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5.30 Infrared红外设备

学习阁2026/8/18大约 19 分钟设备驱动驱动Infrared红外NEC遥控

5.30 Infrared红外设备

📚 本节导读

学习时长: 约 30 分钟
难度级别: ⭐⭐⭐☆☆
前置知识: C 语言基础、红外协议基础知识、5.1 设备驱动框架

本节讲解 OneOS 的 Infrared 红外设备。它基于 NEC 红外遥控协议，通过 GPIO 中断检测红外接收头输出的脉冲宽度来解码遥控信号，并通过 GPIO 输出 38kHz 载波来发送遥控信号。红外驱动使用 6 态有限状态机（FSM） 处理接收，用定时器超时检测判断一帧数据结束。

本节会带你：

  • 理解 NEC 协议的帧格式（引导码、地址/数据、重复码）与"用脉冲宽度编码 0/1"的原理；
  • 拆解接收状态机的 6 个状态（IDLE/SYNC/ADDR/DATA/REPEAT0/REPEAT1）如何流转；
  • 拆解 infrared_send 如何发送一帧 NEC 数据（含 38kHz 载波调制）；
  • 掌握 os_infrared_register_device 的注册与 _infrared_read/_infrared_write 的收发机制；
  • 掌握红外收发设备的完整使用流程。

说明：本节所有源码均取自项目 drivers/infrared/infrared.c，与项目源码逐字一致（含原始英文注释）。

🎯 学习目标

  • 理解 NEC 协议帧格式与脉冲宽度编码原理
  • 理解红外接收状态机的 6 个状态与流转
  • 逐个拆解 infrared_send / _infrared_read / _infrared_write 的完整源码
  • 掌握 os_infrared_register_device 的注册流程
  • 掌握红外收发设备的使用方法

一、概述

1.1 Infrared 解决什么问题

一句话核心：Infrared 设备适用于通过 GPIO 接收/发送 NEC 红外遥控信号的场景。它让你"接好红外接收/发射引脚，就能解码遥控器按键、或发射遥控码去控制其他设备"。

为什么需要状态机驱动：

  • 红外接收头把光信号转成数字脉冲（引脚电平跳变），遥控信号就是由不同宽度的脉冲序列编码的。
  • 解码这些脉冲需要用状态机跟踪"现在在收哪一段"（引导码？地址？数据？），并根据脉冲宽度判断 bit 是 0 还是 1。
  • OneOS 用 GPIO 上升/下降沿中断捕捉每个跳变时间点，用状态机逐步解析。

1.2 NEC 协议基础（帧格式）

NEC 协议的一帧数据（从低电平开始）结构：

 引导码          地址码(8bit)+反码  数据码(8bit)+反码
┌──────────┐   ┌────────────────┐   ┌────────────────┐
│ 9ms 载波  │   │  addr+~addr    │   │  data+~data    │
│ 4.5ms 空 │   │  (16 bit)      │   │  (16 bit)      │
└──────────┘   └────────────────┘   └────────────────┘

关键理解 —— 用脉冲宽度编码 0/1：

逻辑位载波持续时间间隔总时长
0560 µs550 µs~1.1 ms
1560 µs1680 µs~2.2 ms

源码 infrared_rx_addr/infrared_rx_data 中用 usec > 1200 && usec < 2000 判断"高电平时长在 1.2~2ms"则为 bit 1；否则为 bit 0。

重复码（长按）：按住按键不放会周期性发送重复码：

 重复码
┌──────────┐
│ 9ms 载波  │
│ 2.25ms 空│  ← 与普通引导码的 4.5ms 区分
└──────────┘

1.3 接收状态机（6 态）

红外接收用 rx_status 记录当前状态，共 6 态：

状态宏值含义
INFRARED_RX_STATUS_IDLE0空闲，等待引导码
INFRARED_RX_STATUS_SYNC1已收到引导码，进入同步
INFRARED_RX_STATUS_ADDR2正在接收地址码（16 bit）
INFRARED_RX_STATUS_DATA3正在接收数据码（16 bit）
INFRARED_RX_STATUS_REPEAT04收到重复码引导（9ms/2.25ms）
INFRARED_RX_STATUS_REPEAT15重复码间隔等待

