擴(kuò)頻通信技術(shù)在遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言     
擴(kuò)頻技術(shù)是指用很大的頻帶寬度（與信號(hào)帶寬的相比）來傳輸信息的技術(shù)。為了擴(kuò)展發(fā)射信號(hào)的頻譜，可使用不同技術(shù)對(duì)所傳的信息進(jìn)行處理，從而產(chǎn)生了不同的擴(kuò)頻調(diào)制類型。常見的擴(kuò)頻類型有：直接序列（DS）、跳頻（FH）、跳時(shí)（TH）和線性調(diào)頻脈沖（Chirp）等；另外，這些技術(shù)也常常組合起來使用，形成組合或混合類型的擴(kuò)頻技術(shù)。以此技術(shù)進(jìn)行信號(hào)的傳輸便形成了擴(kuò)頻通信技術(shù)[1-3]。在許多施工現(xiàn)場(chǎng)，需要一種帶有遙控調(diào)節(jié)的裝置進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作。以在工業(yè)焊接的施工過程為例，目前常用的焊機(jī)遙控器是有線遙控器，即從焊機(jī)引出多芯控制電纜與遙控盒相連，通過遙控盒上的電位器和控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接規(guī)范參數(shù)的調(diào)節(jié)。多芯控制電纜長度一般在50至200米，焊工每次施工前后，都要布線、收線，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大且使焊接現(xiàn)場(chǎng)混亂，不便于管理；另一方面施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較惡劣，多芯電纜很容易磨損或斷裂，以致無法正常工作；同時(shí)過長的控制電纜增加了設(shè)備成本。本文利用擴(kuò)頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電焊機(jī)用載波遙控器很好地解決了上述問題，它以擴(kuò)頻通信芯片SC1128為核心，通過單片機(jī)的控制巧妙地實(shí)現(xiàn)了焊接電流、推力電流、焊接方式等參數(shù)的設(shè)定、顯示、傳輸。該遙控器無控制電纜，攜帶方便，便于施工現(xiàn)場(chǎng)管理 ；焊接電流和推力電流等參數(shù)采用數(shù)字顯示，直觀并且調(diào)整方便，可精確到1安培，焊機(jī)與遙控器之間距離200米以上仍可進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，克服了多芯控制電纜實(shí)際使用中的諸多缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了快速、高精度、靈活、多功能的信號(hào)傳輸控制，解決了遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)牟豢煽啃詥栴}，同時(shí)提供了良好的人機(jī)互動(dòng)界面。       
1  SC1128與單片機(jī)的接口
SC1128第28腳為電路工作主時(shí)鐘的二分之一的晶振輸出(其峰峰值約為4V)，近似正弦波；32腳電壓監(jiān)測(cè)端；33腳看門狗輸入端，正常工作時(shí)應(yīng)該在768mS內(nèi)產(chǎn)生一次高低電位變化；34腳看門狗輸出端，與33腳配合，正常時(shí)輸出低電平，否則輸出三分之一占空比的復(fù)位脈沖；35腳與32腳配合，當(dāng)電源信號(hào)低于監(jiān)測(cè)值時(shí)，輸出低電平，當(dāng)高于監(jiān)測(cè)值，則輸出高電平；36腳收發(fā)控制端，0為接收，1為發(fā)射；37腳在發(fā)射和接收同步后產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，頻率隨工作主時(shí)鐘和周波的變化而變化；38腳為輸出發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)；39腳為設(shè)置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入輸出端；40腳為同步設(shè)置時(shí)鐘輸入端；41腳為片選輸入端。

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數(shù)據(jù)收發(fā)流程:
當(dāng)發(fā)射狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR端（36腳）置高，1128芯片發(fā)出同步頭（37腳），單片機(jī)通過TX端（38腳）同步發(fā)送數(shù)據(jù)。
當(dāng)接收狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR端（36腳）置低，1128芯片若接收到數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生同步頭，通過TX端（38腳）將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到單片機(jī)。
2 載波遙控器設(shè)計(jì)
單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和指令功能都是按工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)，體積小、重量輕、價(jià)格低、功能強(qiáng)；而且數(shù)據(jù)大部分在單片機(jī)內(nèi)部傳送，運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的速度越來越快，功能越來越強(qiáng)[4]。結(jié)合擴(kuò)頻通信芯片SC1128的特點(diǎn)，充分發(fā)揮單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力、邏輯判斷能力和可編程的特點(diǎn)，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)，可完成載波遙控器的各種要求。
2.1載波遙控器設(shè)計(jì)要求
遙控器上可進(jìn)行焊接電流、推力電流選擇，氬弧焊、手工焊焊接方式選擇，焊機(jī)關(guān)閉、啟動(dòng)選擇及這些狀態(tài)的指示；焊接電流、推力電流的設(shè)定值顯示；實(shí)現(xiàn)焊接電流、推力電流的連續(xù)可調(diào)功能；最近一次操作狀態(tài)的記憶功能；接收成功后的反饋信息顯示功能。

