1. 项目概述与红外通信基础
红外通信这玩意儿，听起来挺“复古”，毕竟现在满世界都是Wi-Fi和蓝牙。但如果你玩过嵌入式开发或者物联网硬件，就会知道，在特定的场景下，红外（IR）依然是简单、可靠且成本极低的无线通信方案。它不像射频通信那样需要复杂的配对和协议栈，本质上就是“看得见就通，看不见就断”的光通信，特别适合做简单的遥控、触发和短指令传输。
这次我们用的核心硬件是Adafruit的Circuit Playground Express（后面简称CPX）。这块板子很有意思，它定位是教育板和快速原型开发板，把你能想到的常用传感器、LED、按钮都集成上去了，其中就包含了红外发射管（TX）和接收头（RX）。这意味着你不需要任何额外的杜邦线和模块，拿两块板子就能直接开始玩红外对话。我们的目标很明确：用CircuitPython写代码，让一块CPX的按钮按下时，通过红外光发送一组编码，另一块CPX收到后，能解码并执行相应的动作，比如点亮LED或者播放一个声音。
为什么选NEC编码？这是消费电子领域，特别是电视、空调遥控器里最普及的编码协议之一。它定义了一套清晰的脉冲宽度调制规则，用来表示逻辑“0”和“1”。协议本身不算复杂，但足够稳定，有很多现成的库支持。在CPX上，Adafruit提供的adafruit_irremote库已经帮我们封装好了NEC编码的解析和生成，让我们可以跳过枯燥的底层时序分析，直接关注应用逻辑。
2. 硬件准备与开发环境搭建
2.1 核心硬件清单
要完整复现本文的所有实验，你需要准备以下硬件：
- Circuit Playground Express开发板 (2块)：这是绝对的主角。确保你拿到的是Express版本，而不是经典的Circuit Playground，因为只有Express版本才板载了红外收发器。
- USB数据线 (2根)：用于给CPX供电和上传代码。Type-C接口的线现在更通用。
- 电脑一台：Windows, macOS, Linux均可，用于编写和上传CircuitPython代码。
- 可选：Adafruit NEC红外遥控器：型号通常是“Mini Remote Control”。这不是必须的，但有一个实体遥控器来做初步测试和信号抓取，会非常直观，有助于你理解红外通信的“语言”。
两块CPX是必须的，因为我们要实现双向通信演示。如果你只有一块，也可以先用遥控器测试接收功能，但就无法体验完整的“板对板”通信了。
2.2 CircuitPython固件与驱动安装
CPX出厂可能运行其他固件，要使用CircuitPython，第一步是“刷机”。
- 下载固件：访问CircuitPython官网，找到Circuit Playground Express的页面，下载最新的
.uf2格式固件文件。 - 进入引导加载模式：用USB线连接CPX到电脑。先按住板子上的“复位”按钮（Reset），然后快速按一下旁边的“用户”按钮（User），之后松开复位按钮。此时，电脑上会弹出一个名为
CPLAYBOOT的U盘。 - 刷入固件：将下载好的
.uf2文件直接拖入CPLAYBOOTU盘。拖入后，U盘会自动弹出，板子将重启，并出现一个名为CIRCUITPY的新U盘。这表示CircuitPython固件已成功刷入。
CIRCUITPY这个U盘就是你的代码存储和运行空间。之后你所有的Python代码文件都放在这里。
2.3 必要库文件的获取与安装
CircuitPython的强大在于其丰富的库生态。我们需要用到两个核心库：
adafruit_irremote：负责红外信号的编码与解码。adafruit_circuitplayground：提供访问CPX板载资源（按钮、LED、蜂鸣器等）的高级接口。
获取库文件最简单的方法是访问Adafruit的CircuitPython库包发布页面，下载最新的“Library Bundle”。这个压缩包里包含了所有官方和维护的库。解压后，找到我们需要的两个库文件夹（例如adafruit_irremote.mpy和adafruit_circuitplayground），将它们整体复制到CIRCUITPYU盘根目录下的lib文件夹中。如果还没有lib文件夹，就新建一个。
注意：务必确保库的版本与你的CircuitPython固件版本大致匹配。通常下载最新版的库包与最新固件配合使用，可以避免兼容性问题。
3. 红外信号接收：解码遥控器的指令
在让两块板子对话之前，我们先用一个标准的红外遥控器来测试接收功能。这相当于先学会“听”，再学“说”。这个步骤能验证你的红外接收硬件和基础解码代码是否工作正常。
3.1 代码解析：监听与解码
将以下代码保存为CIRCUITPY盘根目录下的code.py，板子会自动运行。
