無線遙控技術

1前言1.1無線遙控技術現(xiàn)狀無線遙控，即是在控制端把控制指令以某種編碼方式形成易于傳輸?shù)男盘?，通過無線傳輸，在受控端經(jīng)解碼等處理形成相應的控制操作。無線控制方式多種多樣，可以根據(jù)不同的應用需要采用適宜的方式。各種遙控方式的不同，主要在于信息的編碼處理方式和信息的傳輸方式。所傳信息的形式以及信息量的大小決定采用何種信息編碼和處理方式，而信息傳送的距離決定采用何種傳輸方式。在編碼方式上，目前在簡單信息的遙控中常采用的是PCM方式和DTMF方式。這兩種方式均具有實現(xiàn)簡單、可靠性高的優(yōu)點。對于復雜以及大量信息的遙控，可以采用相應的信號處理方式，經(jīng)過適當?shù)男旁葱诺谰幋a以及數(shù)字調制等處理來生成易于傳輸?shù)男盘?。對于這些編碼處理方式，可以根據(jù)系統(tǒng)功能需要進行靈活選擇。在傳輸方式上，對于近距離遙控，可以采用基帶傳輸。對于遠距離遙控，需要選擇適當?shù)恼{制方式，進行頻帶傳輸。目前常用的調制方式有幅度調制，頻率調制和相位調制三種。對于不同形式的基帶信號，乂可以分為模擬調制和數(shù)字調制。對于各種調制方式的選擇，可以根據(jù)基帶信號的形式，傳輸?shù)膸捪拗频纫蛩貨Q定。對于無線遙控技術，當前基本上通過以下幾種方式實現(xiàn)：紅外線遙控方式，無線電遙控方式，超聲波遙控方式和聲音遙控方式。紅外技術出現(xiàn)比較早，成本低，價格也具有優(yōu)勢。紅外遙控具有以下優(yōu)點：控制內容多，抗干擾能力比較強，不會發(fā)生任何誤動作；響應速度快，不會對其他電器產生干擾從而影響用戶使用；體積小，成本低，功耗小，與其他方式比可以降低功耗90%。但是他的缺點也很明顯，在使用中需要保證遙控發(fā)射器和遙控接收設備處與一定的角度范圍，中間不能有任何物品，否則就會阻擋紅外線的傳輸，因為紅外線不能穿越磚瓦水泥砌筑的墻體，這在日常使用中經(jīng)常會造成不便，畢竟用戶不希望只能在一定的角度范圍內才能對對象進行操作，之外紅外線方式也容易受到外界干擾。超聲波遙控方式中的超聲傳感器頻帶窄，能攜帶的信息量少，易于受干擾而引起誤動作，同時該種方式作用距離短，通用性強可以互換因而不適合在燈具遙控中運用。聲音遙控方式通用性強，作用距離短，聲音攜帶的信息量少，易受干擾而引起誤動，它適合于像聲控電燈開關的場合。無線電作為新一代的信息傳送方式，具有繞射和穿透特性，只要在有效工作范圍之內，無線設備就可以不受角度，方向和障礙物的限制而自由使用。并且采用特定的編碼解碼技術可以防止無線電波的互相干擾，抗干擾能力強。1.2課題研究的意義無線電遙控技術發(fā)展只有幾十年的歷史：本世紀20年代，才剛剛出現(xiàn)無線電遙控的雛形。那時，人們試圖將遙控技術應用于無人駕駛飛機和艦船上，但由于技術不夠完善而未能成功。二次世界大戰(zhàn)以后，無線電遙控技術發(fā)展迅速，并逐漸在軍事、國防、工農業(yè)生產以及科學技術等方面得到廣泛的應用。到現(xiàn)今，隨著電子技術的飛速發(fā)展，新型大規(guī)模遙控集成電路的不斷出現(xiàn)，使得遙控技術有了日新月異的發(fā)展。遙控裝置的中心控制部件已從早期的分立元件、集成電路逐步發(fā)展到現(xiàn)在的單片微型計算機，智能化程度大大提高。近年來，遙控技術在工業(yè)生產、家用電器、安全保衛(wèi)以及人們的日常生活中使用越來越廣泛。在無線遙控領域，目前常用的遙控方式主要有超聲波遙控、紅外線遙控、無線電遙控等。由于無線電波是由發(fā)射點向四面八方傳播，可以穿過阻擋物，而且可以傳播到很遠的距離，因此它的控制可以在很大區(qū)域和空間內實現(xiàn)，成為遙控的主要方式，在國防、軍事、生產、建設和日常生活中有極廣泛的應用。為此，在前人研究的基礎上設計出了一種集成芯片無線電遙控多通道開關系統(tǒng)的設計方法。研究表明，采用該方法設計的遙控開關系統(tǒng)控制方便，適用于含有較多受控電器的場合，可實現(xiàn)多路多功能控制。

