Сотворим вместе

33. ИК пульты и цифровые схемы приёма.

1. Общая информация.
2. Варианты посылок и кодировки универсального пульта.
3. ИК приём и запись принятой посылки в регистр 74HC595.
4. О микросхеме К155АГ3 (К555АГ3).
5. Схема 1 (управление длительностью низкого уровня напряжения).
6. Схема 2 (управление длительностью высокого уровня напряжения).
7. Схема 3 для RC5. Манчестерский код.
8. Схема 4 (управление длительностью высокого уровня напряжения).
9. Устройство приёма манчестерского кода RC5.

=============================

1. Общая информация:

Данная тема о пультах управления, передающих ИК сигнал управления различным устройствам (музыкальным, телевизионным и далее). В теме рассматриваются варианты цифровых схем, с помощью которых можно декодировать сигнал с пульта.

Варианты пультов:



Для сбора информации о существующих вариантах кодировок использовался универсальный пульт компании HUAYU (HR-E877). На изображении он под N 3); один универсальный пульт заменяет другие, например, на изображении N 1, 2, 4, 5.

На пультах управления есть много различных кнопок, в том числе со значением от 0 до 9. Соответственно информация о нажатии той или иной кнопки содержится в информационной посылке. Имея пульт управления, и собрав несложную схему, можно на небольшом расстоянии управлять внешним устройством.

Например, самый простой вариант электрической схемы:



Если принять во внимание, что часть схемы с регистрами 74HC595 и светодиодами общая для всех схем, то вид самой схемы декодирования, формирующей необходимые три сигнала для регистра (данные DS, сигнал сдвига данных SH, сигнал вывода данных ST) выглядит ещё проще:



Дополнительная информация:
О протоколах ИК связи NEC, Philips и далее на Led-displays.ru.

2. Варианты посылок и кодировки универсального пульта.

Компаний производящих технику много, так много и различных вариантов кодировок при передаче сигнала. Цифровой сигнал содержит информацию (данные), в которой также по-разному кодируются нолики и единицы данных, начало посылки и разные её окончания.

2-1. На следующем изображении вариант самой простой посылки с 6-ю битами данных. Кодировки N 148 и N 436 пульта HUAYU (HR-E877):



Здесь состояние данных 1 или 0 отличаются длительностью импульсов с высоким уровня напряжения (соответственно 3,5 мс и 1,5 мс), а между битами полезной информации присутствует отрицательный импульс 0,5 мс. Стартового импульса и окончания здесь нет.



В этом варианте содержится шесть бит данных. Бывают и другие варианты, в которых ноль и единица отличаются длительностью высокого уровня напряжения, например, посылки несут в себе 10, 11, 12, 16, 22, 24, 32 или 48 бит данных. В некоторых из них есть особенные временные отрезки о начале или в окончании посылки; далее пункт 2-4.

2-2. На следующем изображении вариант, в котором 1 и 0 состояний данных отличаются длительностью низкого уровня напряжения (соответственно 1,2 мс и 0,6 мс), а между ними присутствует положительный импульс 0,6 мс. В этом варианте также есть длинный отрицательный стартовый импульс 2,4 мс. Кодировки N 005, N 049, N 094 и другие пульта HUAYU (HR-E877):





2-3. Более сложным является вариант, в котором данные передаются с помощью манчестерского кода (например, RC5 - 14 бит). Кодировки N 013, N 023, N 024 и другие пульта HUAYU (HR-E877):



или так (в посылке информация о нажатии кнопки 9):



В принятой посылке отличия между 1 и 0 показаны на изображении:



Временный отрезки t1 = t2 = 0.889 мс.

Соответствие между нажатой кнопкой и содержанием посылки для большинства кодировок на следующем изображении:



В первых двух битах всегда содержится 1, в третьем бите происходит чередование при каждом новом нажатии кнопки. При удержании кнопки происходит повторение посылок, а третий бит сохраняет своё состояние.

2-4. Пульт и его кодировки.

