проводился для студентов, и мне хотелось предложить что-то «умное», а не очередной «моргающий свисток», основанный на жесткой логике. И тут в своем архиве я наткнулся на схему ИК-пульта в формате RC-5. Почему нет? Здесь есть модуляция и интересна кодировка и схемы. Решено! Предварительно я согласовал эту идею с другом и начал над ней работать.

❯ Формат RC-5

Сам протокол RC-5 стар как этот мир и является отличным примером функционального минимализма в схемотехнике. Он был разработан в то время, когда инженерам приходилось экономить вычислительные ресурсы в своих схемах. Сегодня вы можете взять какой-нибудь Arduino и без особого напряжения создать на нем любой протокол управления. Вероятно, поэтому современные статьи о протоколе RC-5 упускают из виду некоторые важные моменты.

В протоколе RC-5 используется двухфазная модуляция, которая в зарубежной литературе называется «Манчестерским кодом». Его главное преимущество – самосинхронизация. То есть двоичный код может передаваться по одному каналу связи без дополнительного канала синхронизации.

Все биты отправляются одновременно за 1,778 мс. Для передачи логического нуля в первую половину периода передается высокий уровень, а во вторую — низкий уровень. Чтобы передать устройство, все наоборот.

Этот код достигается очень просто путем кодирования данных тактовым сигналом с заполнением 50% с использованием функции XOR. Тактовый сигнал должен быть высоким в первой половине цикла и низким во второй. Если вспомнить, как работает логическая функция XOR, все сразу станет понятно.

Кстати, время передачи одного бита данных 1,778мс выбрано не случайно. Для исключения влияния ИК-фонового излучения, например от люминесцентных ламп, сигнал пульта модулируется частотой 36 кГц. Таким образом, за один период передачи данных помещается ровно 64 импульса заполнения. Опорная частота обычно имеет рабочий цикл 3 или 4, поэтому сигнал легче фильтровать.

Сам пакет в формате RC-5 включает 14 бит. Чуть позже мы увидим, что это также очень практично с точки зрения схемотехники. Общее время передачи пакета составляет 24,9 мс.

В начале передачи всегда передаются два стартовых бита с логическим значением «1». При манчестерском кодировании нам необходимо знать значение первого бита, иначе все последующие биты могут быть неправильно истолкованы. Это также позволяет приемникам синхронизироваться.

Третий бит триггера (бит управления) меняет состояние при каждом последующем нажатии кнопки. Если кнопка удерживается нажатой, передача должна повторяться каждые 114 мс, а бит триггера не изменится. В этом заключается разница между нажатием одной кнопки несколько раз и ее удерживанием.

Пять бит системного адреса управления S4 – S0 позволяют выбрать одно из 32 стандартных устройств (телевизор, видеомагнитофон, проигрыватель компакт-дисков и т д.), к которому адресована команда C5 – C0. Команды также были стандартизированы разработчиком протокола Philips.

Когда-то это позволяло различать панели управления для разных устройств. Но тут китайцы, как всегда, все сломали; в их сверхмассивных устройствах коды часто использовались так, как было удобно китайским инженерам. Теперь случается, что на пульте люстры появляется секретная кнопка, которая придает громкость телевизору и одновременно включает вытяжку на первой скорости.

❯ Структурная схема пульта

У меня получилась следующая блок-схема панели управления. Помня, что это задание на конкурс, количество элементов схемы и площадь платы ограничены, функционал пульта пришлось ограничить десятью кнопками. Также не реализована функция повторной отправки команды при удержании кнопки. Но все это при необходимости можно довольно легко добавить.

На схеме я добавил названия микросхем, используемых в каждом конкретном блоке.

Клавиатура и приоритетный шифратор

Обработка командных кнопок реализована с помощью приоритетного кодера CD4532. Чтобы добавить еще две кнопки, я использовал три клапана OR 74HC32. Можно было бы использовать два последовательно соединенных энкодера, но в другом блоке схемы понадобился один вентиль ИЛИ, поэтому получилось уменьшить количество случаев.

Кнопки необходимо подтянуть к земле резисторами, чтобы вводы кода не болтались в воздухе.

Обратите внимание: Куда звонить по вопросам коронавируса в Сочи: публикуем список телефонов.

В зависимости от качества кнопок параллельно каждой из них можно поставить конденсатор емкостью 0,1 мкФ.

Вывод 14 ГС на микросхеме У6 позволяет определить момент нажатия кнопки; дифференциальная цепь C7-R9 действует как детектор фронта и генерирует короткий импульс для запуска схемы записи. На выходах d0-d3 формируется двоичный код нажатой кнопки.

Формирователь сообщения

Код нажатой кнопки передается в схему формирования сообщения. Эта схема основана на двух сдвиговых регистрах 74HC165. Думаю здесь все должно быть понятно, RC-5 — последовательный протокол, поэтому используемые регистры — параллельно-последовательные.

