一种红外遥控编码专用芯片的设计与实现

摘要:给出了一种专用于红外遥控发射系统的新型红外遥控编码芯片的电路,其发射码包括引导码、16位用户码、8位按键码和8位按键码反码,经过38 kHz的载波信号调制后发射。芯片采用单脚晶体振荡器,节省了两个振荡电容,通过芯片引脚跳线最多可变11个客户码和66个按键码,节省了用户码跳变二极管,仅需16个引脚进行封装。芯片采用2.5μm CMOS铝栅工艺流片,测试结果表明,发射芯片能够实现对功能码的正确发射,工作电压低(VDD=1.8～3.3 V),长时间无按键按下进入待机模式(Idd

关键词:红外遥控;编码芯片;低功耗

ASIC Design and Implement of the Encoder Chip for Remote Control

LI Xin,JIA Huai-bin,LU Ting

(School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110178, China)

Abstract: This paper introduces the design of a new encoder IC of remote control, which adopts the infrared remote transmission system. The data frame which consists of leader code, 16 bits custom codes, 8 bits key codes and their 8 bits inverse codes transmits after a 38 KHz carrier waveform. The chip saves two oscillator capacitances by using single pin oscillator. The IC realizes utmost 11 different custom codes and 66 key codes through 14 feet jump line and it does not need for custom codes to jump to connect diode and only packs 16 pins. The test result indicated that this chip can latch the code accurately, has the low operating voltage (VDD=1.8~3.3V), low power consumption(Pd=200mW), long time no keys pressed into standby mode(Idd

Keywords: remote control; encoder IC; low power consumption

1引言

随着电子技术的飞速发展,新型大规模遥控集成电路的不断出现,使遥控技术有了日新月异的发展[1,2]。红外遥控作为一种单向红外通讯技术,因其具有性能稳定、使用方便以及成本低廉等特点[3],在国防、工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中使用非常广泛[4]。然而传统的遥控芯片存在引脚较多,电路复杂,并且功耗较高等问题[5]。为降低红外遥控发射系统的生产成本,减少红外遥控编码芯片的元件,提高市场竞争力,给出了一种新型红外遥控编码芯片的设计,最大限度减少元件数量,降低封装成本,实现低功耗设计。

2红外遥控编码芯片电路的原理

红外遥控编码电路包括:振荡电路、分频及时钟产生电路、上电复位电路、按键扫描及按键输入电路、ROM及ROM控制电路和指令码生成及发射电路,系统框图如图1所示。其引脚功能如下,VDD:电源;VSS:地;OSC:晶体振荡器输入;CCS:客户码选择输入端;KI/O0―KI/O10:键输入/输出引脚;REM:指令码输出引脚。

电路接通电源之后,上电复位电路产生清零信号对电路进行复位,当无按键按下时,内置环形振荡器起振,通过分频电路和时钟产生电路产生按键扫描信号对KI/O0―KI/O10进行扫描,电路处于待机状态;一旦有按键按下之后,由OSC输入晶体振荡信号,编码电路开始工作,分频电路及时钟产生电路向各级电路提供所需的时钟信号;按键扫描电路将CCS与KI/O0-KI/O10之间的连结关系扫描到ROM读控制电路,读ROM控制电路从ROM中读出客户码,并将其送入指令码生成电路;同时按键扫描电路将KI/O0-KI/O10之间的连接方式扫描到ROM读控制电路,读ROM控制电路从ROM中读出键码,并将其送入指令码生成电路;指令码合成电路将客户码和键码合成完整的指令码,在引导码发射以后,经载波调制形成完整的指令码后从REM发射出去。

3红外遥控编码芯片电路设计

3.1 振荡器电路设计

振荡器电路由外接455 kHz的单脚晶体振荡器和内置低频环形振荡器组成,产生整个编码芯片所需的时钟信号和控制信号,如图2所示。晶体振荡器具有振荡频率准确、稳定等优点,因而可为编码电路提供精准的时钟频率;图2下半部分为设计的单脚晶体振荡电路,由RC振荡电路和起稳频作用的石英晶体构成,其中反馈电阻和电容集成在芯片内部,只留一个PAD在外面连接晶振,这种结构的单脚晶体振荡器不仅结构简单节省元件和封装成本,而且稳定性好、准确性高。EN2为使能端,OSC2为输出端,当EN2为低电平时,即当按键按下时,OSC2端向编码电路提供精准的455 kHz时钟频率。同时芯片还内置了一款低频的环形振荡器(图2上半部),频率范围为50-70 kHz,在无按键按下时为按键扫描电路提供扫描时钟,同时关断晶体振荡器,环形振荡器的频率比较低,可以有效地降低电路的待机功耗。