# SPDX-FileCopyrightText: 2018 Kattni Rembor for Adafruit Industries # SPDX-License-Identifier: MIT import pulseio import board import adafruit_irremote # 创建一个脉冲输入对象，监听IR_RX引脚上的信号 # maxlen=120 设定脉冲缓冲区大小，idle_state=True 表示空闲时引脚为高电平 pulsein = pulseio.PulseIn(board.IR_RX, maxlen=120, idle_state=True) # 创建一个通用解码器对象 decoder = adafruit_irremote.GenericDecode() while True: # 读取一组脉冲 pulses = decoder.read_pulses(pulsein) try: # 尝试将脉冲解码为数字码 received_code = decoder.decode_bits(pulses) except adafruit_irremote.IRNECRepeatException: # 捕获到NEC重复码（短码），通常为长按按钮时发出，此处忽略 # print("NEC repeat!") continue except adafruit_irremote.IRDecodeException as e: # 解码失败，可能是信号失真或非NEC编码 # print("Failed to decode: ", e.args) continue print("NEC红外编码接收: ", received_code) # 根据接收到的编码执行不同动作（以Adafruit迷你遥控器为例） if received_code == [255, 2, 255, 0]: print("接收到 NEC 音量-") if received_code == [255, 2, 127, 128]: print("接收到 NEC 播放/暂停") if received_code == [255, 2, 191, 64]: print("接收到 NEC 音量+")代码关键点解读：
PulseIn对象：这是底层硬件抽象。红外接收头输出的是一连串高低电平变化的脉冲，PulseIn负责精确记录每个高电平和低电平的持续时间（以微秒为单位）。GenericDecode：这个解码器默认适配NEC编码的脉冲时序。它知道如何将一串时长不同的脉冲，解析成对应的逻辑位（0和1），并最终组合成我们看到的4字节数组（如[255, 2, 191, 64]）。- 异常处理：这是工业级代码的体现。
IRNECRepeatException处理的是遥控器长按时发出的“重复码”，它是一个简短的信号，告诉设备“继续执行上一个指令”。IRDecodeException则处理所有其他解码错误，比如信号受到日光灯干扰、距离太远信号弱、或者根本不是NEC协议。
3.2 实操测试与信号抓取
- 将代码上传到CPX后，打开串行监视器（推荐使用Mu编辑器，它内置了串行监视器，或者使用Thonny、VS Code with CircuitPython插件）。
- 将遥控器对准CPX板子中心附近的红外接收头（标有RX）。
- 按下遥控器上的按键。你会在串行监视器中看到类似
NEC红外编码接收: [255, 2, 191, 64]的输出，以及对应的按钮提示。 - 重要技巧：如果你使用的是其他品牌遥控器，可能无法直接显示按钮名称。但解码出的数组（如
[12, 34, 56, 78]）就是该按键的“身份证”。记录下每个按键对应的数组，你就可以在代码的if语句中替换它们，从而自定义你的遥控器映射。
避坑指南：测试时，确保没有强烈的直射光源（特别是白炽灯、太阳光）照射在红外接收头上，这些光源包含丰富的红外光谱，会产生噪声脉冲，导致解码失败。在室内日光灯环境下通常问题不大。
4. 红外信号发射：让CPX成为发送端
学会了“听”，现在来学“说”。我们将编写另一段代码，让CPX通过板载按钮来触发红外信号的发射，模拟一个遥控器。
4.1 代码解析：编码与发射
将以下代码保存到第二块CPX的code.py中。
# SPDX-FileCopyrightText: 2018 Kattni Rembor for Adafruit Industries # SPDX-License-Identifier: MIT import time from adafruit_circuitplayground.express import cpx import adafruit_irremote import pulseio import board # 创建一个脉冲输出对象，用于从IR_TX引脚发射38KHz载波的红外信号 # 38KHz是红外遥控的通用载波频率，duty_cycle=2**15设置50%占空比 pulseout = pulseio.PulseOut(board.IR_TX, frequency=38000, duty_cycle=2 ** 15) # 创建一个通用编码器，配置为NEC协议格式 encoder = adafruit_irremote.GenericTransmit( header=[9000, 4500], # NEC起始信号：9ms高脉冲，4.5ms低脉冲 one=[560, 1700], # 逻辑“1”：560us高，1700us低 zero=[560, 560], # 逻辑“0”：560us高，560us低 trail=0 # 结束后的低电平时间 ) while True: if cpx.button_a: print("按钮 A 被按下！