简易无线遥控系统设计

四川职业技术学院课程设计1前言1.1 无线遥控技术现状无线遥控，即是在控制端把控制指令以某种编码方式形成易于传输的信号，通过无线传输，在受控端经解码等处理形成相应的控制操作。无线控制方式多种多样，可以根据不同的应用需要采用适宜的方式。各种遥控方式的不同，主要在于信息的编码处理方式和信息的传输方式。所传信息的形式以及信息量的大小决定采用何种信息编码和处理方式，而信息传送的距离决定采用何种传输方式。在编码方式上，目前在简单信息的遥控中常采用的是PCM方式和DTMF方式。这两种方式均具有实现简单、可靠性高的优点。对于复杂以及大量信息的遥控，可以采用相应的信号处理方式，经过适当的信源信道编码以及数字调制等处理来生成易于传输的信号。对于这些编码处理方式，可以根据系统功能需要进行灵活选择。在传输方式上，对于近距离遥控，可以采用基带传输。对于远距离遥控，需要选择适当的调制方式，进行频带传输。目前常用的调制方式有幅度调制，频率调制和相位调制三种。对于不同形式的基带信号，又可以分为模拟调制和数字调制。对于各种调制方式的选择，可以根据基带信号的形式，传输的带宽限制等因素决定。对于无线遥控技术，当前基本上通过以下几种方式实现：红外线遥控方式，无线电遥控方式，超声波遥控方式和声音遥控方式。红外技术出现比较早，成本低，价格也具有优势。红外遥控具有以下优点：控制内容多，抗干扰能力比较强，不会发生任何误动作；响应速度快，不会对其他电器产生干扰从而影响用户使用；体积小，成本低，功耗小，与其他方式比可以降低功耗90%。但是他的缺点也很明显，在使用中需要保证遥控发射器和遥控接收设备处与一定的角度范围，中间不能有任何物品，否则就会阻挡红外线的传输，因为红外线不能穿越砖瓦水泥砌筑的墙体，这在日常使用中经常会造成不便，毕竟用户不希望只能在一定的角度范围内才能对对象进行操作，之外红外线方式也容易受到外界干扰。超声波遥控方式中的超声传感器频带窄，能携带的信息量少，易于受干扰而引起误动作，同时该种方式作用距离短，通用性强可以互换因而不适合在灯具遥控中运用。声音遥控方式通用性强，作用距离短，声音携带的信息量少，易受干扰而引起误动，它适合于像声控电灯开关的场合。无线电作为新一代的信息传送方式，具有绕射和穿透特性，只要在有效工作范围之内，无线设备就可以不受角度，方向和障碍物的限制而自由使用。并且采用特定的编码解码技术可以防止无线电波的互相干扰，抗干扰能力强。1.2 课题研究的意义无线电遥控技术发展只有几十年的历史：本世纪20年代，才刚刚出现无线电遥控的雏形。那时，人们试图将遥控技术应用于无人驾驶飞机和舰船上，但由于技术不够完善而未能成功。二次世界大战以后，无线电遥控技术发展迅速，并逐渐在军事、国防、工农业生产以及科学技术等方面得到广泛的应用。到现今，随着电子技术的飞速发展，新型大规模遥控集成电路的不断出现，使得遥控技术有了日新月异的发展。遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，智能化程度大大提高。近年来，遥控技术在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。在无线遥控领域，目前常用的遥控方式主要有超声波遥控、红外线遥控、无线电遥控等。由于无线电波是由发射点向四面八方传播，可以穿过阻挡物，而且可以传播到很远的距离，因此它的控制可以在很大区域和空间内实现，成为遥控的主要方式，在国防、军事、生产、建设和日常生活中有极广泛的应用。为此，在前人研究的基础上设计出了一种集成芯片无线电遥控多通道开关系统的设计方法。研究表明，采用该方法设计的遥控开关系统控制方便，适用于含有较多受控电器的场合，可实现多路多功能控制。