2無線多路遙控發(fā)射接收系統(tǒng)設計2.1無線多路遙控發(fā)射接收系統(tǒng)的構成總體結構整個遙控系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)和接收控制系統(tǒng)兩部分組成，而被控對象的LED直接連接在接收單元上，如下：健盤功放」健盤被控設備圖2-1系統(tǒng)總體框圖遙控系統(tǒng)的工作原理是首先通過按鍵編址電路輸入所需控制電路的位號，同時啟動編碼電路產生帶有地址編碼信息和開關狀態(tài)信息的編碼脈沖信號，再通過無線電發(fā)射電路將該信號發(fā)射出去。而無線電接收電路將接收到的編碼脈沖信號通過解碼電路進行編碼地址確認，確認是否為本遙控開關系統(tǒng)地址。如果是則執(zhí)行指令，受控系統(tǒng)工作。如果不是，則被控對象無任何動作。2.2方案論證與比較系統(tǒng)的設計需要由兩部分組成：一是無線信號傳輸部分，二是控制部分。下面分別從這兩個方面闡述方案的設計思想。2.2.1無線信號的傳輸部分（1）調制方式的選擇根據(jù)要求，對象是四盞燈，用LED顯示明滅，被控狀態(tài)采用二進制編碼。由于數(shù)字信號具有豐富的低頻成分，不宜進行無線傳輸，因而需要將基帶信號進行高頻正弦調制，即數(shù)字調制?；镜臄?shù)字調制有三種：即振幅鍵控（ASK），頻率鍵控（FSK）和相位鍵控方式（PSK）。目前用的最多的數(shù)字調制方式是相干2DPSK和非相干FSK。相干2DPSK主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸，而非相干FSK則用于中低速數(shù)據(jù)傳輸中。為了提高抗干擾的能力，同時實現(xiàn)方法比較簡單，載波傳輸采用FSK調制方式。（2） 發(fā)射機主振電路型式的選擇主振可以采用晶體振蕩或LC振蕩。若采用普通晶體倍頻方式，假設為三倍頻，則晶體頻率要低于3.33MHz，在這種情況下難以獲得足夠的頻偏。若采用專用的調頻晶體，價格又太高。因此本設計選擇了變容二極管直接調頻的西勒電路，既可以獲得比較大的頻偏，又可以保證一定的頻率穩(wěn)定度。（3） 發(fā)射機功放電路的選擇功率放大器一般由推動級，中間級和輸出級組成，具體級數(shù)應由所要求的總功率增益而定。假設天線特性阻抗75Q，則在匹配良好條件下天線上的電壓峰一峰值要小于3.5v。一般西勒振蕩器輸出電壓峰一峰值為1V是可以實現(xiàn)的，所以用一級功率放大器應該能滿足要求?？紤]到前后級影響的問題，在振蕩器與功率放大器之間加入一級射隨器，起隔離和激勵的作用。鑒于輸出功率低，兼顧效益，功放管工作狀態(tài)選為甲乙類。（4）接收機解調器通過查閱資料，選擇了摩托羅拉的集成窄帶FM解調芯片MC3361構成解調電路。MC3361的特點為低功耗，低電壓和高靈敏度。2.2.2控制部分控制對象是四盞燈，它們只有兩種開關狀態(tài)：明或滅。因此將其用數(shù)字信號來表示是合理的。四個按鍵開關對應四種控制狀態(tài)。文中采用四位二進制碼表示各種控制狀態(tài)。為了方便碼元的傳輸，需要對碼元進行在編碼（一是進行并串轉換，二是加入一定冗余信息提高可靠性）然后再接收端進行解碼。經(jīng)過查閱資料，MC145026和MC145027是專門設計用于遙控電路中的編碼解碼器。MC145026可以接收四位并行數(shù)據(jù)，在編碼后串行輸出，在每一個編碼周期中，發(fā)送兩次數(shù)據(jù)，以提高可靠性。MC145027解碼器接收串行數(shù)據(jù)，前五位二元碼是地址碼，剩下的為四比特的二元數(shù)據(jù)碼，當接收到的地址碼與本地地址碼相等時，并行輸出數(shù)據(jù)碼。用MC145026和MC145027可以滿足控制信號的編碼與解碼。2.3電路的設計和計算2.3.1模擬部分（1）調頻發(fā)射機（圖2.2上半部分）發(fā)射系統(tǒng)主要由按鍵編址電路、編碼電路、無線電發(fā)射電路組成。發(fā)射系統(tǒng)的電路原理圖見圖2.2。VCCK1±R9L2)33K7/25R5BG3

