畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于2.4G的無線遙控臺燈的設(shè)計與實現(xiàn).docx

河南農(nóng)業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 題 目 基于2.4G的無線遙控臺燈的 設(shè)計與實現(xiàn) 學 院 理學院 專業(yè)班級 12級電子信息科學與技術(shù)4班 學生姓名 指導(dǎo)教師 撰寫日期： 2016年 5月 28日河南農(nóng)業(yè)大學理學院本科畢業(yè)論文基于2.4g無線遙控臺燈的設(shè)計與實現(xiàn)全套設(shè)計加扣3012250582 摘要進入21世紀，人類在無線電數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟，其中2.4G波段在我們的生活中是最常見的一種波段之一，比如藍牙模塊，2.4g無線遙控器等。最近幾年，2.4G與我們聯(lián)系的愈發(fā)緊密，相對于紅外線、433信號來說，抗干擾性和穿透性更強，以后會越來越多的應(yīng)用的智能家居中，為人類的生活提供諸多方便。目前市場上有很多專門的2.4G收發(fā)芯片，其中上海鏈接電子設(shè)備有限公司設(shè)計的LT8900系列是最常用的一款之一。本設(shè)計設(shè)計選用了LT8920的2.4G芯片，MCU選用臺灣應(yīng)廣的PMC153系列，設(shè)計一款能夠取代紅外線的遙控系統(tǒng)。本系統(tǒng)分為收發(fā)兩個部分，遙控器作為RF發(fā)射部分，高亮LED臺燈作為RF接收部分。并使用C與匯編語言混合對其編程，使用SPI通信協(xié)議。遙控器以2.4G無線信號為載波發(fā)射按鍵碼，接收器對2.4G載波進行解密，得出按鍵碼，MCU根據(jù)解密得出的按鍵碼對LED進行PWM控制。從而達到無線遙控的目的。關(guān)鍵詞：2.4G；PMC153；SPI；PWMDesign and Implementation of 2.4g Wireless Remote Control Lamp BasedHe ZuGuangAbstractIn the 21st century, people in the radio field of data transmission has been very mature, where 2.4G band is one of the most common band in our lives, such as Bluetooth module, 2.4g wireless remote control. In recent years, 2.4G Contacts increasingly close, with respect to the infrared, 433 signals, interference and more penetrating, the future will be more and more smart home application, for human life It provides a lot of convenience. There are many special 2.4G transceiver chip on the market today, which links Shanghai Electronic Equipment Co., Ltd. design LT8900 series is one of the most commonly used one. The design chosen LT8920 design of 2.4G chips, MCU used in Taiwan should be widely PMC153 series, designed to replace an