基于WirelessUSB技術(shù)的無線遙控器設(shè)計

0 引 言
    無線遙控就是利用高頻無線電波實現(xiàn)對模型的控制。目前，傳統(tǒng)無線遙控系統(tǒng)普遍存在同頻干擾和遙控距離小兩大問題。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。而采用先進的2．4 GHz擴頻技術(shù)，從理論上講可以讓上百人在同一場地同時遙控自己的模型而不會相互干擾，而且在遙控距離方面也頗具優(yōu)勢，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到1以上，而且由于頻率高，天線長度只有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擴頻通信技術(shù)應(yīng)用于無線遙控領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計
1．1 采用WirelessUSB技術(shù)簡介
    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，相對于其他在2．4 GHz波段使用的無線短距技術(shù)，成本較低，消除了系統(tǒng)的復(fù)雜性和開銷，避免了藍牙與ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)解決方案的困擾，方便易用，特別適合于點對點以及多點對多點的設(shè)備小數(shù)據(jù)包通信，而且功耗較低，是適用于2．4 GHz無線遙控的理想選擇。
1．2 遙控系統(tǒng)設(shè)計框圖及原理
    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、擴頻和功放等單元組成，接收部分由前置放大、解擴、PCM／PPM轉(zhuǎn)換等單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其工作過程是：在發(fā)射時，操作遙控設(shè)備的操縱桿，通過PPM編碼產(chǎn)生一組PPM信號，經(jīng)過PPM／PCM轉(zhuǎn)換單元，進行時問采樣量化后，實現(xiàn)PCM編碼，基帶單元將PCM信號根據(jù)接口協(xié)議傳到擴頻單元中，在擴頻單元中，PCM基帶信號進行直接序列擴頻后，被調(diào)制到2．4 GHz頻率上，經(jīng)過功放單元放大后，由天線發(fā)射出去，完成發(fā)射。在接收時，射頻信號被安裝在模型上的天線接收到后，經(jīng)過前置放大器，變?yōu)榈驮肼暦糯笮盘枺偷浇邮諜C的解擴單元；在此進行射頻信號的解擴和解調(diào)，獲得為PCM基帶信號，然后送到接收機PCM／PPM單元，進行PCM信號到PPM信號的轉(zhuǎn)換，恢復(fù)成PPM模擬信號輸出到各個舵機，完成相應(yīng)的動作。系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)為：工作頻段：2 400～2 483 MHz；信道帶寬：小于或等于1 MHz；擴頻方式：直接序列擴頻；偽碼長度：最長64 chips，Gold碼序列，可用序列進行優(yōu)選；數(shù)據(jù)速率：不低于15．625 Kb／s，可達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)實現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)硬件買現(xiàn)
    系統(tǒng)使用由Atmel公司生產(chǎn)的AVR單片機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的擴頻調(diào)制以及解擴解調(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；其特點是：工作電流為21 mA；最大發(fā)射信號強度為+7 dBm；最大接收靈敏度為-97 dBm；睡眠電流小于1μA；直接擴頻序列時最大速率為250 Kb／s，GFSK時最大傳輸速率為1 Mb／s；具有自動執(zhí)行的程序裝置(ATS)，無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；具有接收信號強度指標(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。模式選擇通過配置寄存器(Ox03)實現(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IRQ引腳。通過配置相應(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Mega 16L接收PPM信號并進行編碼，隨后送入CYRF6936發(fā)射出去；在接收時過程相反，CYRF6936的狀態(tài)設(shè)置以及收發(fā)信號的交換均通過sPI口通信實現(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)送的時鐘有Megal6L提供。例如，通過SPI對寄存器(OxoF)寫入FRC END=1和ENDSTATE=000，可以使得CYRF6936進入低功耗的睡眠狀態(tài)。當(dāng)進入發(fā)射狀態(tài)或者接收狀態(tài)時(通過設(shè)置寄存器(Ox02)或者(Ox05)，CYRF6936自動從睡眠狀態(tài)中喚醒。
2．2 遙控系統(tǒng)軟件設(shè)計
    遙控系統(tǒng)軟件主要包括對射頻單元的控制程序、PPM／PCM編碼進行轉(zhuǎn)換的程序。在此采用AVRmegal6綜合開發(fā)板Ver3.2和AVRStudio來加快軟件程序開發(fā)，并進行模擬真實硬件環(huán)境下的軟件仿真。
2．2．1 控制程序設(shè)計
     控制程序是控制著整個系統(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
    PPM和PCM信號之間的轉(zhuǎn)換是采用Mega 16L計數(shù)器完成的。通常的PPM信號每幀的持續(xù)時間不超過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)射時計數(shù)器在每一幀數(shù)據(jù)中以10μs為周期進行計數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)高電平時開始計數(shù)，在下一個高電平出現(xiàn)時讀數(shù)，并進行計數(shù)器清零，然后轉(zhuǎn)入下一個計數(shù)周期。將計數(shù)器記下的數(shù)進行編碼，這就完成了PPM-PCM的編碼轉(zhuǎn)換。在接收時，通過PCM信號的大小通過計數(shù)器產(chǎn)生相應(yīng)長度的脈沖間隔就恢復(fù)為PPM信號。

3 結(jié) 語
    本文運用AVR單片機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)計得到的一種新的2．4 GHz無線遙控系統(tǒng)。其不僅具有很強的抗干擾能力，而且發(fā)射功率低、功耗小、發(fā)射距離遠。對該方案予以了具體實現(xiàn)，在室外空曠場地進行遙控測試，配合功放的情況下，該遙控系統(tǒng)有效操作距離可達到500 m，獲得較滿意的結(jié)果，與傳統(tǒng)無線遙控系統(tǒng)比較，具有響應(yīng)速度快、精度高和不抖舵的特點。