2 无线多路遥控发射接收系统设计2.1 无线多路遥控发射接收系统的构成总体结构整个遥控系统由发射系统和接收控制系统两部分组成，而被控对象的LED直接连接在接收单元上，如下： 图2-1 系统总体框图 遥控系统的工作原理是首先通过按键编址电路输入所需控制电路的位号，同时启动编码电路产生带有地址编码信息和开关状态信息的编码脉冲信号，再通过无线电发射电路将该信号发射出去。而无线电接收电路将接收到的编码脉冲信号通过解码电路进行编码地址确认，确认是否为本遥控开关系统地址。如果是则执行指令，受控系统工作。如果不是，则被控对象无任何动作。2.2 方案论证与比较系统的设计需要由两部分组成：一是无线信号传输部分，二是控制部分。下面分别从这两个方面阐述方案的设计思想。2.2.1 无线信号的传输部分（1）调制方式的选择 根据要求，对象是四盏灯，用LED显示亮灭，被控状态采用二进制编码。由于数字信号具有丰富的低频成分，不宜进行无线传输，因而需要将基带信号进行高频正弦调制，即数字调制。基本的数字调制有三种：即振幅键控（ASK），频率键控（FSK）和相位键控方式（PSK）。目前用的最多的数字调制方式是相干2DPSK和非相干FSK。相干2DPSK主要用于高速数据传输，而非相干FSK则用于中低速数据传输中。为了提高抗干扰的能力，同时实现方法比较简单，载波传输采用FSK调制方式。（2）发射机主振电路型式的选择 主振可以采用晶体振荡或LC振荡。若采用普通晶体倍频方式，假设为三倍频，则晶体频率要低于3.33MHz，在这种情况下难以获得足够的频偏。若采用专用的调频晶体，价格又太高。因此本设计选择了变容二极管直接调频的西勒电路，既可以获得比较大的频偏，又可以保证一定的频率稳定度。（3）发射机功放电路的选择 功率放大器一般由推动级，中间级和输出级组成，具体级数应由所要求的总功率增益而定。假设天线特性阻抗75，则在匹配良好条件下天线上的电压峰峰值要小于3.5。一般西勒振荡器输出电压峰峰值为1V是可以实现的，所以用一级功率放大器应该能满足要求。考虑到前后级影响的问题，在振荡器与功率放大器之间加入一级射随器，起隔离和激励的作用。鉴于输出功率低，兼顾效益，功放管工作状态选为甲乙类。（4）接收机解调器 通过查阅资料，选择了摩托罗拉的集成窄带FM解调芯片MC3361构成解调电路。MC3361的特点为低功耗，低电压和高灵敏度。2.2.2 控制部分控制对象是四盏灯，它们只有两种开关状态：亮或灭。因此将其用数字信号来表示是合理的。四个按键开关对应四种控制状态。文中采用四位二进制码表示各种控制状态。为了方便码元的传输，需要对码元进行在编码（一是进行并串转换，二是加入一定冗余信息提高可靠性）然后再接收端进行解码。经过查阅资料，MC145026和MC145027是专门设计用于遥控电路中的编码解码器。MC145026可以接收四位并行数据，在编码后串行输出，在每一个编码周期中，发送两次数据，以提高可靠性。MC145027解码器接收串行数据，前五位二元码是地址码，剩下的为四比特的二元数据码，当接收到的地址码与本地地址码相等时，并行输出数据码。用MC145026和MC145027可以满足控制信号的编码与解码。2.3 电路的设计和计算2.3.1 模拟部分（1）调频发射机 （图2.2上半部分）发射系统主要由按键编址电路、编码电路、无线电发射电路组成。发射系统的电路原理图见图2.2。 图2. 2 遥控发射机电路图主振级由晶体管BG1与电容C2，C3，C4，C5，变容二级管和电感L1组成西勒振荡器。振荡信号由C7弱耦合至射随器，然后送至功率放大器。功放的工作状态为甲乙类，R8，R9给BG3提供偏压，输出匹配网络采用简单的型网络，其中L4与C10和天线等效电容谐振于载频，L3与L2起阻抗变换作用，以使得输出功率最大。调频采用变容二极管电路。在本设计中，调制信号为二元单极性码，即只有高低两个电平，所以对调制线性度要求不高。