基于WirelessUSB技術(shù)的無(wú)線遙控器設(shè)計(jì)

無(wú)線遙控就是利用高頻無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的控制。目前，傳統(tǒng)無(wú)線遙控系統(tǒng)普遍存在同頻干擾和遙控距離小兩大問(wèn)題。主要原因是載頻較低導(dǎo)致帶寬較窄和控制信息以模擬方式傳輸使得同頻干擾可能性的增大。而采用先進(jìn)的2.4 GHz擴(kuò)頻技術(shù)，從理論上講可以讓上百人在同一場(chǎng)地同時(shí)遙控自己的模型而不會(huì)相互干擾．而且在遙控距離方面也頗具優(yōu)勢(shì)，2.4 GHz遙控系統(tǒng)的功率僅僅在100 mW以下，而它的遙控距離可以達(dá)到1以上，而且由于頻率高，天線長(zhǎng)度只有3 cm；另外，可借鑒的商用技術(shù)較多。因此，很有必要將2.4 GHz擴(kuò)頻通信技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線遙控領(lǐng)域。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1采用WirelessUSB技術(shù)簡(jiǎn)介

在2.4 GHz頻段，有許多較為成熟的通信技術(shù)可以借鑒，如藍(lán)牙，Zigbee等。其中WirelessUSB技術(shù)非常值得注意。該技術(shù)由Cypress公司提出，工作在2.4 GHz(ISM)頻段，相對(duì)于其他在2.4 GHz波段使用的無(wú)線短距技術(shù)，成本較低。消除了系統(tǒng)的復(fù)雜性和開(kāi)銷(xiāo)，避免了藍(lán)牙與ZigBee等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案的困擾，方便易用，特別適合于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的設(shè)備小數(shù)據(jù)包通信，而且功耗較低，是適用于2.4 GHz無(wú)線遙控的理想選擇。

1.2遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖及原理

系統(tǒng)分為發(fā)射和接收兩部分，發(fā)射部分由PPM編碼、PPM／PCM轉(zhuǎn)換、擴(kuò)頻和功放等單元組成，接收部分由前置放大、解擴(kuò)、PCM／PPM轉(zhuǎn)換等單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其工作過(guò)程是：在發(fā)射時(shí)，操作遙控設(shè)備的操縱桿，通過(guò)PPM編碼產(chǎn)生一組PPM信號(hào)，經(jīng)過(guò)PPM／PCM轉(zhuǎn)換單元，進(jìn)行時(shí)間采樣量化后，實(shí)現(xiàn)PCM編碼，基帶單元將PCM信號(hào)根據(jù)接口協(xié)議傳到擴(kuò)頻單元中，在擴(kuò)頻單元中，PCM基帶信號(hào)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻后，被調(diào)制到2.4 GHz頻率上，經(jīng)過(guò)功放單元放大后，由天線發(fā)射出去，完成發(fā)射。在接收時(shí)，射頻信號(hào)被安裝在模型上的天線接收到后，經(jīng)過(guò)前置放大器，變?yōu)榈驮肼暦糯笮盘?hào)，送到接收機(jī)的解擴(kuò)單元；在此進(jìn)行射頻信號(hào)的解擴(kuò)和解調(diào)，獲得為PCM基帶信號(hào)，然后送到接收機(jī)PCM／PPM單元，進(jìn)行PCM信號(hào)到PPM信號(hào)的轉(zhuǎn)換，恢復(fù)成PPM模擬信號(hào)輸出到各個(gè)舵機(jī)，完成相應(yīng)的動(dòng)作。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為：工作頻段：2 400～2 483 MHz；信道帶寬：小于或等于1 MHz；擴(kuò)頻方式：直接序列擴(kuò)頻；偽碼長(zhǎng)度：最長(zhǎng)64 chips，Gold碼序列，可用序列進(jìn)行優(yōu)選；數(shù)據(jù)速率：不低于15.625 Kb／s，可達(dá)62.5 Kb／s；信道數(shù)目為79；發(fā)射功率為100 mW；通信距離為1 000 m；接收機(jī)靈敏度：約-95 dBm；調(diào)制方式：高斯頻移鍵控調(diào)制(GFSK)。

2? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1? 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用由Atmel公司生產(chǎn)的AVR單片機(jī)Mega16L和Cypress公司生產(chǎn)的CYRF6936射頻芯片配合工作。Mega 16L完成系統(tǒng)控制以及PPM／PCM／PPM之間的轉(zhuǎn)換功能；CYRF6936完成2.4GHz的擴(kuò)頻調(diào)制以及解擴(kuò)解調(diào)。如圖2所示。