3.2 上电复位电路及时钟产生电路

(1)上电复位电路

由P型倒比管、N型倒比管电容和反相器组成的上电复位电路如图3所示,电源刚接通时电容C2两端的电压为零,经反相器输出正脉冲作为清零信号,使电路内需要清零的单元在开机后清零。PMOS在电源接通后,因栅极被下拉到低电平而导通,VDD经过PMOS对电容C1充电,当充电到高电平时输出变为低电平,清零过程结束。

(2)时钟产生电路

该电路主要将振荡频率分频为各部分电路所需要的频率和控制时序:①晶体振荡频率经12分频产生38 kHz的占空比为1:3的载波频率;②晶体振荡频率经过120分频产生电路的主时钟频率。主时钟经过分频产生按键检测时钟,扫描时钟,控制电路时钟和指令码生成电路时钟等模块所需要的时钟信号。待机状态的按键扫描时钟是由内置的环形振荡器经2选1选择器进入10分频电路产生的。时钟产生电路采用行波分频器如图4所示,上半部分为12分频电路,下半部分为10分频电路,整体电路可实现120分频。

3.3按键扫描及按键输入电路

只需引脚跳线的按键扫描输入/输出电路如图5所示,在无按键状态,由低频环形振荡器提供扫描信号发生电路的振荡时钟,键扫描电路工作并产生扫描时钟,键扫描时钟译码电路产生11位时钟信号进入KO端,键扫描信号变化规律为1111111111011111111101111111110111111111011111111101111111110111111111011111111101111111110111111111011111111101111111111,周而复始,并从引脚KI/O0―KI/O10输出。当检测到有按键按下时,则两个跳线引脚同时出现两个低电平的扫描脉冲,即产生按键输入信号,由KI端进入编码电路。

11个按键扫描输入/输出引脚(KI/O0―KI/O10)能够同时实现扫描信号与输入信号的功能,11个引脚加上GND按照排列组合的方式可实现66个按键功能,而且采用引脚直接跳线,与其他类型的红外遥控编码芯片相比相同的按键数节省5个PAD,大幅地节省封装成本,同时节省了跳线二极管。

3.4 客户码和键码编码电路

编码电路所采用的编码格式为NEC格式[6],NEC编码格式的特征:①使用38 kHz载波频率;②引导码间隔是9 ms + 4.5 ms;③使用16位客户代码;④使用8位数据代码和8位取反的数据代码。NEC 协议通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号的调制。逻辑“1”由0.56 ms的38 kHz载波和1.68 ms的无载波间隔组成;逻辑“0”由0.56 ms的38 kHz载波和0.56 ms的无载波间隔组成;结束位是0.56 ms的38 kHz载波,如图6所示。

客户码的作用是区分不同类型的被控对像,客户编码一共有16位,由ROM中的数据决定,通过修改ROM中的内容来更改客户码,这样可以应不同用户的要求来设计客户码。芯片的客户码一共有11种,可通过引脚CCS与输入输出引脚KI/O0-KI/O10中的任一引脚相连接来进行选择,引脚之间无需任何二极管,CCS端配置内部上拉电阻,不需要外接上拉电阻,与传统的遥控芯片相比减少了元件的使用。

键码的作用是区分不同的按键,一共有8位,对于每个按键,其编码信息是唯一的,该芯片可提供66个键码,键码的数据也是存储于ROM中的,但键码的存储顺序必须预先确定,顺序确定后就能确定键码在ROM中的地址,这样就可以确定66个按键的功能。

(1)客户码编码电路设计

当电路由待机状态进入工作状态时,按键扫描电路开始工作产生周期性的扫描时钟,对键盘扫描,将由引脚CCS与输入输出引脚KI/O0-KI/O10之间连结方式决定的客户码扫描到电路内部,根据不同的连结方式产生不同ROM2客户码读地址,读使能有效时,在读时序控制下输出进入ROM2的读时序控制电路。ROM2中存储有客户码编码的所有数据,针对不同的遥控编码格式,根据不同编码格式对客户码种类的要求,设计掩模ROM2的存储阵列。读ROM2时序控制电路提供8位的地址从ROM2中读出客户码,并将其送入指令码合成电路。 (2)键码编码电路设计

按键扫描电路同时会把66键按键输入信息描到电路内部,因受扫描方式的限制,键控脉冲只能用于识别键位,不能作为编码电路使用的指令脉冲,66个按键编码存储于掩模ROM1中,键码的形成过程实际上是一个脉冲转换的过程,即将键控脉冲转换成键码脉冲的过程。ROM1 时序控制电路向ROM1提供12位读地址从ROM1中读出相应按键所对应的键码,并在相应的时序将键码送入指令码合成电路,如图7所示。