因此本设计采用变容二极管部分接入以及对变容二极管不外加偏压的电路结构，电路如图2.3所示。 图2.3 变容二极管的结电容Cj为变容二极管的结电容，可以求得Cj对主振电路的接入系数为P=C5/（C5+Cj）若调制信号引起的结电容变化为C，则引入主振回路的电容变化量为PPC，可以求得由于此引起的振荡频率的变化为 Fg-PPCFg/2C式子中CC5Cj/（C5+Cj）+C4为主振回路的总电容。负号表示C与Fg的变化相反。本设计中，C5=3pF，Cj=21pF，可得p1，即变容二极管参量的变化对振荡频率影响比较小，频率稳定度大大提高。由此引入的问题是如何才能得到足够的频偏，也就是如何使变容二极管的结电容变化比较大。解决的办法是对变容二极管不加反向偏压。变容二极管是根据普通二极管内部 PN结” 的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。二极管的PN结具有结电容，当加反向电压时，阻挡层加厚，结电容减小，所以改变反向电压的大小可以改变PN结的结电容大小，这样二极管就可以作为可变电容器用。如图2.4所示：图2.4变容二极管结电容变化在不外加反偏压时可以获得最大电容变化量。由于无外加偏压，避免了由偏压变化引起的频率漂移，同时简化了电路。（1）接收机 电路如图2.5、图 2.6所示：如图所示，接收机的模拟部分可以分为三大模块： 高频放大电路采用典型电路。影响接收机灵敏度的主要因素是噪声，表现为信噪比。信噪比越大，表明接收电路的噪声越小，对灵敏度影响越小。为了提高接收机的灵敏度，使用了低噪声的三极管2SC763。 鉴频电路采用MC3361。本振为8MHz，。与高放送来的信号进行混频，产生500KHz的中频信号。此信号通过窄带陶瓷滤波器（FL）送回MC3361进行鉴频。MC3361的外围元件值的确定参考了MOTOROLA LECOMMUNICATIONS DEVICE DATA一书中所给出的MC3361的典型电路，省略了静噪部分。 比较电路。码型在传输过程中可能出现畸变，所以应该通过比较电路使得信号恢复成只有高低电平的数字信号。这样，提高了接收机的抗干扰能力，并且与后级数字电路匹配。比较器门限电压由鉴频器输出经过RC低通滤波获得，其电压相当于信号中的直流分量电压。此方法有一定的自适应功能，在实际应用中表现出比较强的抗干扰能力。图2.5 接收机模拟部分电路图图2.6 接收机编码部分电路图2.3.2 数字系统部分（1）编码部分 如图2-2下半部分所示，控制开关为四个。四个按键开关对应四种控制状态。利用MC145026和MC145027对控制信号进行编码和解码，以利于码元在无线信道中传输。MC145026产生占空比随传0，传1改变的单极性码，一组编码包括5位地址码和4位数据码。在本设计中MC145026有九位输入端，其中五位是地址码并且是设定的，即接高电平。另四位为数据输入端。假如MC145026的地址码是变化的，则可以用一片MC145026控制多片MC145027。（2）解码部分如图2-6所示，在接收端用一片MC145027对解调后的信号进行解码。而作为被控对象的LED直接连接在MC145027的数据输出管脚。相应的MC145027也有5位地址码，只有与MC145026地址码相同的MC145027才会有解码输出。这样，就可以用一片MC145026对应得控制一片MC145027。2.4 主要芯片选用MC145026 MC145027编解码模块由三态编码解码芯片MC145026和MC145027组成，此组芯片是摩托罗拉公司生产的用于通信配对使用的最新芯片。编码芯片MC145026可对9位输入信息（地址位A1A5，数据位D6D9）进行编码，编码后每个数据位用两个脉冲表示： “1”编码为两个宽脉冲；“0”编码为两个窄脉冲；“开路”编码为一宽脉冲和一窄脉冲交叉。