从NEC到RC5：红外遥控编码原理与波形深度解析

红外线遥控凭借其体积小、功耗低、成本低和抗干扰能力强等特点，已成为家电、玩具乃至工业控制领域最广泛使用的无线遥控手段。在高压、辐射或存在有毒气体的恶劣工业环境中，红外遥控也能提供安全可靠的隔离控制方案。

一个通用的红外遥控系统主要由发射和接收两大部分构成，核心是专用的编码与解码芯片。发射端负责将按键指令调制并转化为红外光信号，而接收端则完成光电转换、解调并还原出原始指令。

红外的发射与接收基本原理

其核心过程并不复杂：在发射端，经过编码和调制后的电信号驱动红外发射管（LED），将其转换为红外光脉冲发射出去；在接收端，红外接收管检测到这些光脉冲，并将其转换回微弱的电信号，经过放大器等电路处理后，最终还原出发射端的原始信号。

1. 红外遥控系统结构

红外遥控系统的关键环节在于调制、发射与接收，其典型结构如下图所示：

为了提高发射效率并降低整体功耗，红外遥控普遍采用调制方式传输数据。简单说，就是将代表“0”和“1”的数据信号与一个特定频率的载波进行逻辑“与”操作。

这个载波频率通常在30kHz到60kHz之间，其中38kHz（占空比约1/3）的应用最为广泛。这个频率并非随意选择，它通常由发射端的一颗455kHz陶瓷谐振器经过12分频得到（455kHz ÷ 12 ≈ 37.9kHz ≈ 38kHz）。载波的典型波形周期如下图所示：

目前市场上有多种专用芯片可以实现红外发射，并能产生不同协议的编码。考虑到遥控器由电池供电，这类芯片的功耗必须极低，普遍设计有休眠模式，仅在按键按下时才唤醒工作。此外，为承受可能的外力冲击（如跌落），它们通常采用陶瓷谐振器而非更精密的石英晶体，其频率微小误差在遥控应用中可以接受。

红外发光二极管（红外发射管）是最终的信号出口，其内部结构与普通LED类似，但半导体材料特殊，使得在两端施加电压时发出的是人眼不可见的红外光而非可见光。

上图展示了一种最简单的驱动电路。选择三极管时需注意其开关速度要快，同时需考虑LED的最大正向电流（通常为100mA）和反向漏电流。流过LED的电流越大，发射的红外信号强度就越大，遥控距离也越远（相关的三极管知识是理解驱动电路的基础）。

但这个简单电路有个缺点：当电池电压下降时，流过LED的电流也会减小，导致信号变弱、遥控距离缩短。

上图所示的射极输出驱动电路能有效解决上述问题。两个二极管将三极管基极电压钳位在约1.2V，从而将发射极电压稳定在0.6V左右。这使得发射极电流 IE 基本恒定，根据 IE≈IC，流过LED的电流也几乎不变。这样即使在电池电压降低时，也能保证一定的遥控距离。

2. 一体化红外接收头

红外接收部分通常被制造商集成到一个元件内，即“一体化红外接收头”。典型接收电路如下图所示：

接收头内部集成了红外监测二极管、放大器、限幅器、带通滤波器、积分电路和比较器等。工作流程如下：监测二极管接收到红外信号后，将其转换为电信号送至放大器和限幅器。限幅器确保无论发射器与接收器距离远近，脉冲幅度都稳定在一定水平。随后，交流信号进入带通滤波器（通常允许30kHz-60kHz的载波通过），再经解调、积分，最后由比较器输出高低电平，还原出发射端的信号波形。值得注意的是，接收头输出的高低电平与发射端原始信号通常是反相的，这种设计旨在提高接收灵敏度。

一体化红外接收头实物通常有三个引脚，如下图所示：

接收头种类繁多，引脚定义可能不同，但一般都包含电源（Vcc）、地（GND）和信号输出（OUT）三个引脚。务必根据发射端所用的载波频率，选用解调频率匹配的接收头。

由于内部放大器增益极高，接收头易受电源噪声干扰。因此，必须在供电引脚附近加装滤波电容（通常不小于22μF）。有些厂商还建议在电源与接收头Vcc引脚间串联一个330Ω电阻，以进一步抑制干扰。