关键理解 —— 状态流转：

IDLE → 检测到引导码(低电平) → SYNC
SYNC → 下一跳变 → ADDR
ADDR → 收满 16bit → DATA
DATA → 收满 16bit → 校验 → 入队 → IDLE
IDLE → 检测到 3.6ms(重复引导) → REPEAT0
REPEAT0 → 间隔判断 → REPEAT1 / IDLE
REPEAT1 → 收到重复 → REPEAT0 / IDLE

1.4 Infrared 使用场景

1.4.1 一句话核心

Infrared 设备适用于通过 GPIO 解码 NEC 遥控信号（接收）或发射 NEC 遥控信号（发送）的场景。应用用 os_device_read 收、os_device_write 发。

1.4.2 典型应用场景

场景一：接收遥控器按键

遥控器按键 → 红外接收头 → GPIO 中断 → 状态机解码 → 环形队列 → os_device_read

应用循环 os_device_read 读取 os_infrared_info（addr/data/times），判断按键。

为什么用 Infrared：解码、校验、去抖全由驱动完成，应用只需读取解析好的 addr/data。

场景二：发射红外遥控码

os_device_write → infrared_send(addr, data, times) → 38kHz 载波 → 红外发射管

应用把要发送的地址码/数据码/重复次数通过 os_device_write 发给驱动。

为什么用 Infrared：发送逻辑（引导码、0/1 脉冲、重复码）由驱动封装，应用只给地址和数据。

1.4.3 选型边界表（何时不该用它）

场景该用什么为什么
需要复杂红外交互（多协议）专用红外协议栈当前驱动只支持 NEC 协议
不需要收发、只要读 GPIO 电平GPIO 设备（5.2）简单电平检测无需红外状态机
通信距离远、需硬件编码器硬件红外编码器芯片GPIO 软件调制受中断延迟影响

二、核心数据结构

2.1 红外消息结构体 os_infrared_info

来源：drivers/infrared/infrared.h

struct os_infrared_info
{
    uint8_t addr;
    uint8_t data;
    uint8_t times;
};

字段详解（源码无注释，下表补充说明，不属于源码）：

字段说明
addr解码出的 8 位地址码
data解码出的 8 位数据码（按键值）
times重复次数（长按时递增）

2.2 红外设备结构体

来源：drivers/infrared/infrared.h

字段详解（源码无注释，下表补充说明，不属于源码）：

字段说明
parent首成员继承 os_device_t（os_infrared_register_device 里 OS_DEVICE(device) 取它）
tx_pin/rx_pin发送/接收引脚（tx_pin 为 OS_INFRARED_INVALIDE_PIN(-1) 时不初始化发送）
rx_status状态机当前状态（IDLE/SYNC/ADDR/DATA/REPEAT0/REPEAT1）
rx_time_stamp上一次跳变的时间戳，用于计算脉冲宽度
rx_addr / rx_data正在累加的地址/数据（16bit，含反码）
rx_addr_offset / rx_data_offset已接收的 bit 数
info_head / info_tail环形队列读写指针
info[8]8 条消息的环形缓冲
list链表节点，挂到 infrared_list（供定时器超时检测遍历）

2.3 状态机状态宏

#define INFRARED_RX_STATUS_IDLE    (0)
#define INFRARED_RX_STATUS_SYNC    (1)
#define INFRARED_RX_STATUS_ADDR    (2)
#define INFRARED_RX_STATUS_DATA    (3)
#define INFRARED_RX_STATUS_REPEAT0 (4)
#define INFRARED_RX_STATUS_REPEAT1 (5)