其中，CYRF6936芯片是Cypress公司為配合WirelessUSB LP方案推出的低成本、高集成2.4 GHz直接順序擴(kuò)展頻譜射頻片上系統(tǒng)(SoC)，具有可配置的雙向(接收或發(fā)送)功能；其特點(diǎn)是：工作電流為21 mA；最大發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度為+7 dBm；最大接收靈敏度為-97 dBm；睡眠電流小于1μA；直接擴(kuò)頻序列時(shí)最大速率為250 Kb／s，GFSK時(shí)最大傳輸速率為1 Mb／s；具有自動(dòng)執(zhí)行的程序裝置(ATS)，無(wú)需處理器的介入處理；能提供給微處理器或感應(yīng)器的電源管理裝置(PMU)；具有發(fā)射與接收分離的16 b FIFO數(shù)據(jù)緩存器；具有接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)(RSSI)；睡眠模式下仍可控制SPI接口；工作電壓介于1.8～3.6 V；工作溫度介于攝氏0～70℃。CYRF6936芯片支持4種不同的資料傳輸模式：GFSK模式，8DR模式，DDR模式，SDR模式。模式選擇通過(guò)配置寄存器(0x03)實(shí)現(xiàn)。接收和發(fā)射均采用中斷的方式，共有3種中斷：發(fā)射中斷、接收中斷和喚醒中斷。這些中斷共用一個(gè)IRQ引腳。通過(guò)配置相應(yīng)的寄存器使能發(fā)射或接收中斷，可用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)。

在發(fā)射時(shí)Mega 16L接收PPM信號(hào)并進(jìn)行編碼，隨后送入CYRF6936發(fā)射出去；在接收時(shí)過(guò)程相反，CYRF6936的狀態(tài)設(shè)置以及收發(fā)信號(hào)的交換均通過(guò)SPI口通信實(shí)現(xiàn)。SPI口通信采用雙8位數(shù)據(jù)格式發(fā)送，前8位為讀寫(xiě)方向命令、地址增加模式、地址，后8位為數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)鐘有Mega16L提供。例如，通過(guò)SPI對(duì)寄存器(0x0F)寫(xiě)入FRC END=1和ENDSTATE=000，可以使得CYRF6936進(jìn)入低功耗的睡眠狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)或者接收狀態(tài)時(shí)(通過(guò)設(shè)置寄存器(0x02)或者(0x05)，CYRF6936自動(dòng)從睡眠狀態(tài)中喚醒。

2.2遙控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

遙控系統(tǒng)軟件主要包括對(duì)射頻單元的控制程序、PPM／PCM編碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換的程序。在此采用AVRmega16綜合開(kāi)發(fā)板Ver3.2和AVRStudio來(lái)加快軟件程序開(kāi)發(fā)，并進(jìn)行模擬真實(shí)硬件環(huán)境下的軟件仿真。

2.2.1? 控制程序設(shè)計(jì)

控制程序是控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，程序流程如圖3所示。

2.2.2? 編碼轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

PPM和PCM信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換是采用Mega 16L計(jì)數(shù)器完成的。通常的PPM信號(hào)每幀的持續(xù)時(shí)間不超過(guò)20 ms，同步幀不小于3 ms，各信道幀在1～2 ms之間，如圖4所示。

在發(fā)射時(shí)計(jì)數(shù)器在每一幀數(shù)據(jù)中以10μs為周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)高電平時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，在下一個(gè)高電平出現(xiàn)時(shí)讀數(shù)，并進(jìn)行計(jì)數(shù)器清零，然后轉(zhuǎn)入下一個(gè)計(jì)數(shù)周期。將計(jì)數(shù)器記下的數(shù)進(jìn)行編碼，這就完成了PPM-PCM的編碼轉(zhuǎn)換。在接收時(shí)，通過(guò)PCM信號(hào)的大小通過(guò)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生相應(yīng)長(zhǎng)度的脈沖間隔就恢復(fù)為PPM信號(hào)。

3結(jié)? 語(yǔ)

本文運(yùn)用AVR單片機(jī)Mega 16L作為控制和編譯碼單元和CYRF6936射頻芯片作為射頻單元相配合設(shè)計(jì)得到的一種新的2.4 GHz無(wú)線遙控系統(tǒng)。其不僅具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且發(fā)射功率低、功耗小、發(fā)射距離遠(yuǎn)。對(duì)該方案予以了具體實(shí)現(xiàn)，在室外空曠場(chǎng)地進(jìn)行遙控測(cè)試，配合功放的情況下，該遙控系統(tǒng)有效操作距離可達(dá)到500 m，獲得較滿(mǎn)意的結(jié)果，與傳統(tǒng)無(wú)線遙控系統(tǒng)比較，具有響應(yīng)速度快、精度高和不抖舵的特點(diǎn)。