В таблице на следующем изображении приведены варианты кодировок, для декодирования которых в этой теме есть схемы:



Если к выходам сдвигового регистра 74HC595 можно подключить дешифратор (например, КР514ИД1), то такая кодировка отмечена красным цветом (вариант значений разрядов приводится в таблице пункта 2-3 темы). Если к выходам регистра дешифратор подключается с некоторыми “отклонениями”, то такая кодировка отмечена зелёным цветом (вариант значений разрядов приводятся в таблице пункта 2-2).

3. ИК приём и запись принятой посылки в регистр 74HC595.

Во всех вариантах схем две общих части – это ИК приём (3-1) и запись принятой посылки в регистр (3-2). Само декодирование принятого сигнала выполняется разными схемами (например, части 5-7 темы)

3-1. ИК приём.



VD – ИК приёмник типа VS1838; 536AA3P; TSOP1736 и другие; R1 – 100 Ом; R2, R3 – 10 кОм; C1 – 47,0 мкФ; С2 – 0,1 мкФ.

3.2. Запись принятой посылки и регистр 74HC595.

Запись принятой посылки (декодированной информации) выполняется в регистры 74HC595 и с их выходов отображается на светодиодах. Количество регистров и светодиодов зависит от длительности посылки. Длительность может содержать от 6 до 48 бит информации. Соответственно в схеме для приёма полной посылки может быть от одного до шести регистров. Но в большинстве случаях информация о нажатии кнопок со значением от 0 до 9 содержится в последних 16-ти принятых битах, и поэтому в общей схеме используются как минимум два регистра.



В случаях, когда информация о нажатии кнопок (от 0 до 9) происходит совместимым для подключения дешифратора кодированием, то к соответствующим выходам регистра можно подключить дешифратор (например, КР514ИД1) и семисегментный индикатор, и на индикаторе наблюдать номер нажатой кнопки. Например, в протоколе RC5 информация нажатой кнопки передаётся 4-мя последними битами данных информационной посылки, соответственно в схеме можно использовать только один регистр.

4. О микросхеме К155АГ3 (К555АГ3).

В этой теме микросхема К155АГ3 (74123) используется в основе многих схемных решений. В ней находятся два элемента, каждый из которых - это формирователь импульса с возможностью его повторного запуска.



В каждом элементе есть три входа (запуск выходного импульса от отрицательного перепада на входе, запуск от положительного перепада и установки нуля/сброса), два выхода (прямого и инверсного импульса) и два вывода для подключения RC элементов, которые определяют длительность импульса. На изображении таблица истинности одного элемента микросхемы (из справочника А.Ф. Нефёдова):



Для мс К155АГ3 cопротивление R может быть в пределах 5 кОм – 25 кОм. При С > 1000 пФ, для микросхем 155 серии приблизительную (!) длительность импульса можно вычислить по формуле: t = 0.28 C (R+700).

Например, при R=10кОм и C=474 нФ - t = 0.28 x 10700 x 0.000000474 = 0.00142 с = 1,42 мс .

Для мс К555АГ3 (74LS123) сопротивление R может быть в пределах 5 кОм – 180 кОм.
t = kCR, k в пределах 0.33 – 0.55;

при 100 пф k = 0.55, при C > 1 мкФ k = 0.33.

5. Схема 1 (управление длительностью низкого уровня напряжения).

Сигнал после ИК приёмника (при нажатии кнопки 0):



Здесь 1 и 0 данных отличаются длительностью низкого уровня напряжения (соответственно 1,2 мс и 0,6 мс), а между ними присутствует короткий положительный импульс 0,6 мс. В этом варианте также есть длинный отрицательный стартовый импульс 2,4 мс. Кодировки N 005, N 049, N 094 и другие пульта HUAYU (HR-E877). На следующем изображении состояния данных информационной посылки при нажатии кнопок со значением от 0 до 9:



Схема и её описание:



D1 - К155АГ3; D2, D3 - 74HC595; R1; R5-R20 – 1 кОм; R2-R4 – 10 кОм; C1 – 0,33 мкФ; С2 – 2,2 мкФ.

