基于红外线音频信号接收遥控系统的设计与研究

Ｖａｌｕｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　·１６９·　基于红外线音频信号接收遥控系统的设计与研究　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ－ｂａｓｅｄ　Ｓｏｕｎｄ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｉｎｃｅｐｔｉｏｎ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　李剑心Ｌｉ　Ｊｉａｎｘｉｎ　（四川建筑职业技术学院，德阳６１８０００）　（Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄｅｙａｎｇ　６１　８０００，Ｃｈｉｎａ）　

摘要：红外线接收音频信号系统，是通过接收以红外线作为载波的光源，再把收到信号解调回原音频的过程。发射光源选取红外光优点则　在于不容易被其他电器干扰，保密性能好。本文探讨如何设计和运用红外线音频信号接收遥控系统去实现声音通信，并利用红外线遥控的方式　实现音量的加减控制和系统电源的管理。　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩＲ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ａｕｄｉｏ　ｓｉｇｎａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｃｅｉｐｔｓ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｗｉｔｈ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｓ　ｃａｒｒｉｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｅｓ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｂａｃｋ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ａｕｄｉｏ．Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｓ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｂｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｄ　ｂｙ　ｏｔｈｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｕｓｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｕｄｉｏ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｃｅｐｔｉｏｎ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｖｏｉｃｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｕｓｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅａｎｓ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｏｗｅｒ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．　关键词：红外线；电子音量控制；遥控；锁相环　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｖｏｌｕｍｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ：ｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄ　ｌｏｏｐ　中图分类号：ＴＰ３９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—４３ｌ】（２０１　ｌ】１６—０１６９—０３　

Ｏ引言　随着移动通信业务的需求不断增加，个人通信的兴起，无线接　入技术已得到广泛重视。己有的无线局域网移动通信技术的传输媒　介包括微波、红外、无　电等技术。红外无线数字通信是一种采用红　外线作为通信载体，可用于室内外以实现点对点及无线ＩＪＡＮ通信　的技术，现已有多家公司推出了产品。包括ＩＢＭ，ＨＰ在内的大公司　都投入到该技术的开发。该技术已用于语音、数据通信等领域，正在　发展应用的有ＩＳＤＮ的红外无线接入设备、分布式视频红外无线接　入、计算机红外无线接入的软件支持、无线红外ＬＡＮ，ＡＴＭ网的红　外接入技术等，目前该技术正向高带宽、高速率方向发展。　红外线信号传输是目前使用最为广泛的一种信号无线传输手　段。红外装置具有体积小、微功耗、功能强、线路简单、保密性好、成　本低等特点。红外线音频信号接收遥控系统就是利用红外线接收装　置将红外信号还原为输入信号，从而实现对输入信号的无线接收，　它是一种光能一电能的一种光传输方式。该系统通过按键控制自激　多谐振荡器产生不同频率的信号驱动红外发射管输出红外控制信　号，发射部分的红外接收器收到此信号通过音调开关电路确定做出　何种回应，并将这种回应反映在输入的信号上，再通过调制电路调　制后驱动红外发射管输出红外调制传输信号，接收部分的红外接收　器收到此信号，经过解调放大电路还原为原始输入发射端的信号。　１系统描述　该系统由两部分组成：　第一部分为红外线接收解调电路：　圈…～　Ｈ　第二部分为红外线音量控制电路　二　｛　２系统原理框图及说明　系统原理框图如图所示，根据按下不同的按钮，使控频自激多　作者简介：李剑心（１９８１一），男，四川德阳人，大学本科，电子工程师。　谐振荡电路产生不同频率的振荡信号通过红外发射电路发射给发　射部分的接收端，以产生不同的作　。发射部分发出的红外信号被　红外接收电路接收到后，经过解调电路和放大电路后，输出原输入　的音频信号。　３系统设计与分析　３．１频分制红外线遥控红外遥控是指利用红外线（又称红外　光）来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制目的。具体来　讲，就是由发射器发出红外线指令信号，由接收机接收下来并对信　号进行处理，最后实现对控制对象的各种功能的远距离控制。　频分制红外线遥控就是指令信号产生电路以不同频率的电信　号代表不同的控制指令。当不同的指令键被按下时，指令信号电路　产生不同频率的指令信号。接收器中指令信号检出电路就是对发射　器的不同指令信号频率的频率选择电路，简称选频电路。对应每一　个指令，就要有一个选频电路。红外发射、接收器件发射与接收的波　长为０．８８　ｍ一０．９４１ｘｍ的近红外光，频分制遥控电路中指令信号的　频率一般为几百Ｈｚ一几十ｋＨｚ，由于采用这种频分制遥控方式时红　外光具有较强的抗干扰能力，因此，一般情况下，频分制遥控的发射　器中不用调制电路，不同频率的指令信号直接加至驱动电路，驱动　红外发射器件发射不同频率的近红外光信号。当然接收器中的解调　电路也就不需要了。这样一来，电路得到简化，成本随之降低。　