infrared remote control system. The system is divided into two parts transceivers, remote control as an RF transmitter section, highlight LED lamp as RF receiving portion. And use C and assembly language programming mix them, using the SPI communication protocol. 2.4G wireless remote control to key code signal carrier transmitter, the receiver of 2.4G carrier decrypt obtain key code, MCU according to the decryption key code derived from the LED PWM control. So as to achieve the purpose of the wireless remote control.Keywords: 2.4G;PMC153;SPI;PWM目錄1緒論11.1 論文研究的背景與目的11.1.1論文研究的背景11.1.2 研究2.4G技術(shù)的目的11.2 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1 紅外技術(shù)11.2.2 藍牙技術(shù)11.2.3 wifi技術(shù)11.2.4 Zigbee21.3論文的結(jié)構(gòu)及研究內(nèi)容21.3.1 論文的結(jié)構(gòu)21.3.2 本文研究的內(nèi)容21.4 課題研究的方法22 芯片介紹LT892032.1 LT8920芯片簡介32.2 LT8920引腳簡介32.2.1通信方式42.3 SPI總線協(xié)議42.3.1 spi介紹42.3.2 spi功能概述42.3.3 spi數(shù)據(jù)傳輸默認格式43 芯片介紹PMC15353.1 MCU-PMC153簡介53.2 TX2C簡介54 遙控器設(shè)計74.1設(shè)計要求74.2 原理圖設(shè)計74.3程序設(shè)計85信號處理模塊135.1設(shè)計要求135.2 原理圖設(shè)計135.3程序設(shè)計136 實驗仿真167 總結(jié)20參考文獻21致謝22221緒論1.1 論文研究的背景與目的1.1.1論文研究的背景當前時代，無線技術(shù)飛速發(fā)展，Zigbee、藍牙、2.4G、紅外線、wifi等百花齊放，其中2.4G作為一種高速數(shù)據(jù)傳輸方式已與我們的生活越發(fā)的緊密相連。近幾年智能家居炒的愈來愈熱，與智能家居密切相關(guān)的2.4G會充斥著我們的生活。2.4G抗干擾性比紅外線與433信號強，并不需要對準接收源，紅外線對不透明物體幾乎沒有穿透能力，433的在隔了金屬外殼后遙控距離不到2米，對于2.4GHz信號，即使隔了鐵皮，遙控距離仍能達到十米以上。當人們的物質(zhì)生活越來越豐富時，2.4G遙控終將會逐漸占領(lǐng)低性能的紅外線和433MHz的市場。1.1.2 研究2.4G技術(shù)的目的2.4G無線通信技術(shù)的發(fā)展，其抗干擾性、穿透性無疑是智能家居首選的一種數(shù)據(jù)傳輸方案。其實，2.4G無線通信技術(shù)早已我們的生活息息相關(guān)，比如電腦上常用的無線鼠標和無線鍵盤、話筒、耳機等等。由于成本問題，在電視機遙控上并不常用，不過，隨著技術(shù)的發(fā)展，成本的降低，以及生活水平的提高，其終將被越來越廣泛的接受。1.2 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 紅外技術(shù)紅外產(chǎn)品，由于數(shù)據(jù)傳輸方式簡單，不需要獨立的紅外芯片，所以其成本相對于其他無線技術(shù)而言，低了很多?