当TE端输入脉冲上升沿时，编码后的数据流开始由D0串行输出。对于每9位数据信息，可以看作是一个数据字，为了提高通信的安全性，编解码芯片对每个数据字发送两次，接收两次。MC145027解码器用于接收MC145026输出的编码数据流。当解码器地址与编码器地址状态相同并连续收到两组相同编码信号时，VT端由低电平跳变为高电平以指示接收有效。而当接收到的数据流地址位与本系统地址设置不同，或是两次接收的数据不同，或是在四个数据周期内无信号时，VT端变为低电平，此时可认为无信号或认为信号不是发送给本系统的。由于对接收到的信息进行地址识别是由MC145027芯片来完成的，因此，对不是发送给本系统的信息通常不传送到并行接口，所以对本系统的工作也就不会造成影响。（1）MC145026的编码集成编码器MC145026的引脚功能和外部电路如图2.7所示图2.7 MC145026的引脚编码数据流从MC145036的第15管脚串行输出，顺序为A1A5、D6D9。RS，CTC，RTC：振荡器选择管脚。TE：传输使能管脚，低电平有效。Dout：译码器输出管脚。VSS：负电源供给管脚。VDD：正电源供给管脚。A1A9是地址或数据输入端，当做地址使用时有三个状态（高电平，开路，低电平），当作数据使用时候有两种状态（高电平，低电平）。Rtc，Ctc的数值决定MC145026内部时钟振荡器的工作频率f（f=1/2.3RtcCtc）。TE是时钟振荡器的工作控制端，当TE为低电平时候，振荡器工作。Do的输出编码信号如图2.8所示。两个连续的宽脉冲（占空比7：1）表示“1”，两个连续的窄脉冲（占空比1：7）表示“0”，一宽一窄两个脉冲表示“开路”。发送时，先发送17.5 个时钟周期的低电平, 接着依次发送A1A2 的状态编码，如果A1A9 的状态编码发送完毕后TE 依然是低电平,经过24 个时钟周期后再依次发送A1A9 的状态编码。其编码的发送工作不管TE 在何时由低电平变为高电平，均必须等到当前发送周期结束以后才能停止。图2.8 MC145026 Do的编码波形（2）MC145027的解码MC145027 是与MC145026 配套使用的解码器（MC145027/145028）的一种，具有4 位数据输出和5位地址编码，根据其地址的不同组合可以产生种不同的地址编码。根据其地址的不同组合可以产生=243种不同的地址编码。MC145027 的引脚功能和外部电路如图2.9 所示，其功能框图如图2.10 所示。图2.9 MC145027的引脚功能A1-A5：地址输入管脚。D6-D9：数据输出管脚。DIN：数据输入管脚。VT：有效传输输出管脚。VSS：负电源供给管脚。VDD：正电源供给管脚。图2.10 MC145027译码器功能框图MC145027 通过RC积分电路来完成宽窄脉冲的识别，图2.10 中，定时元件R1、C1 决定对宽窄脉冲的识别。R2、C2 是整个发送周期的辨别定时元件，用以确定各个有效单字。当编码信号从数据输入端（9 脚）输入时，6 脚将出现与9脚相同的信号，该信号经R1、C1 积分电路积分后由7 脚送至数据提取电路，数据提取电路在输入信号的每一个上升沿通过检测7脚的状态来判断输入的是宽脉冲还是窄脉冲。图2.11 MC145027 6脚和7脚的信号波形图2.11给出了6 脚和7 脚信号的波形，假定数据输入端输入的是“开路”编码（即一个宽脉冲和一个窄脉冲），宽脉冲开始于t0 时刻，结束于t1 时刻，窄脉冲开始于t2时刻，结束于t3 时刻，整个编码于t4 时刻结束。在此时刻，数据提取电路检测到的7 脚电平为高电平，说明上一个脉冲为宽脉冲；此后窄脉冲通过R1给C1 充电，在窄脉冲结束时的t3 时刻，7 脚的电压为0.74Vcc，在此后的一段时间里C1 通过R1 放电，在编码结束的t4 时刻，7 脚的电压为0.1Vcc。