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2.2 硬件電路設(shè)計(jì)
 載波遙控器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示?？刂朴布娐返脑O(shè)計(jì)主要考慮功能的完善性、可擴(kuò)展性，人機(jī)界面的靈活性、可操作性。載波遙控器主要由六部分功能電路組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)、顯示器單元、鍵盤單元、接口單元、電源單元和信號(hào)調(diào)制單元。單片機(jī)選用美國SST公司的FLASH型SST89E52RD2。它除了具有8051單片機(jī)的全部功能之外，又增加了許多實(shí)用的資源，可以在線應(yīng)用編程(IAP),省去編程器，協(xié)議自定的遠(yuǎn)程升級(jí)，維護(hù)安全又方便。具有16K的非易失性存儲(chǔ)空間，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，內(nèi)嵌2塊小扇區(qū)的FLASH存儲(chǔ)器，任意一塊可做為數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)器，并且可以省掉外掛的E2ROM，節(jié)省有限的載波遙控器PCB板空間。內(nèi)置的看門狗定時(shí)器，可防止系統(tǒng)的死機(jī)。另外，單片機(jī)SST89E52RD2還具有5通道的可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA),便于以后載波遙控器功能的擴(kuò)展。選用SST單片機(jī)的一個(gè)最大好處是：它具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在MCS51單片機(jī)中，SST的單片機(jī)應(yīng)該說抗干擾能力最好的。信號(hào)調(diào)制單元以擴(kuò)頻通信芯片SC1128為核心，完成各個(gè)設(shè)置參數(shù)的發(fā)送任務(wù)和對(duì)方接收成功的反饋信號(hào)。單片機(jī)將發(fā)送信號(hào)通過串口發(fā)給SC1128將信號(hào)進(jìn)一步處理后，發(fā)給信號(hào)放大器，再經(jīng)過高頻耦合變壓器傳到電焊機(jī)輸出電纜上，安裝在電焊機(jī)中的接收部分將此信號(hào)取出，濾波放大后給SC1128。SC1128和MCU的接口電路上面已經(jīng)做了介紹，如圖2所示。接收部分的工作原理和發(fā)送處是一樣的，這里不再累述。接口單元中由一個(gè)帶通濾波器和對(duì)電焊機(jī)輸出電壓的整流部分組成。這里介紹一個(gè)實(shí)用的濾波器，很適合處在電磁干擾很強(qiáng)的電焊機(jī)使用。該濾波器為帶通濾波器。其不僅要將帶外雜波濾除，還要保證前后級(jí)之間的阻抗匹配，以達(dá)到順利傳遞信號(hào)的目的。由于主晶振的工作頻率不同，載頻也不同；調(diào)制周波數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸速率不同，帶寬也不同。因此，濾波器的參數(shù)在主晶振頻率不同時(shí)也將有所變化的。本文設(shè)計(jì)的載波遙控器選用10MHz的晶振頻率，數(shù)據(jù)速率是1Kbps、四周波調(diào)制、250KHz載頻，帶寬為100KHz(200~300KHz)。對(duì)于載波遙控器的控制信號(hào)而言，1Kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)足夠。

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硬件電路的設(shè)計(jì)注重信號(hào)的隔離、分立元件的參數(shù)選擇、芯片的驅(qū)動(dòng)能力和整個(gè)載波遙控器的可靠性。電源單元做好降壓的同時(shí)，保證盡量減少干擾，選用穩(wěn)壓芯片UPC7805，輸入端加上共扼濾波磁環(huán)，為MCU和SC1128提供穩(wěn)定的供電。因?yàn)檩d波遙控器體積較小，應(yīng)充分考慮散熱問題，在選擇相關(guān)的電阻、電容、晶體管時(shí)，需慎重分析它們?cè)谧畲筘?fù)荷下的功耗參數(shù)。顯示器單元由3位8段共陽數(shù)碼管來完成，和MCU通過74HC573并行傳輸數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)掃描的方式。按鍵選用歐姆龍公司的B3W-1042系列產(chǎn)品，以保證可靠性。
2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
a．軟件部分圍繞單片機(jī)和SC1128的通信來完成，主程序流程圖如圖5所示。

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利用MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、按鍵操作的輸入都是很簡(jiǎn)單、很通用的技術(shù)，這里不再介紹。
b．SC1128和MCU的通信：
SC1128和MCU的連接如圖2所示。SC1128發(fā)射或接收數(shù)據(jù)是通過SR（發(fā)射／接收控制端）、TX（發(fā)射／接收數(shù)據(jù)端）和SYN（發(fā)射／接收同步脈沖端）三個(gè)端進(jìn)行的。SR=0電路處與接收狀態(tài)， SR=1電路處與發(fā)射狀態(tài)。
發(fā)射狀態(tài)：當(dāng)SR=1，發(fā)射／接收同步脈沖端SYN輸出同步脈沖。當(dāng)電路處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，電路內(nèi)部在SYN的上跳沿對(duì)TX端輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，所以外部MCU應(yīng)當(dāng)在SYN的上跳沿保持TX端的數(shù)據(jù)不變化而在SYN的下跳沿可以給出發(fā)射的數(shù)據(jù)。
接收狀態(tài)：當(dāng)SR=0，電路處于接收態(tài)， SYN端不會(huì)立刻輸出同步脈沖，只有當(dāng)電路接收到的數(shù)據(jù)與本電路“同步”之后，SYN端才能輸出同步脈沖。SYN端輸出上跳沿時(shí)接收數(shù)據(jù)從TX端鎖存輸出，并一直保持到下一個(gè)上跳沿，因此MCU應(yīng)在SYN同步脈沖的下跳沿之后從TX端讀出數(shù)據(jù)。           
3. 結(jié)論
     擴(kuò)頻通信芯片SC1128和MCU的結(jié)合應(yīng)用,使得載波遙控器具有很強(qiáng)的抗干擾能力，功能多樣并可進(jìn)行擴(kuò)展，人機(jī)交互界面良好。新技術(shù)的應(yīng)用有效地解決了傳統(tǒng)有線遙控器的缺點(diǎn)，具有很大的推廣價(jià)值。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文利用擴(kuò)頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電焊機(jī)載波遙控器克服了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長距離通信帶來的弊端，實(shí)現(xiàn)了快速、高精度、靈活、多功能的信號(hào)傳輸控制，解決了遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)牟豢煽啃詥栴}，同時(shí)提供了良好的人機(jī)互動(dòng)界面。