\n") cpx.red_led = True # 点亮红色LED作为发送指示 # 发射代表“音量-”的NEC编码 encoder.transmit(pulseout, [255, 2, 255, 0]) cpx.red_led = False time.sleep(0.2) # 短暂延时，防止按键抖动和给接收端处理时间 if cpx.button_b: print("按钮 B 被按下！\n") cpx.red_led = True # 发射代表“音量+”的NEC编码 encoder.transmit(pulseout, [255, 2, 191, 64]) cpx.red_led = False time.sleep(0.2)核心原理剖析：
PulseOut与载波：红外发射二极管不能直接发送数字信号。它需要被一个38KHz的方波（载波）“调制”。PulseOut对象在后台以38KHz的频率快速开关红外管。当我们调用transmit时，编码器控制的是这个38KHz载波的“包络”，即让载波按照NEC协议规定的时序（如9ms有载波，4.5ms无载波）来发射。人眼看不见38KHz的闪烁，但红外接收头专门检测这个频率，从而过滤掉环境中的其他红外噪声。GenericTransmit参数：这行代码是NEC协议的“密码本”。header：起始信号，像一个大声的“注意！我要开始说话了！”，帮助接收端同步。one和zero：定义了逻辑1和逻辑0的脉冲宽度组合。NEC协议使用“脉冲位置调制”，通过低电平的持续时间来区分1和0（1700us vs 560us）。trail：单个信号结束后的低电平时间。
- 四字节数据：
[255, 2, 191, 64]这样的四字节数组是NEC协议的标准数据格式。它通常包含地址码、命令码及其反码，用于错误校验。在实验中，我们直接使用了从遥控器抓取到的完整四字节码。
4.2 双向通信测试
现在你有了两块CPX：一块运行3.1节的接收代码（接收端），一块运行上面的发射代码（发射端）。
- 用两根USB线将两块板子分别连接到电脑，打开两个串行监视器窗口。
- 将两块板子的红外发射头和接收头大致对准（不需要非常精确，有一定角度容差）。
- 按下发射端（第二块板子）的A按钮。你会在发射端的串口看到
按钮 A 被按下！，同时在接收端的串口看到NEC红外编码接收: [255, 2, 255, 0]和接收到 NEC 音量-。 - 这个实验验证了从编码、发射、空中传输到接收、解码的完整链路是通的。红色LED的闪烁提供了直观的发送视觉反馈。
5. 红外信号应用：触发多彩互动反馈
通信链路打通了，接下来就是赋予它实际意义。我们将升级接收端的代码，让它在收到特定红外指令时，不再只是在串口打印文字，而是驱动板载的NeoPixel LED和蜂鸣器做出反应。
5.1 代码解析：从信号到动作
替换第一块CPX（接收端）上的code.py为以下代码：
# SPDX-FileCopyrightText: 2018 Kattni Rembor for Adafruit Industries # SPDX-License-Identifier: MIT import pulseio import board import adafruit_irremote from adafruit_circuitplayground.express import cpx pulsein = pulseio.PulseIn(board.IR_RX, maxlen=120, idle_state=True) decoder = adafruit_irremote.GenericDecode() while True: pulses = decoder.read_pulses(pulsein) try: received_code = decoder.decode_bits(pulses) except adafruit_irremote.IRNECRepeatException: continue except adafruit_irremote.IRDecodeException as e: continue print("NEC红外编码接收: ", received_code) if received_code == [255, 2, 255, 0]: # 对应发射端按钮A print("接收到按钮A信号") # 将所有10个NeoPixel LED设置为紫色 (R, G, B) cpx.pixels.fill((130, 0, 100)) cpx.pixels.brightness = 0.1 # 可选：调低亮度保护眼睛 if received_code == [255, 2, 191, 64]: # 对应发射端按钮B print("接收到按钮B信号") # 关闭所有LED cpx.pixels.fill((0, 0, 0)) # 播放一个262Hz（中央C）的音调，持续1秒 cpx.play_tone(262, 1)应用层设计要点：
- 事件驱动：整个程序的核心是一个等待红外信号的循环。一旦解码成功，就进入