Цифровой сигнал с ИК приёмника IN показан на временной диаграмме 1. Его положительные перепады (из 0 в 1) выполняют сдвиг информации в регистре. По отрицательному перепаду входного сигнала на инверсных выходах мс К155АГ3 формируются отрицательные импульсы определённой длительности. На выходе 4 длительность импульса T1 должна быть около 0.9 мс (диаграмма 2), а на выводе 12 длительность импульса должна быть около 3.5 мс (диаграмма 3). Состояния сигнала диаграммы 2 служат данными для регистра, которые последовательно сдвигаются по разрядам регистра с каждым положительным перепадом входного сигнала IN. Импульсы T2 также запускаются от отрицательного перепада входного сигнала, но в течение всей посылки каждый раз перезапускаются и формируют положительный перепад для вывода данных на светодиоды только по окончании всей посылки, когда в линии установится длительное состояние высокого уровня напряжения. Интервал между отдельными посылками здесь около 26 мс.

Задание: Рассчитайте (объясните) необходимую длительность импульсов T1 и T2.

Временная диаграмма:



Вариант сборки схемы на макетке:



Часть схемы, в которой к регистру подключены светодиоды, выполнена с помощью дополнительных модулей K595l3v1.

6. Схема 2 (управление длительностью высокого уровня напряжения).

Сигнал после ИК приёмника (при нажатии кнопки 0):



Здесь 1 или 0 состояний данных отличаются длительностью импульсов с высоким уровня напряжения (соответственно 3,5 мс и 1,5 мс), а между битами данных полезной информации присутствует отрицательный импульс 0,5 мс. Стартового импульса и специфического окончания здесь нет. На следующем изображении состояния данных информационной посылки при нажатии кнопок со значением от 0 до 9:



В этом варианте содержится шесть бит данных. Бывают и другие варианты, в которых ноль и единица отличаются длительностью высокого уровня напряжения, например, посылки несут в себе 10, 11, 12, 16, 22, 24, 32 или 48 бит данных. В некоторых из них есть особенные временные промежутки - в начале или (и) в окончании посылки.

Схема:



D1 - К555АГ3; D2, D3 - 74HC595; R7-R22 – 1 кОм; R2, R3, R5, R6 – 10 кОм; R4 - 50 кОм; R1 – 100 кОм; C1 – 0,22 мкФ; C2 – 2,2 мкФ; VT1 - BC547B.

!!! Номинал переменного резистора R4 здесь 50 кОм. Он больше, чем в других схемах (где 10 кОм). Сделано это потому, что различия между 1 и 0 через длительность высокого уровня напряжения присутствует и в других вариантах кодировок, но в них длительности импульсов значительно отличаются друг от друга. То есть, с переменным резистором большего номинала данную схему можно использовать для настройки нескольких других кодировок.

Цифровой сигнал с ИК приёмника IN показан на временной диаграмме 1. Транзистор VT1 выполняет функцию инвертора (ключевой режим). Положительные перепады (из 0 в 1) инверсного входного сигнала выполняют сдвиг информации в регистре. По отрицательному перепаду этого сигнала на инверсных выходах мс К555АГ3 формируются отрицательные импульсы определённой длительности. На выходе 4 длительность импульса T1 должна быть близкой к пределам 2.5 – 3.0 мс (диаграмма 3), а на выводе 12 длительность импульса должна быть около 4.5 мс (диаграмма 4). Если длительность сигнала на диаграмме 2 соответствует единице данных, то импульс T1 полный, если длительность сигнала соответствует нулю данных, то импульс T1 перезапускается очередным отрицательным перепадом инверсного входного сигнала. Состояния сигнала на диаграмме 3 являются входными данными для регистра, которые последовательно сдвигаются по разрядам регистра с каждым положительным перепадом инверсного входного сигнала. Импульсы T2 также запускаются от отрицательного перепада инверсного входного сигнала, но в течение всей посылки каждый раз перезапускаются и формируют положительный перепад для вывода данных на светодиоды только по окончании всей посылки, когда в линии входного сигнала установится длительное состояние высокого уровня напряжения. Интервал между отдельными посылками здесь около 33 мс.