三、核心源码详解

说明：以下源码均取自 drivers/infrared/infrared.c，与项目源码逐字一致（含原始英文注释）。

3.1 接收入口 infrared_rx_pin_callback

一句话定位：GPIO 上升/下降沿中断回调，读取当前电平与时间戳，按状态机状态分发给对应处理函数。

完整源码（drivers/infrared/infrared.c，与项目一致）：

分步详解：

第 1 步：读取电平与时间戳（无条件执行）

    rx_pin_status = os_pin_read(BSP_USING_RMT_CTL_ATK_RX_PIN);
    now           = os_clocksource_gettime();

详细解释：os_pin_read 读红外接收引脚当前电平（PIN_HIGH/PIN_LOW）。os_clocksource_gettime() 取当前时间戳（纳秒），用于计算与前一次跳变的时间差（脉冲宽度）。

第 2 步：按状态机分发（条件 当前状态）

详细解释：根据 rx_status 调用对应处理函数。每个处理函数都接收 rx_pin_status（当前电平）和 now（时间戳）。

第 3 步：更新时间戳（无条件执行）

    infrared->rx_time_stamp = now;
}

详细解释：记录本次跳变时间，供下一次计算脉冲宽度使用。

3.2 空闲态 infrared_rx_idle

完整源码（drivers/infrared/infrared.c，与项目一致）：

分步详解：

第 1 步：计算空闲时长（无条件执行）

    int32_t usec = (now - infrared->rx_time_stamp) / NSEC_PER_USEC;

详细解释：now - rx_time_stamp 是自上次跳变以来的时间（纳秒），除以 NSEC_PER_USEC 转成微秒 usec。这决定了如何区分引导码和重复码。

第 2 步：判断重复码或引导码（条件 rx_pin_status == PIN_LOW）

详细解释：

  • 若空闲时长为 35~45ms（usec > 35000 && usec < 45000），认为是重复码引导（9ms 载波 + 2.25ms 间隔 ≈ 11.25ms，但加上接收头的低电平保持，实测 3.6ms 段），进入 REPEAT0。
  • 否则认为是普通引导码（9ms 载波 + 4.5ms 间隔），清零地址/数据缓冲（rx_addr/rx_data 及偏移量），进入 SYNC（开始收地址）。

infrared_rx_idle() 条件走向总结：

infrared_rx_idle() 条件走向总结：
├── rx_pin_status == PIN_LOW
│   ├── usec 在 35~45ms（重复引导）→ 状态 = REPEAT0
│   └── 否则（普通引导）→ 清零缓冲 + 状态 = SYNC
└── rx_pin_status != PIN_LOW → 什么都不做

3.3 地址/数据接收 infrared_rx_addr / infrared_rx_data

完整源码（drivers/infrared/infrared.c，与项目一致）：

分步详解：

第 1 步：低电平才处理（条件 rx_pin_status == PIN_HIGH 直接返回）

    if (rx_pin_status == PIN_HIGH)
    {
        return;
    }

详细解释：关键。红外接收头输出低电平代表"载波脉冲段"的结束（一个 bit 的载波脉冲结束）。只在下降沿（低电平）时处理，上升沿忽略。

第 2 步：移位累加并判断 bit（无条件执行）

详细解释：

  • rx_addr >>= 1：右移一位，为新 bit 腾出最高位。
  • usec > 1200 && usec < 2000：上一个高电平时长在 1.2~2ms，说明是"长间隔" = bit 1，置最高位（1 << 15）；否则为 bit 0。
  • rx_addr_offset 计数到 16（收满 16 bit：地址 + 反码），转入 DATA 状态收数据。

infrared_rx_data 结构与 rx_addr 完全对称（用 rx_data/rx_data_offset），且收满 16 bit 后做反码校验：

关键理解 —— 反码校验：NEC 协议发送"地址+地址反码、数据+数据反码"。校验条件 addr >> 8 == ~addr & 0xff 检查高 8 位（反码）是否等于低 8 位（真值）取反。校验通过才入队，否则丢弃（抗干扰）。收完后回到 IDLE。