if判断分支，执行对应的动作。这是一种典型的事件驱动编程模型，在物联网和交互设备中非常常见。 - 资源调用：
cpx.pixels.fill()和cpx.play_tone()是adafruit_circuitplayground库提供的上层API，它隐藏了控制WS2812 LED和压电蜂鸣器的底层PWM细节，让我们用一行代码就能实现复杂功能。 - 扩展性：这两个
if分支就是你的“动作触发器”。你可以轻松地扩展它：cpx.pixels[i] = (R, G, B)控制单个LED。cpx.start_tone(freq)和cpx.stop_tone()实现更灵活的声音控制。- 引入
adafruit_motor库来控制舵机转动。 - 甚至可以通过
import storage和audioio来播放存储在本地的WAV文件。
5.2 项目构思与扩展
现在，你已经掌握了一个完整的无线触发与控制链路。可以构思一些有趣的项目：
- 无线门铃/提醒器：将发射端放在门口，接收端放在书房。按下按钮，书房里的CPX亮灯并响铃。
- 简易遥控小车：用CPX控制一个小车底盘（需连接电机驱动模块）。按钮A/B分别控制左转/右转或前进/后退。
- 智能家居触发器：接收端收到信号后，通过串口或Wi-Fi模块（如AirLift）向家庭服务器发送一个HTTP请求，从而打开智能灯或播放音乐。
- 多人游戏控制器：制作多个发射端，用一个接收端来判断谁先按下按钮，实现抢答器功能。
关键在于，红外通信在这里扮演了一个低成本、低延迟、高可靠性的私有无线触发通道的角色。对于不需要传输大量数据（如图像、音频流），只需要发送简单控制指令的应用，它是绝佳选择。
6. 深度调试与常见问题排查
在实际操作中，你可能会遇到信号收不到、解码错误等问题。下面是一个基于经验的排查清单，可以帮助你快速定位问题。
| 现象 | 可能原因 | 排查步骤与解决方案 |
|---|---|---|
| 串口无任何输出 | 1. 代码未运行 2. 串口监视器未正确连接 3. 板子供电不足 | 1. 检查CIRCUITPY盘根目录下是否有code.py，确认板载LED是否正常亮起。2. 关闭并重新打开串口监视器，确认选择了正确的串口端口（如 COM3,/dev/ttyACM0）。3. 尝试更换USB线或连接到电脑不同USB口，确保供电稳定。 |
| 按下遥控器/按钮，串口有输出但解码失败 | 1. 环境红外干扰强 2. 距离太远或角度偏差太大 3. 发射与接收未对准 4. 电池电量不足（遥控器） | 1. 移至远离窗户、白炽灯的环境下测试。 2. 将遥控器或发射板靠近接收头（10厘米内）再试。 3. 确保发射管的TX与接收头的RX大致在同一直线上。 4. 更换遥控器电池。 |
| 接收端持续打印乱码或重复解码 | 1. 环境光（如日光灯）产生稳定干扰脉冲 2. 接收端代码中未正确过滤重复码 | 1. 这是最常见的问题。尝试用手或纸板在接收头周围稍作遮挡，看乱码是否停止。如果停止，说明环境光干扰严重，需为接收头加装遮光罩（如一小段热缩管）。 2. 确认代码中 IRNECRepeatException异常已被捕获并continue。 |
| 发射端LED亮，但接收端无反应 | 1. 发射端代码载波频率设置错误 2. 接收头损坏或型号不匹配（非38KHz） 3. 发射的数据编码与接收端预期不匹配 | 1. 确认发射代码中PulseOut的frequency=38000。2. 这是硬件问题。CPX板载的接收头是标准的38KHz一体化接收头，一般不会坏。可用手机摄像头（大部分手机摄像头能感应红外光）对准发射管，按下按钮时观察摄像头屏幕，应能看到发射管发出微弱的紫白色光点。 3. 检查发射 encoder.transmit中的数据数组是否与接收端if判断里的数组完全一致。 |
| 通信距离非常短（<10厘米） | 1. 发射管驱动电流不足 2. 接收头灵敏度下降 | 1. CPX板载的红外发射管驱动能力有限，这是其物理限制。如需增加距离，可以考虑外接一个红外发射模块，并用三极管放大驱动电流。 2. 检查接收头前是否有污渍遮挡。 |
一个高级调试技巧：原始脉冲分析如果问题复杂，可以修改接收端代码，在decoder.read_pulses(pulsein)之后，直接打印pulses这个列表。这个列表里存储的是原始的高电平、低电平持续时间（微秒）。你可以将这个数据复制出来，与标准的NEC协议时序（起始头9ms/4.5ms，逻辑1为560us/1700us，逻辑0为560us/560us）进行对比。这能帮你判断是发射的信号本身就不对，还是在传输过程中受到了干扰。
