Semtech射頻集成電路在家電遙控器中的應(yīng)用

1.引言

隨。射頻遙控由于具有距離遠(yuǎn)、無(wú)障礙、低功耗、支持更為復(fù)雜的協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的紅外遙控方式。

2.從紅外遙控到射頻遙控

紅外遙控（IR Remote）有超過(guò)二十五年的歷史了，它簡(jiǎn)單且很容易設(shè)計(jì)，一直以來(lái)是控制電子設(shè)備尤其是家用電器的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。

紅外遙控的原理是用電信號(hào)控制或稱為調(diào)制紅外發(fā)光二極管（IR LED）產(chǎn)生肉眼不可見的紅外光，由一個(gè)塑料透鏡將紅外光聚焦成很窄的光束發(fā)射出去。在接收電路中的紅外接收器件則是一個(gè)光敏二極管，把接收到的紅外線轉(zhuǎn)換成電流，然后由接收器中的單片機(jī)對(duì)它解碼。

紅外遙控有很多缺點(diǎn)。首先，紅外線有很強(qiáng)的方向性，不能穿透墻壁、家具、人體等障礙物，也就是說(shuō)，在遙控器和設(shè)備之間不能有上述的這些障礙物的阻擋；其次，紅外線只適于單向的通訊，雙向通訊很難實(shí)施且成本很高。用戶在使用紅外遙控時(shí)，都會(huì)碰到過(guò)以下的問(wèn)題：

-遙控距離不能過(guò)遠(yuǎn)
-遙控角度有限制，遙控器偏離接收器角度過(guò)大就無(wú)法遙控。而現(xiàn)代家庭里越來(lái)越多的遙控家電，它們分散布置在房中，用戶要遙控時(shí)需要先想一想該設(shè)備在哪里
-紅外沒(méi)有穿透性，如果家電在關(guān)著門的柜子里或被別的物體遮擋，將無(wú)法遙控

現(xiàn)在有了新一代的射頻遙控（RF Remote），它使用數(shù)百兆赫茲的無(wú)線電波取代紅外光作為遙控信息的載體，由于它具有無(wú)方向性，可以穿透或繞過(guò)障礙物，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，上述使用紅外遙控存在的種種限制便蕩然無(wú)存。例如家電的擺設(shè)將不再受遙控角度的制約，而完全由用戶的喜好決定，現(xiàn)在看來(lái)機(jī)頂盒可以不放在機(jī)頂上了。

射頻技術(shù)的遙控距離也遠(yuǎn)大于一般的紅外遙控距離（數(shù)米到十米）。在同樣的操控條件下，射頻遙控的距離可以輕松達(dá)到數(shù)十米。根據(jù)不同應(yīng)用需求，可以通過(guò)加大射頻輸出功率來(lái)進(jìn)一步延長(zhǎng)遙控距離。

與紅外遙控相比，射頻遙控還有一個(gè)十分明顯的低功耗優(yōu)勢(shì)。紅外遙控器一般使用兩節(jié)五號(hào)或七號(hào)電池，通常每年要更換一次電池。而射頻遙控器則可以做到四年更換一次電池。由于功耗低，射頻遙控器甚至可以用紐扣電池供電，有利于產(chǎn)品小型化，外觀更時(shí)尚。

使用射頻，也可以輕易地實(shí)現(xiàn)單向或雙向遙控功能。更重要的是，半導(dǎo)體廠商提供成熟的射頻收發(fā)器集成電路，并提供詳盡的參考設(shè)計(jì)，用戶無(wú)需涉及射頻方面的專業(yè)知識(shí)，就可以設(shè)計(jì)自己的射頻遙控器。

在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，射頻遙控器會(huì)被作為一個(gè)很酷很時(shí)尚的賣點(diǎn)很快被消費(fèi)者接受。也許若干年后，當(dāng)你對(duì)孩子們說(shuō)你小時(shí)候的電視機(jī)遙控器要對(duì)著電視機(jī)才能遙控時(shí)，他們會(huì)覺得很驚訝。