对于发射端，除了使用成品遥控器，也可以利用单片机的PWM功能自行产生。例如，使用红外发射管L5IR4-45，通过单片机产生频率为37.91kHz、占空比1/3的PWM波，并通过定时中断控制PWM的开启与关闭，即可生成所需的发射波形。

红外编解码格式深度解析

1. 主流编码格式

现有的红外遥控编码主要分为两种调制方式：PWM（脉冲宽度调制）和PPM（脉冲位置调制）。

• PWM：以发射红外载波的占空比来区分逻辑“0”和“1”。为了节能，载波发射时间固定，通过改变不发射载波的时间来形成不同的占空比。

  • 代表协议：NEC。
  • 举例：NEC upd6121芯片规定，逻辑“0”为：发射0.56ms，停止0.56ms；逻辑“1”为：发射0.56ms，停止1.68ms。此外，还有引导码：发射9ms，停止4.5ms。整个编码帧长约108ms。
  • 注意：不同芯片的时序可能不同，例如东芝的TC9012，其引导码为发射4.5ms、停止4.5ms，“0”为发射0.52ms、停止0.52ms，“1”为发射0.52ms、停止1.04ms。

• PPM：以脉冲边沿的位置（从无载波到有载波，或反之）来表示逻辑值。载波发射与停止的时间长度是固定的。

  • 代表协议：飞利浦的RC-5、RC-6等。
  • 举例：在RC-5协议中，每位时间固定，逻辑“0”定义为从发射载波变为不发射载波，逻辑“1”则从不发射载波变为发射载波，每个状态持续0.68ms。

由于不同厂家、不同设备（尤其是功能复杂的空调）可能采用完全不同的编码格式和帧长，因此市面上宣称能“学习64位或128位”的万能遥控器，其兼容性并不可靠。

2. 常见红外遥控编码实例分析

常见的消费电子遥控编码格式主要有 NEC 和 RC5。

NEC 格式特征：

• 使用38 kHz载波频率。
• 引导码为9 ms高电平 + 4.5 ms低电平。
• 使用16位客户地址码。
• 使用8位数据码，并跟随其8位反码用于校验。

为便于分析，通常需要将接收头输出的信号进行反相（即高低电平翻转）：

NEC协议采用PWM方式。其位定义如下：

• 逻辑“0”：0.56ms的38kHz载波 + 0.56ms的无载波。
• 逻辑“1”：0.56ms的38kHz载波 + 1.68ms的无载波。
• 结束位：一个0.56ms的载波脉冲。

以下是一个实际捕获的NEC遥控器波形示例：
遥控器的地址码（Address）为0xDD20，某个按键的命令码（Command）为0x0E。

注意：NEC协议先发送地址码的低位（LSB），再发送高位（MSB）。因此，波形中的二进制序列 0000,0100,1011,1011 需要按字节为单位反转（不是整体反转），得到 1101,1101,0010,0000，即十六进制的 DD20。

命令码部分的波形如下：

同样，命令码 0111,0000 按字节反转后得到 0000,1110，即十六进制的 0x0E。协议规定，8位命令码后会自动发送其反码（1000,1111）作为校验。最后一位是一个逻辑“1”（0.56ms载波+1.68ms空隙）。

RC5 编码 相对简洁。同样，分析前需对接收头输出的波形进行反相：

根据RC5的编码规则（每位中间必有一次跳变）：

从反相后的波形可以解析出一组数字：1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1。参照RC5的帧结构定义：

• 第1位（S）：起始位，通常为逻辑1。
• 第2位（F）：场位，通常为逻辑1。在RC5扩展模式下，此位用于将命令码从6位扩展至7位（作为最高位MSB），从而使键值从64个扩充到128个。
• 第3位（C）：控制位。这是RC5协议的一个巧妙设计：每次按下按键并释放后，此位会发生翻转（0变1或1变0）。这使得接收端能够区分一个键是被“持续按住”还是“松开后再次按下”。
• 后续5位：系统地址位。本例中 1 1 0 1 0 = 二进制 11010，即十六进制 0x1A。
• 最后6位：命令位。本例中 0 0 1 1 0 1 = 二进制 001101，即十六进制 0x0D。

下图展示了连续按下同一按键两次的波形，可以看到只有控制位（C）的逻辑状态相反，其他位完全相同，这印证了控制位的防连按机制。