3.5 指令码生成电路

指令码合成电路主要完成将客户码和键码合成完整的指令码,在引导码发射以后,在载波调制之下形成完整的指令码后发射出去,如图8所示。对于NEC编码格式指令码生成电路的设计,采用计数器、移位寄存器加上控制逻辑在时钟的协调下完成。按下按键36ms后,发码允许信号打开,计数器开始记数,D触发器持续输出一个高电平和一个低电平,作为遥控器引导码。指令码周期为108 ms,发射周期溢出信号到来后就重新发射引导码,并改变引导码的占空比;第一次发射指令码时,引导码占空比为2:1(9 ms : 4.5 ms);以后发射引导码的占空比为4:1(9 ms : 2.25 ms)。

在计数器的值达到预定的值后,移位寄存器启动,在控制逻辑的控制下首先移出高8位客户码,同时将客户码高8位反码送入寄存器。客户码低8位设置码反码与高8位客户码反码按位相异或后作为低8位客户码输出。相应的时刻8位键码送入移位寄存器,在移出8位键码的同时,8位键码反码依次移入移位寄存器,键码发射完之后,再发射键码反码,最后在发射指令控制逻辑的控制下发射一位结束位,这时所有指令码发射允许信号都为“0”,在发射功能码反码时送入寄存器的值全为“0”,使得控制电路产生指令码发射完毕信号,在余下的指令周期中输出低电平。

引导码发射有效信号到来指令码发射信号未到时,发射引导码,同时载入38 kHz的载波,当指令码发射允许信号到来时,引导码发射截止,开始发射指令码,并加上38 kHz的载波信号。

4仿真分析

利用UltraSim对整体电路进行数字逻辑仿真,验证电路的客户码设置规则和键码的正确,验证多键保护功能,验证双键功能以及连续发射功能。对输入输出口的性能进行瞬态仿真,根据spice参数调整输出口的驱动能力。图9是基于整体电路在连续按键情况下的仿真结果,在按键按下36 ms后开始输出调制波形,首先输出的是完整的编码周期,由9 ms + 4.5 ms的引导码、低八位客户码、高八位的客户码、八位按键码、八位按键码反码和结束位组成;接着输出的是重复码,由9 ms + 2.25 ms的引导码以及结束位构成。根据NEC的编码格式可知图9中低八位的客户码为1000 0000,高八位客户码为0010 0000,八位按键码为1100 0010,八位按键码反码为0011 1101。

5芯片的实现及测试

芯片采用P阱2.5μm CMOS铝栅工艺进行流片,采用全定制的版图设计方法,减小了芯片面积,降低了生产成本,图10为绘制版图和裸片版图,芯片采用SOP-16封装形式。

测试电路如图11所示,可以看出该芯片的元件少,采用单脚晶体振荡,节省两个振荡电容,节省客户码跳变二极管。针对11种客户码和66种按键码的连接方式,用红外测试仪检测芯片发射的波形,测试通过率100%;发射电路能够实现对功能码的正确发射,图12为某种按键情况下发射的波形。芯片的性能测试结果表明,芯片能够在较低的电压范围内工作(VDD = 1.8～3.3 V),芯片在长时间无按键按下进入待机模式,其静态电流Idd

6总结

采用单脚晶体振荡器及新型的按键扫描技术,设计了一种新型红外遥控编码专用芯片,芯片封装引脚少,电路简单,功耗低,能够实现对NEC编码格式指令码的准确发射。流片后测试结果表明,芯片平均功耗为200 mW,长时间无按键按下进入待机模式(Idd

参考文献

[1] 郭迪忠.红外电子技术[M].国防工业出版社,2001.

[2] 孙肖子,张健康,张梨.专用集成电路设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003:pp5-6,pp256-300.

[3] Khoman Phang, David A. A CMOS Optical Preamplifier for Wireless Infrared Communication [J].Analog And Digital Signal Processing, 1999, 46(7):18-24.

[4] 周卫,詹宜巨,等.一种通用学习型红外遥控器设计与实现[J].广东自动化与信息工程,2005(2):18-19

[5] 杨凯,崔炳哲.数字逻辑电路的ASIC设计[M].北京:科学出版社.2004:pp121-150.

[6] 何书森. 实用遥控电路原理与设计速成[M]. 福州: 福建科学技术出版社, 2002.

作者简介

李新,博士,副教授,研究方向为数模混合集成电路设计。

贾怀彬,硕士研究生,目前主要从事集成电路设计与研究。

陆婷,硕士研究生,目前主要从事集成电路设计与研究。