3.4 入队 infrared_rx_data_enqueue

完整源码（drivers/infrared/infrared.c，与项目一致）：

分步详解：

第 1 步：计算下一个写位置（无条件执行）

    int next_head = (infrared->info_head + 1) % ARRAY_SIZE(infrared->info);

详细解释：环形队列，(head + 1) % 8 是下一个写位置。

第 2 步：队列未满则入队（条件 next_head != info_tail）

    if (next_head != infrared->info_tail)
    {
        infrared->info[infrared->info_head].addr = infrared->rx_addr;
        infrared->info[infrared->info_head].data = infrared->rx_data;
        infrared->info_head                      = next_head;

        infrared->parent.rx_count++;
        os_device_recv_notify(&infrared->parent);
    }

详细解释：next_head != info_tail 表示队列未满。把解码出的 rx_addr（取 8 位）和 rx_data 存入队首，更新 info_head，递增 rx_count，并调用 os_device_recv_notify 通知有数据可读。队列满则丢弃新数据（防溢出）。

3.5 发送 infrared_send

一句话定位：按 NEC 协议发送一帧数据（引导码 + 32 bit 地址/数据 + 重复码），通过 irk_on_us/irk_off_us 调制 38kHz 载波。

完整源码（drivers/infrared/infrared.c，与项目一致）：

分步详解：

第 1 步：组织 32 bit 数据（无条件执行）

    data = ((~keycode & 0xFF) << 24) + ((keycode & 0xFF) << 16) + ((~addrcode & 0xff) << 8) + addrcode;

详细解释：把"数据反码 + 数据 + 地址反码 + 地址"拼成 32 bit：

数值演算（addrcode=0x12, keycode=0x34）：

字节代入计算值
数据反码(~0x34 & 0xFF) << 240xCB000000
数据(0x34 & 0xFF) << 160x00340000
地址反码(~0x12 & 0xFF) << 80x0000ED00
地址0x120x00000012
合成上述相加0xCB34ED12

第 2 步：发送引导码（无条件执行）

    irk_on_us(infrared, 9000);
    irk_off_us(infrared, 4500);

详细解释：irk_on_us(9000) 发送 9ms 载波（引导码起始），irk_off_us(4500) 停 4.5ms（引导码间隔）。

关键理解 —— 载波调制 irk_on_us：

irk_on_us 不是简单拉高引脚，而是每 24 µs 一个周期（6µs 高 + 18µs 低），产生约 1/24µs ≈ 38kHz 的载波。红外接收头需要 38kHz 载波才能识别。

第 3 步：发送 32 bit 数据（无条件执行）

详细解释：逐位发送。每位先 irk_on_us(560) 发 560µs 载波，然后根据 bit 决定间隔：bit 0 → 550µs，bit 1 → 1680µs。这与接收端 usec > 1200 && usec < 2000 判断 bit 1 对应。

第 4 步：发送结束位和重复码（条件 times）

详细解释：先发结束位（560µs 载波 + 40ms 空闲）。若 times > 0，发 times 个重复码（9ms 载波 + 2.25ms + 560µs + 96ms）。

infrared_send() 条件走向总结：

infrared_send() 条件走向总结：
├── 拼接 32bit data（反码+真值）
├── 引导码：9ms 载波 + 4.5ms 间隔
├── for 32 bit：
│   ├── 560µs 载波
│   ├── bit 0 → 550µs；bit 1 → 1680µs 间隔
├── 结束位：560µs 载波 + 40ms
└── for times：重复码（9ms + 2.25ms + 560µs + 96ms）

3.6 设备操作 _infrared_read / _infrared_write

完整源码（drivers/infrared/infrared.c，与项目一致）：

分步详解：

第 1 步：断言参数（无条件执行）

    OS_ASSERT(buffer);
    OS_ASSERT(sizeof(struct os_infrared_info) == size);