此时数据提取电路检测到7 脚的电平为低电平，说明上一个脉冲为窄脉冲。由此可见MC145027 并不是对接收到的脉冲信号直接进行解码，而是将输入信号积分后进行解码，由于积分电路能滤除瞬间的尖脉冲干扰，因此MC145027 接收的编码信号即使受到某种程序的干扰，依然能够进行正确的解码，这一点对于环境复杂的工业现场特别重要。2.5 系统的性能分析2.5.1 提高可靠性无线通信的一个关键问题是数据传输的可靠性，这取决于诸多因素，比如频率选择，同频率干扰，传输距离和天线的选择等等。这些在设计无线通信系统时候都必须认真考虑和比较。本系统是一个数字和模拟相结合的系统，无线射频的发射和接收既有模拟电路部分又有数字电路部分。所以系统必须保证一定的可靠性。在适当提高成本的基础上尽量选用高可靠性的元器件。MC145026和MC145027就是为了提高信号传输的可靠性而选用的。数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生信号失真，不清晰等现象。所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。在射频接收机中，为了降低噪声含量，减少波形失真度使用MC3361进行鉴频。使得接收机能高比较完整的清晰的接收信号。2.5.2提高抗干扰性一个无线电系统，常见的干扰有:电台干扰、工业干扰、天电干扰和宇宙干扰。电电台干扰是指其他无线电发射设备所产生的干扰。工业干扰是指各种各样的电器设备所产生的。天电干扰是指大气中各种电磁现象所引起的干扰。宇宙干扰是指来自于宇宙间各种天体的辐射。为减少这些千扰，采取了如下措施:选择合适的工作频率，减少由于广播电台对系统造成的干扰。调制方式选用抗干扰强的FSK调制方式。用地线把数字区和模拟区隔离，数字地和模拟地要分离，最后并接到电源地。对于芯片闲置的引脚，在不影响系统的逻辑功能的情况下接地或接电源。布线时，电源线和地线尽量粗。这样不但有利于减少压降，更重要是的是降低 耦合噪声。还应尽量减少回路环的面积，以减少感应噪声。避免90度折线，减少高频噪声发射。3结论本系统设计的最初要求是，通过按键操作，能够实现远距离上的四路控制。被控设备用LED分别代替，LED发光表示被控对象工作。经过以上讨论，本系统基本能够实现这些功能，在发射机与接收机相距1020米的范围内可以进行可靠控制。但是任何一个项目都不是十全十美的，本系统设计时只是出于一种简易的遥控系统设计的思想出发，所以该项目也可以进一步完善。由于在系统开始设计时就考虑了系统以后的扩展问题，因而可以从以下几个方面进行改进： 1）.进一步降低接收器的静态功耗，进一步降低接收器的静态功耗。 2）.增加遥控距离。由于稳定的遥控距离只有在20米之内，依然比较短，所以在保证接受灵敏度和满足用户实际操作的基础上，进一步增加遥控距离。3）.可以把用LED代替的被控对象换成其他元件，比如电扇之类的，并稍微对电路图进行改进，以适应实用的功能。4）.可以对MC145026编码器输入端采用动态地址码输入，以适应更高性能更复杂的系统需要。参考文献1肖景和.无线电遥控组件及其应用电路.人民邮电出版社.2004.2王俊峰.现代遥控技术及应用.人民邮电出版社.2005.3曹志刚现代通信原理M清化大学出版社.1992.4童诗白，模拟电子技术基础第三版，高等教育出版社2001.15阎石，数字电子技术基础第四板，高等教育出版社1998.116高泽溪，现代通信与电子系统实验，北京航空航天大学出版社1996.87郭维，现代通信系统集成电路使用手册，电子土业出版社1995. 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