3.射頻遙控的市場(chǎng)狀況

隨著低能耗射頻芯片逐步進(jìn)入市場(chǎng)，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司ABI Research最近的研究報(bào)告，從現(xiàn)在到2014年，預(yù)計(jì)射頻遙程控器市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率將達(dá)到55%，射頻遙控最終可能在五年內(nèi)淘汰有幾十年歷史的紅外遙控。

4.Semtech射頻芯片產(chǎn)品

Semtech Corporation是總部位于美國(guó)的全球性模擬與混合信號(hào)半導(dǎo)體器件供應(yīng)商，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用電源管理、保護(hù)、高級(jí)通信、人機(jī)界面、測(cè)試和檢測(cè)、無(wú)線和傳感等商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域。

Semtech 于2005年收購(gòu)了瑞士的XEMICS。XEMICS一直致力于研究和生產(chǎn)低電壓、低功耗芯片，在射頻領(lǐng)域有超過(guò)20年的經(jīng)驗(yàn)，提供各種無(wú)線短距離傳輸、微控制器、傳感器、音頻芯片的解決方案。

Semtech的射頻芯片包括單發(fā)、單收和收發(fā)3個(gè)系列，為個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和家庭及建筑物自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)提供集成的、小范圍的無(wú)線連接解決方案。通過(guò)小范圍的無(wú)線連接，實(shí)現(xiàn)包括家庭自動(dòng)化、遠(yuǎn)程測(cè)量和控制、無(wú)線耳機(jī)等應(yīng)用。

5.SX1230發(fā)送器

SX1230是Semtech的集成ISM頻段(315, 434, 868 和915 MHz)窄帶/寬帶發(fā)送器，可提供兩種工作模式：獨(dú)立模式和單片機(jī)控制模式。該發(fā)送器采用Semtech的TrueRF技術(shù)設(shè)計(jì)，將所有無(wú)線電元件集成于一個(gè)CMOS芯片上，最大程度減少了其他無(wú)源元件的使用。SX1230具有雙功率放大器，射頻輸出功率從-18dBm 到17dBm可編程,比特速率高達(dá)600kbps。支持FSK, GFSK, MSK, GMSK 和 OOK調(diào)制方式。在整個(gè)工作電壓1.8 到 3.7 V范圍內(nèi)均可提供穩(wěn)定的射頻性能。

SX1230在免許可證的315、434、868和915MHz ISM頻段下工作，采用MLPQ- 24 (4x4)封裝，具有自動(dòng)化PLL校準(zhǔn)功能并完全集成了VCO和環(huán)路濾波器。

SX1230可用在RKE，遙控和安全系統(tǒng)，語(yǔ)音和數(shù)據(jù)RF通信鏈接，過(guò)程以及建筑物/家庭控制、RFID和自動(dòng)抄表等。


圖 1：SX1230 簡(jiǎn)化框圖


5.1.獨(dú)立模式

當(dāng)E2_MODE引腳接高電平時(shí)，SX1230工作于獨(dú)立模式（Stand Alone Mode）。芯片配置參數(shù)以及每個(gè)按鍵的RF數(shù)據(jù)包格式都事先定義在一片外置的EEPROM中，SX1230作為SPI主機(jī)將這些配置讀入。

圖 2：獨(dú)立模式應(yīng)用電路圖

PB(3:0)是按鍵接口，如果使用二極管編碼電路，最多可以支持15個(gè)按鍵。平時(shí)SX1230處于睡眠狀態(tài)，按鍵動(dòng)作將喚醒芯片并進(jìn)行去抖，然后發(fā)送該按鍵對(duì)應(yīng)的RF數(shù)據(jù)包，完成后再回到睡眠狀態(tài)。