详细解释：缓冲区非空，且读取长度必须是 sizeof(os_infrared_info)。

第 2 步：队列空则返回 0（条件 rx_count <= 0）

    if (dev->rx_count <= 0)
    {
        os_spin_unlock_irqrestore(&gs_device_lock, level);
        return 0;
    }

详细解释：没有解码数据时返回 0（应用应稍后重试或阻塞）。

第 3 步：取队尾数据并推进（无条件执行）

详细解释：从 info_tail 取一条 os_infrared_info（addr/data）给调用者，info_tail 前进（环形），rx_count 减一，返回 size（读成功）。

_infrared_write（发送）：

分步详解：

第 1 步：断言参数（无条件执行）

    OS_ASSERT(buffer);
    OS_ASSERT(sizeof(struct os_infrared_info) == size);

详细解释：缓冲区非空，且 size 必须是 sizeof(os_infrared_info)。

第 2 步：检查发送计数（条件 tx_count == tx_size）

详细解释：发送互斥。tx_count == tx_size（tx_size 初始为 1，即同时只能发一帧）说明上一帧还在发，返回 0（应用稍后重试）。未满则 tx_count++ 占用发送通道（加锁保护），解锁后再实际发送。

第 3 步：发送一帧（无条件执行）

详细解释：从 buffer 取出 os_infrared_info（addr/data/times），调用 infrared_send（见 3.5）发送完整 NEC 帧（引导码 + 32bit + 重复码）。发送是阻塞的（infrared_send 里 irk_on_us/irk_off_us 用 infrared_udelay 忙等），发完 tx_count-- 释放通道，返回 size。

3.7 注册 os_infrared_register_device

完整源码（drivers/infrared/infrared.c，与项目一致）：

分步详解：

第 1 步：设置设备类型与操作表（无条件执行）

    dev->type = OS_DEVICE_TYPE_INFRARED;
    dev->ops  = &infrared_ops;

详细解释：设置类型 OS_DEVICE_TYPE_INFRARED 和操作表 infrared_ops（init/deinit/read/write）。

第 2 步：注册设备（无条件执行）

    return os_device_register(dev, name);
}

详细解释：用 name 注册到设备框架。打开设备时 _infrared_init 会配置 TX/RX 引脚并加入 infrared_list（供定时器超时检测遍历）。

四、完整使用示例

示例：接收并打印遥控按键

示例：发送红外遥控码

说明：示例展示红外收发标准用法。实际效果：接收时驱动自动解码 NEC 帧并入环形队列，os_device_read 取出 addr/data；发送时 os_device_write 传入 os_infrared_info，驱动生成引导码 + 32bit 数据 + 重复码。

注意：os_infrared_info 的大小必须等于 sizeof(struct os_infrared_info)，否则 OS_ASSERT 失败。发送前要确保 tx_pin 已配置（_infrared_init 中非 OS_INFRARED_INVALIDE_PIN 才会初始化发送）。接收为中断驱动，应用需轮询 read（非阻塞）。

五、Infrared 的适配（接入新平台的 GPIO 引脚）

5.1 先认识适配层：红外驱动怎么"长"到新平台上

drivers/infrared/infrared.c 是跨平台统一框架（NEC 状态机解码 + 38kHz 载波调制 + 收发机制），不碰具体寄存器——它通过 os_pin_*（GPIO）和 os_clocksource_gettime/os_timer 等通用接口工作。接入新平台，只需在 BSP 里配置 TX/RX 引脚 + 注册设备，框架不用改。

适配全景图：

适配的关键洞察：接入新平台只需做三件事：① 配置 RX 引脚为中断输入、TX 引脚为输出（os_pin_*）；② 分配 os_infrared_device 填 tx_pin/rx_pin；③ os_infrared_register_device 注册。框架层不用改。红外驱动依赖 os_pin、os_clocksource 两个子系统（须已启用）。