В качестве инвертора используется вентиль XOR, это также сделано для уменьшения количества пакетов логических микросхем, чтобы не устанавливался дополнительный пакет вентилей NOT.

Через инвертор сигнал записи блокирует входы сдвигового регистра, так что данные, установленные на входе регистра в момент нажатия кнопки, передаются последовательно.

Входы D0-D4 сдвигового регистра U1 соединены с землей и формируют нулевой адрес устройства; при необходимости эти линии можно переключать между землей и питанием удобным для вас способом. По классификации Philips 0h — адрес телевизоров; с помощью кнопок вы можете нажимать на телепрограммы.

Битовый переключатель

Бит управления триггером генерируется триггером U3:B, подключенным по схеме резервного мультивибратора с увеличенным наклоном фронта. Короткий импульс записи от схемы обработки клавиатуры переключает выход триггера на противоположное значение. Благодаря этому в упаковке можно различить отдельные нажатия на кнопки пульта.

Отправка сообщений и тактирование

Сигнал записи также переключает выходы другого вентиля триггера U3:A, который активирует схему формирования сообщений на базе счетчика 74HC393.

Целью этой схемы является подача 14 тактовых импульсов на сдвиговые регистры и вывод всех 14 бит данных.

Триггер U3:A удерживает счетчик U2:A в состоянии сброса до тех пор, пока не поступит сигнал записи. Благодаря проводам ИЛИ на диодах D3-D6 счетчик будет считать до тех пор, пока хотя бы на одном из выходов Q0-Q3 будет низкий уровень.

По фронту тактового импульса 15 все выходы счетчика будут установлены в высокий уровень, на вход триггера через логический элемент ИЛИ U4:A будет подан импульс переключения, и работа схемы будет завершена. То есть пятнадцатый импульс от тактового генератора не доходит до сдвигового регистра; схема пропустит ровно 14 тактовых импульсов с выхода генератора U8 NE555, где выход схемы формирования сообщения о передаче будет на активном уровне.

Бифазный модулятор

Полагаю, нет необходимости подробно объяснять работу модулятора в манчестерском коде. Это должно быть ясно из предыдущего текста.

Дополнение формируемого сообщения частотой 36 кГц осуществляет генератор U9 таймера NE555. Современные ИК-приемники зачастую строятся на модулях типа TSOP, которые сразу выдают на выходе низкочастотный сигнал, а потому не столь критичны к количеству заполняющих импульсов.

Светодиод D7 должен быть инфракрасным с длиной волны 940 нм, это наиболее распространенный диапазон для ИК-управления. Если длина волны светодиода отличается, дальность приема может значительно уменьшиться.

Немного о питании схемы

Схема может питаться от трех, а лучше четырех батареек ААА, соединенных последовательно. Или используйте две батареи с повышающим стабилизатором на 5В. Наличие стабилизатора предпочтительно; это позволит выжать из аккумуляторов максимальную емкость.

❯ Итоги проектирования

Предварительная компоновка схемы на печатной плате показала ее жизнеспособность. Для реализации схемы ИК-пульта в формате RC-5 мне понадобилось всего девять корпусов SOIC, два из которых имеют по 8 контактов. Все эти компоненты идеально вписываются в формат классического пульта от телевизора.

Остаётся единственный вопрос относительно энергопотребления схемы. Конечно, она будет потреблять много батареек, ее нельзя сравнивать со специализированными микросхемами, уходящим в спящий режим между нажатиями кнопок.

Мы так и не смогли реализовать эту схему аппаратно, хотя было бы интересно спаять ее. В результате проектирования схемы мы с другом придумали другую концепцию задания для конкурса. Но эта схема является хорошей головоломкой для дальнейшего обучения студентов пониманию цифровых схем.

Почему мы не составили эту диаграмму? Об этом я напишу в одной из следующих статей.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, ознакомьтесь с другими моими проектами:

1. Простая схема динамических поворотников, и никаких микроконтроллеров
2. Светодиодная шкала переменного сопротивления на «сыпучей» основе
3. Логический светофор со схемотехникой в стиле Битлз. Как электроника снова стала моим хобби
4. Профессиональные методы прототипирования печатных плат. Пресс или мельница, ни слова о железе
5. Бердекель или арифметический детектив на операционных усилителях
6. Электронная игра «Лабиринт» на сервоприводах. Никакого ардуино, только жесткая логика
7. Велосипедный фонарь с динамическими поворотами. Зачем покупать на AliExpress, если можно сделать это самостоятельно?
8. ЛПКФ ПротоМат С63. Мыши плакали, делали уколы, но.. продолжали шлифовать платы
9. Аудиоусилитель на базе драйвера шагового двигателя L298 и 555 часов. Да, 555 умеют петь
10. Графический анализатор спектра с динамическим отображением на основе жесткой логики
11. Цифровой термометр с жесткой логикой