Задание: Рассчитайте (объясните) необходимую длительность импульсов T1 и T2.

Временная диаграмма:



Вариант сборки схемы на макетке:



Часть схемы, в которой к регистру подключены светодиоды, выполнена с помощью дополнительных модулей K595l3v1.

7. Схема 3 для RC5. Манчестерский код.

Сигнал после ИК приёмника (при нажатии кнопки 9):



Здесь информация передаётся с помощью манчестерского кода (например, RC5 - 14 бит). Кодировки N 013, N 023, N 024 и другие пульта HUAYU (HR-E877). О манчестерском коде - пункт 2-3 этой темы. На следующем изображении состояния информационной посылки при нажатии кнопок со значением от 0 до 9:



Схема:



D1 - К155ЛП5; D2 - К155АГ3; D3 - К155ТМ2; D4,5 - 74HC595; R1; R5-R20 – 1 кОм; R2-4 – 10 кОм; C1 – 0,47 мкФ; C2 – 2,2 мкФ.

Состояние цифрового сигнал с ИК приёмника IN показано на временной диаграмме 1. После включения на прямом выходе триггера (сигнал Q, диаграмма 2) устанавливается логическая единица, а на инверсном – логический ноль. Инверсный сигнал с триггера (диаграмма 3) и сигнал IN (диаграмма 1) поступают на элемент мс D1. Результат от логической операции показан на диаграмме 4. С каждым отрицательным перепадом на входе 1 мс D2 на её инверсном выходе 4 запускается отрицательный импульс T (диаграмма 5), положительный перепад которого каждый раз перезаписывает состояние триггера, на прямом выходе которого присутствуют данные для регистра. Сигналом для сдвига данных в регистр служит прямой выход 13 мс D2 (диаграмма 6). Также с каждым отрицательным перепадом на входе 9 мс D2 на её инверсном выходе 12 запускается отрицательный импульс T2 (его обозначения нет на диаграмме 8). Но в течение всей посылки импульс T2 каждый раз перезапускается и формирует положительный перепад для вывода данных на светодиоды только по окончании всей посылки, когда в линии входного сигнала установится длительное состояние высокого уровня напряжения. Интервал между отдельными посылками здесь около 80 мс.

Задание: Покажите период длительности импульса T2 на диаграмме 8 по окончании посылки. Рассчитайте (объясните) необходимую длительность импульсов T и T2.

Временная диаграмма:



Вариант сборки схемы на макетке:



Часть схемы, в которой к регистру подключены светодиоды, выполнена с помощью дополнительных модулей K595l3v1.

На следующем изображении вариант сборки на макетке вывода значения кнопок пульта от 0 до 9, в которой к выводам регистра подключена мс КР514ИД1 и индикатор. Для реализации функции формирователя импульсов (вместо мс К155АГ3) в схеме применяется мс К561ИЕ10 и генератор на элементах мс К561ЛП2.

8. Схема 4 (управление длительностью высокого уровня напряжения).

Схема 4, как и схема 2, декодирует сигнал, в котором значения данных зависят от длительности высокого уровня напряжения. В схеме 4 по-другому формируется сигнал записи данных на выходы регистра; здесь сигнал ST зависит от количества импульсов подсчитанных счётчиком от начала посылки, а в схеме 2 сигнал ST зависит только от окончания посылки, независимо от количества импульсов. На следующем изображении показан цифровой сигнал, для декодирования которого необходима именно схема 4:



Стартовая часть посылки состоит из двух частей: промежутка низкого уровня напряжения длительностью 9 мс и высокого – длительностью 4,5 мс. Стартовую часть и данные разделяет отрицательный промежуток длительностью 0.55 мс. Состояния данных (1 или 0) отличаются длительностью импульсов с высоким уровнем напряжения (соответственно 1,7 мс и 0,55 мс), а между битами данных присутствует отрицательный промежуток 0,55 мс.

После информационного сигнала следует короткая посылка, состоящая из трёх частей: промежутка с низким уровнем напряжения длительностью 9 мс, высокого – 2,25 мс и опять низкого – 0, 55 мс. Короткая посылка повторяется при удержании кнопки. Информационные посылки и короткие посылки передаются с периодичностью около 108 мс.