，F(xiàn)在市場上的遙控大多還都是紅外線遙控，比如電視機、機頂盒、紅外感應(yīng)開關(guān)等。1.2.2 藍牙技術(shù)藍牙傳輸現(xiàn)在是每部手機的必備，幾乎是只要有手機的地方就有藍牙，還有藍牙耳機、藍牙音箱等。其技術(shù)也已經(jīng)非常成熟，其頻段也是基于2.4G的頻段。1.2.3 wifi技術(shù)Wifi技術(shù)早在智能手機之前就已經(jīng)存在很長時間了，由于智能手機的普及，wifi在生活中也相當普及，在手機上網(wǎng)費用如此昂貴的環(huán)境下，wifi已經(jīng)成為城市地區(qū)的必備。1.2.4 Zigbee由于推出時間，及成本的原因，在生活中還并不被廣泛使用。1.3論文的結(jié)構(gòu)及研究內(nèi)容1.3.1 論文的結(jié)構(gòu)第一章介紹了無線技術(shù)與人們生活的聯(lián)系，以及幾種常見的短距離數(shù)據(jù)通信方式；第二張介紹了一款2.4g信號收發(fā)芯片和SPI通信協(xié)議；第三章對PMC153單片機進行簡單的介紹；第四章對遙控器設(shè)計并深入的研究；第五章主要研究接收模塊與PWM波形的輸出；第六章對實驗結(jié)果進行仿真；第七章總結(jié)展望。1.3.2 本文研究的內(nèi)容本文主要涉及了到的研究內(nèi)容主要有：a) 對2.4G芯片的研究；b) 對SPI通信協(xié)議的研究；c) 遙控器的矩陣鍵盤與程序設(shè)計；d) 接收端的接收方式與程序設(shè)計；e) 接收端PWM信號的輸出；1.4 課題研究的方法本課題通過大量仿真，信號模擬，以及親自實驗，圍繞著遙控端與接收端，對2.4G信號傳輸，SPI數(shù)據(jù)傳輸做了系統(tǒng)的研究，并閱讀了很多相關(guān)資料，部分電路設(shè)計參考了LT8920數(shù)據(jù)手冊里的基本電路。最后做出了總結(jié)。2 芯片介紹LT89202.1 LT8920芯片簡介LT8920 是一款低成本、高集成度的 2.4GHZ 的無線收發(fā)芯片，片上集成發(fā)射機，接收機，頻率綜合器，GFSK 調(diào)制解調(diào)器。發(fā)射機支持功率可調(diào)，接收機采用數(shù)字擴展通信機制，在復(fù)雜環(huán)境和強干擾條件下，可以達到優(yōu)良的收發(fā)性能。外圍電路簡單，只需搭配 MCU以及少數(shù)外圍被動器件。LT8920 傳輸 GFSK 信號，發(fā)射功率最大可以到 6dBm。接收機采用低中頻結(jié)構(gòu)，接收靈敏度可以達到-96dBm62.5Kbps。數(shù)字信道能量檢測可以隨時監(jiān)控信道質(zhì)量。16片上的發(fā)射接收 FIFO 寄存器可以和 MCU 進行通信，存儲數(shù)據(jù)，然后在空中傳輸。它內(nèi)置了 CRC， FEC，auto-ack和重傳機制，可以大大簡化系統(tǒng)設(shè)計并優(yōu)化性能。數(shù)字基帶支持 4 線 SPI 和 2 線 I2C 接口，此外還有Reset，Pkt_flag, Fifo_flag三個數(shù)字接口。為了提高電池使用壽命，芯片在各個環(huán)節(jié)都降低功耗，芯片最低工作電壓可以到 1.9V，在保持寄存器值條件下，最低電流為 1uA。芯片采用 TSSOP16 和 SOP16 封裝，符合 RoHS 標準。2.2 LT8920引腳簡介圖2.1 LT8920 SOP16電路圖2.2.1通信方式T8920與MCU有兩種通信方式，一種是通過串行外設(shè)接口（SPI），另一種通過IIC協(xié)議。本文主要研究SPI協(xié)議。由于153沒有SPI協(xié)議，所以本文通過模擬SPI使其進行數(shù)據(jù)傳輸。