005050PFVCCK1±R9L2)33K7/25R5BG3

005050PFR7510KnR85.1K圖2.2遙控發(fā)射機電路圖主振級由晶體管BG1與電容C2,C3,C4,C5，變容二級管和電感L1組成西勒振蕩器。振蕩信號由C7弱耦合至射隨器，然后送至功率放大器。功放的工作狀態(tài)為甲乙類，R8,R9給BG3提供偏壓，輸出匹配網(wǎng)絡采用簡單的「型網(wǎng)絡，其中L4與C10和天線等效電容諧振于載頻，L3與L2起阻抗變換作用，以使得輸出功率最大。調頻采用變容二極管電路。在本設計中，調制信號為二元單極性碼，即只有高低兩個電平，所以對調制線性度要求不高。因此本設計采用變容二極管部分接入以及對變容二極管不外加偏壓的電路結構，電路如圖2.3所示。圖2.3變容二極管的結電容Cj為變容二極管的結電容，可以求得Cj對主振電路的接入系數(shù)為P=C5/(C5+Cj)若調制信號引起的結電容變化為AC,則引入主振回路的電容變化量為P?P?^C，可以求得由于此引起的振蕩頻率的變化為△FgR-P?P?AC?Fg/2CN式子中CS^C5-Cj/(C5+Cj)+C4為主振回路的總電容。負號表示AC與AFg的變化相反。本設計中，C5=3pF,Cj=21pF,可得p，W：1,即變容二極管參量的變化對振蕩頻率影響比較小，頻率穩(wěn)定度大大提高。由此引入的問題是如何才能得到足夠的頻偏，也就是如何使變容二極管的結電容變化比較大。解決的辦法是對變容二極管不加反向偏壓。變容二極管是根據(jù)普通二極管內部”PN結”的結電容能隨外加反向電壓的變化而變化這一原理專門設計出來的一種特殊二極管。二極管的PN結具有結電容，當加反向電壓時，阻擋層加厚，結電容減小，所以改變反向電壓的大小可以改變PN結的結電容大小，這樣二極管就可以作為可變電容器用。如圖2.4所示：圖2.4變容二極管結電容變化在不外加反偏壓時可以獲得最大電容變化量。由于無外加偏壓，避免了由偏壓變化引起的頻率漂移，同時簡化了電路。(1)接收機電路如圖2.5、圖2.6所示：如圖所示，接收機的模擬部分可以分為三大模塊：高頻放大電路采用典型電路。影響接收機靈敏度的主要因素是噪聲，表現(xiàn)為信噪比。信噪比越大，表明接收電路的噪聲越小，對靈敏度影響越小。為了提高接收機的靈敏度，使用了低噪聲的三極管2SC763。鑒頻電路采用MC3361。本振為8MHz，。與高放送來的信號進行混頻，產生500KHz的中頻信號。此信號通過窄帶陶瓷濾波器(FL)送回MC3361進行鑒頻。MC3361的外圍元件值的確定參考了MOTOROLALECOMMUNICATIONSDEVICEDATA一書中所給出的MC3361的典型電路，省略了靜噪部分。比較電路。碼型在傳輸過程中可能出現(xiàn)畸變，所以應該通過比較電路使得信號恢復成只有高低電平的數(shù)字信號。這樣，提高了接收機的抗干擾能力，并且與后級數(shù)字電路匹配。比較器門限電壓由鑒頻器輸出經(jīng)過RC低通濾波獲得，其電壓相當于信號中的直流分量電壓。此方法有一定的自適應功能，在實際應用

中表現(xiàn)出比較強的抗干擾能力。<m中表現(xiàn)出比較強的抗干擾能力。<ma.v口L—?DVCCR2240kA1VDDA2VCCR2240kA1VDDA2D6A3D7A4D8A5D9R1VTC1R2/C2VSSDIN45027圖2.6接收機編碼部分電路圖2.3.2數(shù)字系統(tǒng)部分（1） 編碼部分如圖2-2下半部分所示，控制開關為四個。四個按鍵開關對應四種控制狀態(tài)。利用MC145026和MC145027對控制信號進行編碼和解碼，以利于碼元在無線信道中傳輸。MC145026產生占空比隨傳0，傳1改變的單極性碼，一組編碼包括5位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼。在本設計中MC145026有九位輸入端，其中五位是地址碼并且是設定的，即接高電平。