图１频分制红外线遥控系统框图　频分制红外线遥控电路原理比较简单，易于组装，是一种应用　较广的红外线遥控系统。但由于每有一个指令，接收电路就要有一　个选频电路相对应，当系统的通道数较多时，电路就会变得复杂和　庞大，且各通道间可能会产生串路干扰，因此，当系统的通道数较多　时，一般采用码分制红外遥控电路。　红外线遥控系统按照指令信号传递的路径数目来分类，有单通　道与多通道红外线遥控两种。有两个或两个以上指令信号传送路径　的遥控系统称为多通道红外线遥控。多通道遥控可以实现对被控对　象的任意的频道的切换。例如，本系统设计的红外遥控器就可对数　控系统进行２０种的多功能遥控。随着集成电路的发展及新产品的　不断出现，特别是红外遥专用集成电路及通用低功耗集成电路的广　泛应用。为红外遥控系统性能的提高、体积的减小、成本的降低创造　·ｌ７０·　价值工程　了十分有利的条件。因此，目前大部分红外线遥控系统均采用集成　电路构成。　３．２用ＮＥ５５５设计的控频自激多谐振荡发射电路　

图２控频自激多谐振荡发射电路　ＮＥ５５５的第四脚接高电平ＶＣＣ，第五脚连接０．０１ｕＦ电容，起　滤波作用。将第六脚和第二脚连在一起，作为输入信号的输入端，　构成了施密特电路形式。将三极管输出端第七脚通过电阻Ｒ１接到　电源ＶＣＣ，三极管就构成集电极开路门反相器的形式；其输出端再　通过Ｒ２、Ｃ２积分电路反馈至输入信号的输入端，就构成了自激多　谐振荡器。　当按下开关Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３中的一个，电路就接了通电源，由于Ｃ２　还未充电，所以ｖｃ（第六脚与第二脚）为低电平，比较器一输出的　Ｖ１为高电平，比较器二输出的ｖ２为低电平，与非门一输出的为低　电平，电路输出ｖｏ为高电平。由于与非门一输出为低电平，使三极　管截止，Ｖｃｃ通过电阻ｆＲ１＋Ｒ２）对电容Ｃ２充电，电路进入暂稳态。　在暂稳态期间，随着电容Ｃ２的充电，ｖｃ电位不断升高，当　Ｖｃ＞＝２／３Ｖｃｃ时，比较器一输出的ｖ１为低电平，使与非门一输出高　电平，这使电路输出ｖｏ翻转为低电平，电路发生一次自动翻转。　与此同时，由于与非门一输出高电平，使三极管导通，电容ｃ２　通过Ｒ２，三极管放电，电路进入另一暂稳态。在这一暂稳态期间，随　着电容Ｃ２的放电，使Ｖｃ电位逐步下降。当Ｖｃ下降至Ｖｃ＜＝１／３Ｖｃｃ　时，比较器二输出Ｖｃ２为低电平，使得与非门一输出低电平，这使电　路输出Ｖｏ翻转为高电平，电路又一次自动发生翻转。此后，由于与　非门一输出低电平，三极管截止，电源Ｖｃｃ又通过（Ｒ１＋Ｒ２）对电容　ｃ２充电，重复上述电容Ｃ２的充电过程，如此反复，形成多谐振荡。　而产生的振荡信号，就由第三脚通过红外线发射管发射出去。而　Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３三个开关对应着三种不同频率的信号。　由上述分析，振荡信号的频率是由Ｒ１，Ｒ２，Ｃ２确定的：　ｆ＿－１．４４３／（Ｒｌ＋２＊Ｒ２）＊Ｃ２　在电容充电时，暂稳态持续时间为：　ｔｗｌ＝０．７　（ＲＩ＋Ｒ２）｝Ｃ　在电容放电时，暂稳态持续时间为：　