2.3 SPI總線協(xié)議2.3.1 spi介紹串行外設(shè)接口(SPI)允許芯片與其他設(shè)備以半/全雙工、同步、串行方式通信。此接口可以被配置成主模式，并為從設(shè)備提供通信時鐘(SCK)。接口還能以多主配置方式工作。它可用于多種用途，包括帶或不帶第三根雙向數(shù)據(jù)線的雙線單工同步傳輸，還可使用CRC校驗來進行可靠通信。2.3.2 spi功能概述通常MCU與LT8920通過SPI連接需要用到5個端口，如圖2.1所示。l SPI_SS（引腳14）：使能 SPI 信號，低有效，也可以使芯片進入 sleep mode。信號方向：輸入。l SPI_CLK（引腳15）：內(nèi)部時鐘輸出，MCU給2.4G芯片提供時鐘。信號方向：輸入。l RESET_N（引腳4）：復(fù)位。信號方向：輸入。l MOSI（引腳1）：數(shù)據(jù)輸入。l MISO（引腳2）：數(shù)據(jù)輸出。2.3.3 spi數(shù)據(jù)傳輸默認格式Spi時序如圖2.2所示：圖2.2 當CKPHA=1時，SPI下降沿采樣時序3 芯片介紹PMC1533.1 MCU-PMC153簡介圖3.1 PMC153封裝如圖3.1所示，PMC153的封裝為SOP14，有一個電源引腳VDD，一個接地GND，12個輸入輸出引腳，其中復(fù)位引腳與PA5共用。3.2 TX2C簡介TX2C其實并不是一塊芯片，而是PMC153與2.4G芯片封裝了一起，封裝為雙列16引腳的IC，其優(yōu)點在于，電路板簡介、清晰，容易布線。封裝內(nèi)部鏈接如表3.1，外部封裝如圖3.2所示。表3.1 PMC153與LT8920引腳對應(yīng)LT8920PMC153SPI_RESETPB0SPI_MISOPB1SPI_MOSIPB2SPI_SSPB5SPI_CLKPB7圖3.2 PMC153與LT8920組合封裝后的外部引腳4 遙控器設(shè)計4.1設(shè)計要求a) 為了以后方便增加功能，要求設(shè)計為16個按鍵；b) 為了能夠直觀的看到有按鍵按下，在按鍵按下時，有一個LED點亮，松開就熄滅；c) 為節(jié)省電能，按鍵松開后進入睡眠模式；d) 為防止異物壓住遙控器按鍵，造成電能損失過快，并且持續(xù)發(fā)送的射頻對其它無線設(shè)備的干擾，在按鍵持續(xù)按下10秒后，進入睡眠模式；4.2 原理圖設(shè)計1) 按鍵掃描要求a）提出必須16個按鍵，由于TX2C僅有7個IO口，即使通過矩陣鍵盤掃描的方式也只有3*4=12個，所以要想達到16個按鍵，就必須增加一個IO口，顯然是不可能的。經(jīng)過計算，可以把VCC或者GND當作一個IO口使用，這樣最多會有4*5=20個按鍵，但是我們只需要16個，所以就可以只用VCC和GND中的一個，鑒于能用GND就避免使用VCC，以防止漏電，所以我就選擇GND作為一個IO口。如圖4.1：圖4.1 遙控器矩陣鍵盤排列方式2) 供電系統(tǒng)，如圖4.2：同時鑒于IO口沒有剩余的原因，把閃爍的LED與其中1個IO口共用，在按鍵掃描的間隔內(nèi)使其點亮，由于頻率很快所以看不出其閃爍。圖4.2 MCU外圍基本電路4.3程序設(shè)計程序流程圖，如圖4.3所示：開始定時器初始化，8ms中斷一次IO和RF寄存器口初始化按鍵掃描進入睡眠喚醒無判斷按鍵編號計時10秒YN有IO口有電平變化YN發(fā)送對應(yīng)按鍵數(shù)據(jù)圖4.3 遙控器程序流程圖1) SPI字節(jié)寫字節(jié)寫入需要按照時序要求，如圖2.2所示。