另四位為數(shù)據(jù)輸入端。假如MC145026的地址碼是變化的，則可以用一片MC145026控制多片MC145027。（2） 解碼部分如圖2-6所示，在接收端用一片MC145027對解調后的信號進行解碼。而作為被控對象的LED直接連接在MC145027的數(shù)據(jù)輸出管腳。相應的MC145027也有5位地址碼，只有與MC145026地址碼相同的MC145027才會有解碼輸出。這樣，就可以用一片MC145026對應得控制一片MC145027。2.4主要芯片選用MC145026MC145027編解碼模塊由三態(tài)編碼解碼芯片MC145026和MC145027組成，此組芯片是摩托羅拉公司生產的用于通信配對使用的最新芯片。編碼芯片MC145026可對9位輸入信息（地址位A1?A5，數(shù)據(jù)位D6?D9）進行編碼，編碼后每個數(shù)據(jù)位用兩個脈沖表示：“1”編碼為兩個寬脈沖；“0”編碼為兩個窄脈沖；“開路”編碼為一寬脈沖和一窄脈沖交叉。當TE端輸入脈沖上升沿時，編碼后的數(shù)據(jù)流開始由D0串行輸出。對于每9位數(shù)據(jù)信息，可以看作是一個數(shù)據(jù)字，為了提高通信的安全性，編解碼芯片對每個數(shù)據(jù)字發(fā)送兩次，接收兩次。MC145027解碼器用于接收MC145026輸出的編碼數(shù)據(jù)流。當解碼器地址與編碼器地址狀態(tài)相同并連續(xù)收到兩組相同編碼信號時，VT端由低電平跳變?yōu)楦唠娖揭灾甘窘邮沼行?。而當接收到的?shù)據(jù)流地址位與本系統(tǒng)地址設置不同，或是兩次接收的數(shù)據(jù)不同，或是在四個數(shù)據(jù)周期內無信號時，VT端變?yōu)榈碗娖剑藭r

可認為無信號或認為信號不是發(fā)送給本系統(tǒng)的。由于對接收到的信息進行地址識別是由MC145027芯片來完成的，因此，對不是發(fā)送給本系統(tǒng)的信息通常不傳送到并行接口，所以對本系統(tǒng)的工作也就不會造成影響。（1）MC145026的編碼集成編碼器MC145026的引腳功能和外部電路如圖2.7所示：MC14E02SENCODERAi[?[M[A5[MC14E02SENCODERAi[?[M[A5[噸.苒[R7JD7[]WT?91WTO圖2.7MC145026的引腳編碼數(shù)據(jù)流從MC145036的第15管腳串行輸出，順序為A1~A5、D6~D9。Rs，Ctc，Rtc:振蕩器選擇管腳。TE：傳輸使能管腳，低電平有效。Dout:譯碼器輸出管腳。vSS：負電源供給管腳。VDD:正電源供給管腳。A1-A9是地址或數(shù)據(jù)輸入端，當做地址使用時有三個狀態(tài)（高電平，開路，低電平），當作數(shù)據(jù)使用時候有兩種狀態(tài)（高電平，低電平）。Rtc，Ctc的數(shù)值決定MC145026內部時鐘振蕩器的工作頻率f（f=1/2.3RtcCtc）。TE是時鐘振蕩器的工作控制端，當TE為低電平時候，振蕩器工作。Do的輸出編碼信號如圖2.8所示。兩個連續(xù)的寬脈沖（占空比7：1）表示“1”，兩個連續(xù)的窄脈沖（占空比1：7）表示“0”，一寬一窄兩個脈沖表示“開路”。發(fā)送時，先發(fā)送17.5個時鐘周期的低電平，接著依次發(fā)送A1?A2的狀態(tài)編碼，如果A1?A9的狀態(tài)編碼發(fā)送完畢后TE依然是低電平，經(jīng)過24個時鐘周期后再依次發(fā)送A1?A9的狀態(tài)編碼。其編碼的發(fā)送工作不管TE在何時由低電平變?yōu)楦唠娖?，均必須等到當前發(fā)送周期結束以后才能停止。juwuinnrr*juwuinnrr*升察）圖2.8MC145026Do的編碼波形（2）MC145027的解碼MC145027是與MC145026配套使用的解碼器（MC145027/145028）的一種，具有4位數(shù)據(jù)輸出和5位地址編碼，根據(jù)其地址的不同組合可以產生WRN 種不同的地址編碼。根據(jù)其地址的不同組合可以產生35=243種不同的地址編碼°MC145027的引腳功能和外部電路如圖2.9所示，其功能框圖如圖2.10所示。