ｔｗ２＝０．７　Ｒ２＂Ｃ２　因此，电路输出矩形脉；中的周期为：　Ｔ＝ｔｗ１＋ｔｗ２＝０．７｝（Ｒｌ＋２＊Ｒ２）＊Ｃ２　Ｒ１、Ｒ１’、Ｒ１”三个电阻确定了ＮＥ５５５多谐振荡器所产生的三　种频率，取值是由发射端三块ＬＭ５６７芯片的中心频率确定的。　３．３用ＣＤ４０４６设计的接收解调电路（如图３所示）　红外接收管将红外线信号接收到，经过放大和解调会在输出端　直接输出原始的在发射部分经过ＣＤ４０４６调制的信号。该信号从　ＣＤ４０４６的第十四脚输入到芯片里，通过锁相环再次进行解调。　锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同　步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称ＰＬＬ。锁相环主要由相位比较　器（ＰＣ）、压控振荡器（ＶＣＯ　ｏ低通滤波器三部分组成。（如图４所示）　压控振荡器的输出ｕｏ接至相位比较器的一个输入端，其输出　频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ｕｄ大小决定。施　加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号ｕｉ与来自压控振荡　器的输出信号ｕｏ相比较，比较结果产生的误差输出电压ｕ　正比　于　和ｕｏ两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，　得到一个平均值电压Ｕｄ。这个平均值电压Ｕｄ朝着减小ＶＣＯ输出　

图３　ＣＤ４０４６构成的接收解调电路　比较信号ｕｏ（ｆ２）　图４锁相环　

频率和输入频率之差的方向变化，直至ＶＣＯ输出频率和输入信号　频率获得一致。这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同　步）称作相位锁定。　当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，ＶＣＯ可在某一　范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕　捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫ＶＣＯ锁　定在这个频率上。锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率ｆ１不等　于ＶＣＯ输出信号频率ｆ２，而要求两者保持一定的关系，例如比例关　系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的　需要。　ＣＤ４０４６锁相环采用的是ＲＣ型压控振荡器，必须外接电容ｃ１　和电阻Ｒ１作为充放电元件。当ＰＬＬ对跟踪的输入信号的频率宽度　有要求时还需要外接电阻Ｒ２。由于ＶＣＯ是一个电流控制振荡器，　对定时电容Ｃ１的充电电流与从９脚输入的控制电压成正比，使　ＶＣＯ的振荡频率亦正比于该控制电压。当ＶＣＯ控制电压为０时，其　输出频率最低：当输入控制电压等于电源电压Ｖｄｄ时，输出频率则　线性地增大到最高输出频率。ＶＣＯ振荡频率的范围由ＲＩ、Ｒ２和ｃ１　决定。由于它的充电和放电都由同一个电容ｃ１完成，故它的输出波　形是对称方波。一般规定ＣＤ４０４６的最高频率为１。２ＭＨｚ（Ｖｄｄ＝　１５Ｖ），若Ｖｄｄ＜ｌ５Ｖ，则ｆｍａｘ要降低一些。　综上所述，ＣＤ４０４６工作原理如下：输入信号Ｕｉ从１４脚输入　后，经放大器Ａ１进行放大、整形后加到相位比较器Ｉ、Ⅱ的输入端，　图３开关Ｋ拨至２脚，则比较器Ｉ将从３脚输入的比较信号ｕ０与　输入信号ｕｉ作相位比较，从相位比较器输出的误差电压ｕ　则反　映出两者的相位差。　Ｕ　经Ｒ３、Ｒ４及ｃ２滤波后得到一控制电压Ｕｄ加至压控振荡　器ＶＣＯ的输入端９脚，调整ＶＣＯ的振荡频率ｆ２，使ｆ２迅速逼近信　号频率ｆｌ。ＶＣＯ的输出又经除法器再进入相位比较器Ｉ，继续与ｕｉ　进行相位比较，最后使得ｆ２＝ｆｌ，两者的相位差为一定值，实现了相位　锁定。若开关Ｋ拨至１３脚，则相位比较器Ⅱ工作，过程与上述相同。　ＣＤ４０４６锁相环用于调频信号的解调电路。如果由载频为　ｌＯｋＨｚ组成的调频信号，用４００Ｈｚ音频信号调制，假如调频信号的　总振幅小于４００ｍＶ时，用ＣＤ４０４６时则应经放大器放大后用交流耦　合到锁相环的１４脚输入端环路的相位比较器采用比较器Ｉ，因为　需要锁相环系统中的中心频率内等于调频信号的载频，这样会引　起压控振荡器输出与输入信号输入间产生不同的相位差，从而在压　控振荡器输入端产生与输入信号频率变化相应的电压变化，这个电　压变化经源跟随器隔离后在压控振荡器的解调输出端１０脚输出解　调信号。当Ｖｄｄ为１０Ｖ，Ｒ１为ｌＯｋＤ，Ｃ１为１００ｐＦ时，锁相环路的捕　捉范围为±０．４ｋＨｚ。解调器输出幅度取决于源跟随器外接电阻Ｒ３值　的大小。