紅外線IR遙控器原理

最近寫了個學習型遙控器的程式，我就簡單的說一下吧。

想知道紅外線遙控器是怎麼作的話可以看看。

先從發射來講，比較容易瞭解。

[發射]

．指令格式
要用紅外線來控制東西，當然就要先設計指令。指令會是什麼樣子呢？比如說我們把指令設計成固定用1個byte大小來表示好了，那我們就可以把’Power’的功能設計成11110000，’選台’設計成00001010諸如此類的，1個byte的資料量大小就足以讓我們放進256種不同的指令，代表不同的按鈕功能。

．位元編碼
設計好指令之後，我們得想想怎麼用紅外線的動作來表達。把紅外線’亮’當作1，’暗’當作0，這樣好不好呢？仔細想想，應該會有些問題。第一，紅外線遙控的動作應該都是從’亮’開始，因為遙控器是要拿起來、按下去，當遙控的機器發現「啊，紅外線亮了耶」，才會開始去判斷指令對不對。那如果我們設計的指令是那種前面都是0的，像是00001010。那被遙控的機器發現到有指令過來，已經是後面的1010了，這樣前面的指令就都漏掉啦。第二，如果我們的指令是11110000呢？遙控器怎麼知道一直亮著的紅外線是代表4個1，而不是1個1？後面一直熄的0又怎麼辦？所以我們也得來設計一下紅外線的動作，也就是位元編碼了。拿兩個家電界最通行的紅外線協定來講好了，NEC和Philips的RC5。

NEC是使用’變動長度’，他不管0或1，開頭都是先發射560us的紅外線訊號，接下來紅外線停掉一段時間，0的話比較短，只再停560us，1的話比較長，停560*3=1680us。就用這種不同長度的訊號，來作位元編碼。

Philips的RC5呢，則是使用’曼徹斯特編碼'(Manchester coding)，講白話點，他就是先亮889us，停889us，這樣當作1。先停889us，才亮889us，這樣當作0。

作好位元編碼之後，每個0和1的bit就可以很清楚的被識別出來了。

．載波(Carrier) / 調變 (modulation)
作好位元編碼之後，按理說處理指令已經沒什麼問題了。不過我們還得考慮一件事，就是現實環境中的干擾。如果接收端被環境的光源照射，例如陽光、燈光裏頭也都含有一些紅外線，是不是容易造成接收端的誤判呢？所以我們就把紅外線的資料，搭上’載波’之後才發射出去，這樣就能夠抗干擾了。

把資料放上載波的動作，叫作’調變’，也就是”把頻率較低的訊號搭在頻率較高的訊號上”。這樣講真的很難理解對吧？舉個現實的例子，廣播電台要把聲波訊號(最高2kHz左右)發射出去，總不能拿大聲公直接放送吧？所以就用了不同的調變技術，AM(調幅)或FM(調頻)，把聲波放到AM(522~1652kHz)和FM(118.000MHz~136.955Mhz)的載波上。到了我們的收音機，再從載波上解調變(de-modulation)，把原本的聲音訊號還原出來。

紅外線遙控器用的載波，最常見的是38kHZ。當然其它的規格也有(這種東西是隨人定的)，不過38kHz是絕大部份家電上都會使用的規格，已經算是不成文的默契了吧。

聽起來還是很複雜，很難想像訊號經過調變之後是什麼樣子對吧？不過紅外線的調變方式真的很簡單。看看調變過的波形就可以知道(抱歉沒圖嘿)，跟原本0和1高低電位的方波來比較，0的部份保持不變，還是永遠的低電位；1的部份則改為以38kHz(或其它載波頻率)為週期振盪的方波，就這樣而已。

這樣一來，除非遇到以同樣、或近似載波頻率閃爍的紅外線訊號，不然接收端通通都不理會，也就解決了干擾/雜訊的問題了，還送你大幅增長遙控距離的效果哦。

．紅外線LED
紅外線LED長的跟一般LED沒什麼不同，燈殼透明的或是帶點藍紫色的都有(現在好像透明的比較多？)，只差在他發出的是不可見光，人的眼睛看不到，想看他發光請拿台webcam或數位相機就可以看到了。紅外線LED有分波長，一般家電遙控器用的是940nm。另外還有870、850、840、830、808nm等不同規格，大都是用在其它用途(如紅外線攝影，到840nm左右已經接近可見光了)。不管是那種波長，重點是發射端和接收端要能夠匹配，就對啦。

[接收]

．解調變
接收可以用一般紅外線接收頭，或是有一種更方便的，內地叫作”一體化紅外接收頭”的東西，他把接收、解調變、訊號放大等功能全都’集成’在一起了。這種接收頭通常都是方型，塑膠或鐵殼封裝，總共三隻腳位(正電、接地，以及訊號)。不過用這種接收頭的缺點就是有分不同頻率的對應，也就是只能解特定頻率的載波。如果是想要什麼訊號都能解，就還是得用一般的接收頭，然後自己想辦法來解調變了。

．萬用型遙控器
把解調變後得到的方波，拿來用各家的紅外線協定解碼看看，大概就可以判斷出他是使用那一家的協定。或是建立廠牌/型號/協定的資料庫，依照不同代碼來選擇。市面上許多萬用型遙控器便是這個原理。這種作法的優點是穩定，因為全都是照協定的規範來作，而且方便，通常只要辨認出協定類型之後，按鈕就都自動定義好了。缺點則是，萬一遇到不認識的，或是那個廠商自家發明的格式，那就沒法用了。所以這種萬用型遙控器其實並不是那麼萬用啦。

市面上常見的紅外線協定，解碼後的資料量都不大，單顆按鈕只需要6 bytes就可以通通搞定。

．學習型搖控器
學習型的遙控器的原理，就是只解調變，然後把收到的方波完整的記錄下來。這樣的好處當然是不需要去理會協定，可以避免不認識協定就沒法用的問題。但也是有些壞處，每個按鈕都需要重新學習是其一；完整記錄方波再乘上按鈕數需要的記憶體空間很大，硬體成本較高；最糟的是，有些協定每次發射的資料編碼不見的都相同，最常見的就是像選台和音量紐，為了分辦出「按一下」和「按住」和「放開」，通常會用不一樣的指令編碼，或是有的遙控器為了防拷，故意讓每次的訊號不一樣(例如，車庫門的遙控器)，遇到這種會跳不同編碼的，也是會有不能用的可能。

一般遙控器指令時間最長大都在0.1~0.3秒以內，不可能太長，因為其實也沒什麼幾個bytes要傳，用不了那麼多時間。而且如果指令時間再拉長的話，用起來會覺得反應很慢。所以學習型遙控器在辨認訊號的時候，大概偵測個0.3~0.5秒就可以了。

另外學習型搖控器記錄波型的資料量大小，還是要看協定的類型，指令byte數多、方波變化量大的話資料量就大。每顆按鈕準備個256bytes來記錄大致上算是夠用，要保險一點的話最好是有512~1Kbytes比較好(每顆按鈕哦)。

大概就這樣吧，有沒啥要補的？

--
現在還在寫blog分享資訊的人越來越少，如果覺得文章對您有幫助，歡迎在底下留言，這樣我也比較有動力繼續寫下去，謝啦！