SPI_Write:MOV gcRF_SPIBuf,AgcRF_SPICnt = 8;SPI_WR_8Bit:pSPI_CLK = 1;SLCgcRF_SPIBufT1SNCFpSPI_MOSI = 0;T0SNCFpSPI_MOSI = 1;pSPI_CLK = 0;DZSNgcRF_SPICntGOTOSPI_WR_8BitRET2) SPI寄存器寫RF的寄存器都是2個字節(jié)，在寫入時，必須一個字節(jié)一個字節(jié)的寫，且先寫高字節(jié)：RF_WriteReg:pSPI_SS = 0;callSPI_WriteA = (gwRF_SPIData$1);高字節(jié)寫callSPI_WriteA = (gwRF_SPIData$0);低字節(jié)寫callSPI_WritepSPI_SS = 1;RET3) 根據(jù)LT8920對RF初始化配置，即初始化RF寄存器，如圖4.4所示：圖4.4 LT8920寄存器默認值與初始化建議值4) 載波頻率設(shè)定：載波頻率是通過寫入7號寄存器低7位6:0進行設(shè)置載波，計算公式：載波頻率=2402 + 6:0由于生活中有很多2.4G信號頻率，所以我采用了跳頻技術(shù)，使用6段頻率來發(fā)送RF數(shù)據(jù)，在一定的循環(huán)間隔后，重新心如7號寄存器的值即可改變載波頻率。注意：2452-2474MHz頻段的頻率干擾嚴重，盡量避免使用此頻段。5) 跳頻：發(fā)射端，當按鍵按下后，定時器開始計數(shù)，每過8ms向TL8920的7號寄存器低七位寫入一個新的數(shù)值，每六次一個循環(huán)，并把第八位寫為1，設(shè)置為接收狀態(tài)，這樣，跳頻的周期為8*6=48ms。也就是每48ms，遙控器就會以6個頻率把按鍵碼發(fā)送一遍。接收端，接收端上電，計數(shù)器開始計數(shù)，每過60ms把7號寄存器的低七位的值更新一次，每6次一個循環(huán)，同時把第七位寫為1，設(shè)置為接收狀態(tài)。由于發(fā)射端的跳頻周期為48ms，這樣，接收端在60ms內(nèi)至少能接收到一個信號。這樣，通過跳頻技術(shù)，很大程度上能夠解決同頻干擾的問題。6) 按鍵掃描：a) 四個輸入口，四個輸出口，GND作為輸出；b) 輸入端口設(shè)置為上拉輸入，即平時為高電平；c) 輸出口輪番輸出低電平，注意：必須首先對GND掃描，因為GND無法置為高電平，會影響判斷；d) 對輸入口掃描，低電平即為按下的按鍵；e) 最后，把按鍵碼寫入RF的FIFO即可。7) 睡眠a) 無按鍵睡眠：沒有檢測到按鍵按下，即可進入睡眠；b) 有按鍵按下睡眠：檢測到有按鍵按下后，把計數(shù)單位清零，開始重新計數(shù)，10秒后，如果還能檢測到按鍵按下，就進入睡眠；注意：睡眠之前應(yīng)該把看門狗關(guān)閉，喚醒后開啟看門狗，同時，設(shè)置一個2ms的延時，以使時鐘穩(wěn)定。5信號處理模塊5.1設(shè)計要求1) 為了增加抗干擾性，使用跳頻技術(shù)接收信號；2) 模擬輸出PWM控制LED燈亮度；3) 關(guān)燈，在開燈后，能夠恢復(fù)關(guān)燈前的亮度；4) 使用上遙控器的四個按鍵，分別是：a) 開燈；b) 關(guān)燈；c) 亮度加；d) 亮度減；5.2 原理圖設(shè)計接收模塊的原理設(shè)計比較簡單，最小電路加上一個模擬PWM輸出的IO口即可。如圖5.1所示：圖5.1 信號接收電路圖5.3程序設(shè)計1) 程序流程圖，如圖5.2所示：開始初始化RF寄存器和IO口定時器初始化，中斷間隔3msRF的48寄存器PKT是否為1跳頻NY讀取FIFO解碼接收到的數(shù)據(jù)開關(guān)亮度加亮度減按鍵處理圖5.2信號接收程序流程圖2) 定時器初始化：Timer_INIT0:gwT16Init = 256-199;stt16 gwT16Init;$ t16m SYSCLK,/64,bit8; ;4M/64 bit8 1USintrq = 0;inten.2 = 1;engint;gcRF_ChNum = 0;3) 讀RF的48號寄存器，判斷PKT位是否為1：CheckPKT:bitPKT = 0;gcRF_SPIReg = 48callRF_ReadRegt1sngwRF_SPIData$0.6gotoCHK_PKT_Et0sngwRF_SPIData$1.7gotoCHK_PKT_EbitPKT = 