5.2 接口契约：接入红外需要提供什么

层内容职责说明
GPIORX 引脚中断输入接收头输出接 GPIO 中断_infrared_init 配 PIN_MODE_INPUT_PULLUP + 双边沿中断
GPIOTX 引脚输出38kHz 载波输出tx_pin 非 OS_INFRARED_INVALIDE_PIN 才初始化
注册os_infrared_register_device注册为 OS_DEVICE_TYPE_INFRARED 设备打开时 _infrared_init 配引脚、加链表
定时器infrared_timer_init超时检测（区分帧结束）OS_INIT_CALL 设备层自动初始化

5.3 接入新平台的标准流程

第 1 步：确认硬件——红外接收头输出接哪只 GPIO（RX），发射管驱动接哪只 GPIO（TX）。

第 2 步：配置引脚——BSP 里确认 RX 引脚支持中断输入、TX 支持推挽输出；_infrared_init 会配好，但需确认引脚号正确。

第 3 步：分配并注册设备——定义 static struct os_infrared_device，填 tx_pin/rx_pin，os_infrared_register_device("infrared0", &device)。

第 4 步：确认依赖子系统——启用 os_pin、os_clocksource（os_clocksource_gettime），且 infrared_timer_init 被 OS_INIT_CALL 调用。

第 5 步：测试——接收：按遥控器看 os_device_read 是否出 addr/data；发送：os_device_write 后接收头能否收到。

5.4 适配检查清单（快速自查）

检查项说明
RX 引脚支持中断？不能中断则收不到跳变、状态机不流转
tx_pin/rx_pin 填对？填错则收/发不到信号
依赖 os_pin/os_clocksource 启用？未启用则 os_pin_*/os_clocksource_gettime 不可用
infrared_timer_init 被调用？未初始化超时定时器则帧结束检测失效
接收头极性对？不同接收头输出极性可能相反，PIN_LOW 判断需匹配

核心要点回顾

本节围绕 Infrared 红外设备展开，核心要点如下：

1. NEC 协议

  • 帧 = 引导码（9ms 载波 + 4.5ms）+ 32bit（地址+反码+数据+反码）+ 结束位。
  • bit 0 = 短间隔（550µs），bit 1 = 长间隔（1680µs）。
  • 接收端用 usec > 1200 && usec < 2000 判断 bit 1。

2. 6 态接收状态机

状态含义
IDLE空闲，等引导码
SYNC已同步
ADDR收 16bit 地址
DATA收 16bit 数据 + 反码校验
REPEAT0/REPEAT1重复码处理

3. 载波调制

  • irk_on_us 用 6µs 高 + 18µs 低（周期 24µs）产生 38kHz 载波。

4. 收发机制

  • 接收：GPIO 中断 → 状态机解码 → 反码校验 → 环形队列 → read。
  • 发送：write 传 os_infrared_info → infrared_send 生成 NEC 帧。

5. 硬件适配

  • 接入新平台 = 配置 TX/RX GPIO + 填 tx_pin/rx_pin + os_infrared_register_device，框架不用改。
  • 依赖 os_pin、os_clocksource 子系统，且 infrared_timer_init 需被 OS_INIT_CALL 调用。

关键易错点速查

易错点正确做法
read/write 长度不对size 必须是 sizeof(struct os_infrared_info)，否则 OS_ASSERT 失败
忽略非阻塞读read 无数据返回 0，应用需循环/阻塞轮询，不要假设一次就读到
发送引脚未配置只有 tx_pin != OS_INFRARED_INVALIDE_PIN 才初始化发送，否则发送无效
误解载波发送必须调 irk_on_us 产生 38kHz 载波，直接拉高电平无效
忽略重复码长按按键会触发重复码（REPEAT0/REPEAT1），应用应根据 times 处理
队列满丢数据环形队列 8 条，满了会丢新数据，应用应及时 read 清空
RX 引脚不能中断RX 引脚必须是中断输入，否则收不到跳变、状态机不流转
依赖子系统未启用未启用 os_pin/os_clocksource 则 os_pin_*/os_clocksource_gettime 不可用

下一步

掌握了 Infrared 红外设备后，接下来学习 SN 序列号设备：

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