獨(dú)立模式適用于低成本、按鍵數(shù)目不多、RF數(shù)據(jù)包格式相對(duì)簡(jiǎn)單的遙控器方案。

5.2.單片機(jī)控制模式

當(dāng)E2_MODE引腳接高電平時(shí)，SX1230工作于單片機(jī)控制模式（MCU Mode）。SX1230作為SPI從機(jī)受外部單片機(jī)的控制，根據(jù)應(yīng)用的不同，SX1230最少只需3線連接至單片機(jī)即可工作。


圖 3：MCU模式應(yīng)用電路圖

SX1230和單片機(jī)的接口分為SPI和RF兩部分，單片機(jī)通過(guò)SPI接口對(duì)SX1230進(jìn)行參數(shù)配置；通過(guò)RF接口發(fā)送數(shù)據(jù)包。其它工作包括按鍵、顯示、建立數(shù)據(jù)包等均由單片機(jī)完成。

單片機(jī)控制模式適用于按鍵數(shù)目較多、RF協(xié)議或數(shù)據(jù)包格式較復(fù)雜的遙控器方案。

6.SX1210/13接收器

SX1210/13是Semtech的集成UHF頻段接收器。SX1210用于868MHz、915MHz頻段，而SX1213用于433MHz頻段，其它各參數(shù)完全相同且管腳兼容。SX120/13的接收電流不到3mA，為業(yè)界最低，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，接收電流要低6倍。設(shè)計(jì)應(yīng)用于無(wú)線報(bào)警器、安全，家庭自動(dòng)化中的傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及自動(dòng)化抄表領(lǐng)域。

該器件支持FSK數(shù)據(jù)速率為1.56~200kbps，OOK數(shù)據(jù)速率高達(dá)32kbps。25kbps時(shí)FSK調(diào)制的接收器靈敏度為 -107dBm；2kbps時(shí)OOK接收器靈敏度為-113dBm。此外，該芯片符合歐洲(ETSI EN 300-220 V2.1.1)和南美(FCC Part 15.247和15.249)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。所有主要的RF通信參數(shù)是可編程的，其中大部分可以動(dòng)態(tài)設(shè)置。
器件采用TQFN-32 (5x5)封裝，還具有接收同步字識(shí)別、曼切斯特解碼和數(shù)據(jù)去白化、CRC校驗(yàn)，以及用于接收數(shù)據(jù)、時(shí)鐘同步和恢復(fù)的內(nèi)置位同步器。


圖 4：SX1210/13簡(jiǎn)化框圖

7.應(yīng)用實(shí)例

7.1.獨(dú)立模式遙控器

對(duì)于一些按鍵較少的家電遙控器，SX1230的單獨(dú)模式提供了一個(gè)很好的解決方案。通過(guò)二極管編碼電路，最多可以實(shí)現(xiàn)15個(gè)按鍵；如果要求的按鍵少于4個(gè)，還可以直接使用SX1230提供的4個(gè)按鍵接口引腳。


圖 5：15鍵獨(dú)立模式遙控器電路圖

7.2.單片機(jī)控制模式遙控器

當(dāng)遙控器的應(yīng)用要求多于15個(gè)按鍵或RF協(xié)議、數(shù)據(jù)包比較復(fù)雜時(shí)，可以使用SX1230的單片機(jī)模式實(shí)現(xiàn)。下圖顯示了一個(gè)電路板尺寸是4x22cm的42鍵遙控器樣機(jī)照片，這個(gè)遙控器同時(shí)兼容紅外方式。


圖 6：42鍵單片機(jī)模式遙控器樣機(jī)電路板

8.結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了Semtech的射頻集成電路SX1230、SX1210/13在家電遙控器中的應(yīng)用。由于Semtech的射頻集成電路具有外圍電路簡(jiǎn)單、功耗低、射頻參數(shù)用戶可編程、支持多種調(diào)制模式、生產(chǎn)中免調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，用戶無(wú)需掌握專業(yè)的射頻相關(guān)知識(shí)也可以開發(fā)出性能穩(wěn)定可靠的射頻應(yīng)用。