Подобное кодирование очень распространено в посылках пультов разных компаний. Например, на изображении пульты N 2 и 4:



Подобные короткие окончания есть в кодировках строк 13, 14, 15 таблицы:



На следующем изображении тот же сигнал (только без окончания) кодировки 000 с пульта HUAYU (HR-E877) после ИК приёмника (при нажатии кнопки 0):



На следующем изображении состояния информационной посылки при нажатии кнопок со значением от 0 до 9:



Схема:



D1 - К155АГ3; D2, D3 - 74HC595; D4 - К176ИЕ1; R2, R3, R7-R22 – 1 кОм; R5, R6, R23 – 10 кОм; R4 - 50 кОм; R1 – 51 кОм; C1 – 0,47 мкФ; C2 – 2,2 мкФ; VT1 - BC547B; VT17, VT18 - 1N4148.

Цифровой сигнал IN с ИК приёмника показан на временной диаграмме 1. Транзистор VT1 выполняет функцию инвертора (работает в ключевом режиме), на его коллекторе присутствует сигнал SH (диаграмма 2). По отрицательным перепадам сигнала SH на инверсном выходе 4 мс К155АГ3 формируются отрицательные импульсы T длительностью около 1.2 мс (диаграмма 3), при этом длительность входного сигнала должна соответствовать 1 данных (1.7 мс). Если длительность входного сигнала соответствует 0 данных (0.55 мс), то с учётом длительности паузы 0.55 мс будет происходить перезапуск отрицательного импульса на выходе 4 мс К155АГ3. Состояние сигнала DS является входными данными, которые сдвигаются в регистре от положительных перепадов сигнала SH.

От положительных перепадов сигнала SH на инверсном выходе 12 мс К155АГ3 формируются отрицательные импульсы T2 длительностью около 4.0 мс (диаграмма 4); с определённого момента происходит их перезапуск. С началом присутствия бит данных в посылке (от 1 до 32) выходы счётчика К176ИЕ1 обнулены, он находится в состоянии счёта и с каждым отрицательным перепадом сигнала SH увеличивает состояние своих выходов (диаграммы 5-10). Первое нулевое состояние счётчика увеличивается на 32 и на его выходах устанавливается состояние 100001, соответствующее числу 33. Диоды VD17 и VD18, включённые по схеме И, формируют сигнал ST (диаграмма 11), по положительному перепаду которого данные посылки отображаются на состоянии светодиодов VD1-VD16.

Временная диаграмма:
Для сокращения длительности временной диаграммы в посылке первый бит данных имеет значение 1, а с 2 по 32 бит данных имеют значение 0.



Задание:
- Рассчитайте (объясните) необходимую длительность импульсов T и T2.
- В случае подключения сигнала SH к инверсному входу 9 (в этом случае входы 10 и 11 объединяются) мс К155АГ3 определите необходимую длительность импульсов T2 для сохранения работоспособности схемы. Перерисуйте временную диаграмму 4;
- Объясните состояние данных (светодиодов), если отрицательные импульсы с вывода 4 мс К155АГ3 (диаграмма 3) будет длительностью около 0.8 мс? Перерисуйте временную диаграмму 3.

9. Устройство приёма манчестерского кода RC5.

На фотографии собранная плата приёмника манчестерского кода. После подачи питания (5 вольт) на индикаторе отображается число, соответствующее нажатой кнопке (от 0 до 9) с ИК пульта.



Задание:
Составить полную электрическую схему печатной платы устройства, используя изображение печатной платы и материалы (схемы) из этой темы:
- пункт 3.1 - приёмник ИК сигнала;
- пункт 7 - схема декодирования кода на мс К155АГ3; К155ТМ2, К155ЛП5;
- пункт 3.2 - подключение к младшим разрядам регистра 74HC595 мс КР514ИД1.



На изображении топология печатной платы устройства. Плата односторонняя, вид со стороны установки элементов. Зелёным цветом показаны перемычки. На плате используются выводные и SMD резисторы и конденсаторы.