MC14SQ27/SC413aiDECODERSAt[Ai[3WE郵RiTC|[5ii：uId1,ISII10頂]ii：uId1,ISII10頂]RfCs]DinA1-A5:地址輸入管腳。D「D9:數(shù)據(jù)輸出管腳。din:數(shù)據(jù)輸入管腳。VT：有效傳輸輸出管腳。VDD:正電源供給管腳。圖2.10MC145027譯碼器功能框圖VDD:正電源供給管腳。圖2.10MC145027譯碼器功能框圖MC145027通過RC積分電路來完成寬窄脈沖的識別，圖2.10中，定時元件R1、C1決定對寬窄脈沖的識別°R2、C2是整個發(fā)送周期的辨別定時元件，用以確定各個有效單字。當編碼信號從數(shù)據(jù)輸入端（9腳）輸入時，6腳將出現(xiàn)與9腳相同的信號，該信號經(jīng)R1、C1積分電路積分后由7腳送至數(shù)據(jù)提取電路，數(shù)據(jù)提取電路在輸入信號的每一個上升沿通過檢測7腳的狀態(tài)來判斷輸入的是寬脈沖還是窄脈沖。圖2.11MC1450276腳和7腳的信號波形圖2.11給出了6腳和7腳信號的波形，假定數(shù)據(jù)輸入端輸入的是“開路”編碼(即一個寬脈沖和一個窄脈沖)，寬脈沖開始于t0時刻，結束于t1時刻，窄脈沖開始于t2時刻，結束于t3時刻，整個編碼于t4時刻結束。在此時刻，數(shù)據(jù)提取電路檢測到的7腳電平為高電平，說明上一個脈沖為寬脈沖；此后窄脈沖通過R1給C1充電，在窄脈沖結束時的t3時刻，7腳的電壓為0.74Vcc，在此后的一段時間里C1通過R1放電，在編碼結束的t4時刻，7腳的電壓為0.1Vcc。此時數(shù)據(jù)提取電路檢測到7腳的電平為低電平，說明上一個脈沖為窄脈沖。由此可見MC145027并不是對接收到的脈沖信號直接進行解碼，而是將輸入信號積分后進行解碼，由于積分電路能濾除瞬間的尖脈沖干擾，因此MC145027接收的編碼信號即使受到某種程序的干擾，依然能夠進行正確的解碼，這一點對于環(huán)境復雜的工業(yè)現(xiàn)場特別重要。2.5系統(tǒng)的性能分析2.5.1提高可靠性無線通信的一個關鍵問題是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，這取決于諸多因素，比如頻率選擇，同頻率干擾，傳輸距離和天線的選擇等等。這些在設計無線通信系統(tǒng)時候都必須認真考慮和比較。本系統(tǒng)是一個數(shù)字和模擬相結合的系統(tǒng)，無線射頻的發(fā)射和接收既有模擬電路部分又有數(shù)字電路部分。所以系統(tǒng)必須保證一定的可靠性。在適當提高成本的基礎上盡量選用高可靠性的元器件。MC145026和MC145027就是為了提高信號傳輸?shù)目煽啃远x用的。數(shù)字信號在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產生誤碼，從而使接收端產生信號失真，不清晰等現(xiàn)象。所以通過信道編碼這一環(huán)節(jié)，對數(shù)碼流進行相應的處理，使系統(tǒng)具有一定的糾錯能力和抗干擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。在射頻接收機中，為了降低噪聲含量，減少波形失真度使用MC3361進行鑒頻。使得接收機能高比較完整的清晰的接收信號。2.5.2提高抗干擾性一個無線電系統(tǒng)，常見的干擾有:電臺干擾、工業(yè)干擾、天電干擾和宇宙干擾。電電臺干擾是指其他無線電發(fā)射設備所產生的干擾。工業(yè)干擾是指各種各樣的電器設備所產生的。天電干擾是指大氣中各種電磁現(xiàn)象所引起的干擾。宇宙干擾是指來自于宇宙間各種天體的輻射。為