1;CHK_PKT_E:RET4) 模擬PWM：a) 首先設(shè)置PWM的基數(shù)為256；占空比為pwm_led；b) 定時器設(shè)置的10us中斷，要讓LED在3秒內(nèi)從0增加到最亮，占空比增加的速度= 3000/256=12ms，所以，按下亮度鍵時，開始計數(shù)，每計數(shù)12ms后，清空計數(shù)標志，同時把占空比加1；c) 檢測到“關(guān)按鍵”時，就把當前LED燈的亮度值存在一個RAM中，并把占空比pwm_led調(diào)為0；d) 檢測到“開按鍵”時，把關(guān)燈之前存在RAM中的值還給pwm_led；6 實驗仿真本次實驗中，采用12V直流電源為照明LED供電，3V電池為單片機供電。遙控器也是3V供電。實際測得遙控距離達到40米，符合預(yù)期。部分實驗拍攝圖片如下：圖6.1 16按鍵遙控器圖6.2 信號接收電路板（背面）圖6.3信號接收電路板（正面）圖6.4 3V芯片供電電源圖6.5 LED臺燈控制演示（1）圖6.6 LED臺燈控制演示（2）實驗結(jié)果與分析：（1）在試驗中用手機拍照會抖動很厲害，這是由于采用的模擬PWM頻率低造成的，由于時鐘的限制，模擬PWM頻率不能太高，此次實驗PWM頻率為1KHz。（2）遙控器的睡眠問題，經(jīng)測得，沒按下遙控器，電流僅為1mA，按下后，電流為10mA，按下10s后，電流為1mA，證明遙控器能夠正常睡眠。從而節(jié)省能耗。7 總結(jié)在無線遙控領(lǐng)域，2.4G射頻有其獨特的優(yōu)勢，2.4GHz作為國際開源頻段，不需要許可費用，在世界范圍內(nèi)都被廣泛使用，而且很多芯片制造商都推出了針對不同用途的2.4GHz無線射頻芯片。本設(shè)計采用IDCTEK公司的LT8920無線射頻芯片，它具有低功耗、高集成度，發(fā)射距離遠燈優(yōu)點，配合多種模式，可以很好的滿足無線控制LED燈的需要。本系統(tǒng)以2.4g無線電波作為載體，實現(xiàn)了短距離通信。通過MCU對接收數(shù)據(jù)的處理，成功對照明LED進行亮度控制。在進行短距離通信時，本系統(tǒng)有其獨特的優(yōu)點，通過實際測試，空曠地方有效控制距離能夠達到40米，隔著兩度讀堵墻測試有效距離為20米。這基本保證了在家庭環(huán)境中任意角落對照明設(shè)備的有效遙控。此系統(tǒng)的不足之處主要在于兩個方面，一是硬件成本高，相對于紅外線來說，收發(fā)兩端成本要比紅外線遙控系統(tǒng)23元錢。二是開發(fā)難度大，開發(fā)難度較紅外線要大很多，不僅需要對MCU主芯片進行精心控制，還要對從2,4G芯片進行操作，另外還對2.4g收發(fā)信號的天線精心布局，這就造成開發(fā)周期長，開發(fā)成本高。此系統(tǒng)在后續(xù)會有一些改進，目前使用12V電源供電，后續(xù)準備對供電系統(tǒng)進行改進，能夠使其在220V電壓下工作，并且在遙控端加上LED顯示器，能夠顯示電池剩余點亮；另外在接收端增加發(fā)射程序，能夠把目前的照明亮度反饋給遙控器，從而在LED顯示器上顯示目前的照明亮度。進入二十一世紀，人們的物質(zhì)生活逐漸提高，逐漸進入物聯(lián)網(wǎng)時代。在現(xiàn)如今的第二個十年，無線設(shè)備已經(jīng)充斥著我們的生活，國際很多大公司，如蘋果，谷歌，三星，飛利浦等，早就開始了物聯(lián)網(wǎng)計劃。在國內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)還是一個新鮮的名詞，還沒有一家大的公司明確表態(tài)要做物聯(lián)網(wǎng)計劃。這是一個機會，現(xiàn)在市面上已經(jīng)出現(xiàn)了使用網(wǎng)絡(luò)來控制家用電器的產(chǎn)品，盡管還不成熟，不過，相信在未來的十年內(nèi)，與智能手機一樣，無線射頻設(shè)備必定與我們的生活息息相關(guān)。參考文