毕业设计（论文）-基于2.4G的无线遥控台灯的设计与实现.docx

河南农业大学本科生毕业论文 题 目 基于2.4G的无线遥控台灯的 设计与实现 学 院 理学院 专业班级 12级电子信息科学与技术4班 学生姓名 指导教师 撰写日期： 2016年 5月 28日河南农业大学理学院本科毕业论文基于2.4g无线遥控台灯的设计与实现全套设计加扣3012250582 摘要进入21世纪，人类在无线电数据传输领域已经非常成熟，其中2.4G波段在我们的生活中是最常见的一种波段之一，比如蓝牙模块，2.4g无线遥控器等。最近几年，2.4G与我们联系的愈发紧密，相对于红外线、433信号来说，抗干扰性和穿透性更强，以后会越来越多的应用的智能家居中，为人类的生活提供诸多方便。目前市场上有很多专门的2.4G收发芯片，其中上海链接电子设备有限公司设计的LT8900系列是最常用的一款之一。本设计设计选用了LT8920的2.4G芯片，MCU选用台湾应广的PMC153系列，设计一款能够取代红外线的遥控系统。本系统分为收发两个部分，遥控器作为RF发射部分，高亮LED台灯作为RF接收部分。并使用C与汇编语言混合对其编程，使用SPI通信协议。遥控器以2.4G无线信号为载波发射按键码，接收器对2.4G载波进行解密，得出按键码，MCU根据解密得出的按键码对LED进行PWM控制。从而达到无线遥控的目的。关键词：2.4G；PMC153；SPI；PWMDesign and Implementation of 2.4g Wireless Remote Control Lamp BasedHe ZuGuangAbstractIn the 21st century, people in the radio field of data transmission has been very mature, where 2.4G band is one of the most common band in our lives, such as Bluetooth module, 2.4g wireless remote control. In recent years, 2.4G Contacts increasingly close, with respect to the infrared, 433 signals, interference and more penetrating, the future will be more and more smart home application, for human life It provides a lot of convenience. There are many special 2.4G transceiver chip on the market today, which links Shanghai Electronic Equipment Co., Ltd. design LT8900 series is one of the most commonly used one. The design chosen LT8920 design of 2.4G chips, MCU used in Taiwan should be widely PMC153 series, designed to replace an infrared remote control system. The system is divided into two parts transceivers, remote control as an RF transmitter section, highlight LED lamp as RF receiving portion. And use C and assembly language programming mix them, using the SPI communication protocol. 2.4G wireless remote control to key code signal carrier transmitter, the receiver of 2.4G carrier decrypt obtain key code, MCU according to the decryption key code derived from the LED PWM control. So as to achieve the purpose of the wireless remote control.Keywords: 2.4G;PMC153;SPI;PWM目录1绪论11.1 论文研究的背景与目的11.1.1论文研究的背景11.1.2 研究2.4G技术的目的11.2 相关技术的发展现状11.2.1 红外技术11.2.2 蓝牙技术11.2.3 wifi技术11.2.4 Zigbee21.3论文的结构及研究内容21.3.1 论文的结构21.3.2 本文研究的内容21.4 课题研究的方法22 芯片介绍LT892032.1 LT8920芯片简介32.2 LT8920引脚简介32.2.1通信方式42.3 SPI总线协议42.3.1 spi介绍42.3.2 spi功能概述42.3.3 spi数据传输默认格式43 芯片介绍PMC15353.1 MCU-PMC153简介53.2 TX2C简介54 遥控器设计74.1设计要求74.2 原理图设计74.3程序设计85信号处理模块135.1设计要求135.2 原理图设计135.3程序设计136 实验仿真167 总结20参考文献21致谢22221绪论1.1 论文研究的背景与目的1.1.1论文研究的背景当前时代，无线技术飞速发展，Zigbee、蓝牙、2.4G、红外线、wifi等百花齐放，其中2.4G作为一种高速数据传输方式已与我们的生活越发的紧密相连。近几年智能家居炒的愈来愈热，与智能家居密切相关的2.4G会充斥着我们的生活。2.4G抗干扰性比红外线与433信号强，并不需要对准接收源，红外线对不透明物体几乎没有穿透能力，433的在隔了金属外壳后遥控距离不到2米，对于2.4GHz信号，即使隔了铁皮，遥控距离仍能达到十米以上。当人们的物质生活越来越丰富时，2.4G遥控终将会逐渐占领低性能的红外线和433MHz的市场。1.1.2 研究2.4G技术的目的2.4G无线通信技术的发展，其抗干扰性、穿透性无疑是智能家居首选的一种数据传输方案。其实，2.4G无线通信技术早已我们的生活息息相关，比如电脑上常用的无线鼠标和无线键盘、话筒、耳机等等。由于成本问题，在电视机遥控上并不常用，不过，随着技术的发展，成本的降低，以及生活水平的提高，其终将被越来越广泛的接受。1.2 相关技术的发展现状1.2.1 红外技术红外产品，由于数据传输方式简单，不需要独立的红外芯片，所以其成本相对于其他无线技术而言，低了很多。现在市场上的遥控大多还都是红外线遥控，比如电视机、机顶盒、红外感应开关等。1.2.2 蓝牙技术蓝牙传输现在是每部手机的必备，几乎是只要有手机的地方就有蓝牙，还有蓝牙耳机、蓝牙音箱等。其技术也已经非常成熟，其频段也是基于2.4G的频段。1.2.3 wifi技术Wifi技术早在智能手机之前就已经存在很长时间了，由于智能手机的普及，wifi在生活中也相当普及，在手机上网费用如此昂贵的环境下，wifi已经成为城市地区的必备。1.2.4 Zigbee由于推出时间，及成本的原因，在生活中还并不被广泛使用。1.3论文的结构及研究内容1.3.1 论文的结构第一章介绍了无线技术与人们生活的联系，以及几种常见的短距离数据通信方式；第二张介绍了一款2.4g信号收发芯片和SPI通信协议；第三章对PMC153单片机进行简单的介绍；第四章对遥控器设计并深入的研究；第五章主要研究接收模块与PWM波形的输出；第六章对实验结果进行仿真；第七章总结展望。1.3.2 本文研究的内容本文主要涉及了到的研究内容主要有：a) 对2.4G芯片的研究；b) 对SPI通信协议的研究；c) 遥控器的矩阵键盘与程序设计；d) 接收端的接收方式与程序设计；e) 接收端PWM信号的输出；1.4 课题研究的方法本课题通过大量仿真，信号模拟，以及亲自实验，围绕着遥控端与接收端，对2.4G信号传输，SPI数据传输做了系统的研究，并阅读了很多相关资料，部分电路设计参考了LT8920数据手册里的基本电路。最后做出了总结。2 芯片介绍LT89202.1 LT8920芯片简介LT8920 是一款低成本、高集成度的 2.4GHZ 的无线收发芯片，片上集成发射机，接收机，频率综合器，GFSK 调制解调器。发射机支持功率可调，接收机采用数字扩展通信机制，在复杂环境和强干扰条件下，可以达到优良的收发性能。外围电路简单，只需搭配 MCU以及少数外围被动器件。LT8920 传输 GFSK 信号，发射功率最大可以到 6dBm。接收机采用低中频结构，接收灵敏度可以达到-96dBm62.5Kbps。数字信道能量检测可以随时监控信道质量。16片上的发射接收 FIFO 寄存器可以和 MCU 进行通信，存储数据，然后在空中传输。它内置了 CRC， FEC，auto-ack和重传机制，可以大大简化系统设计并优化性能。数字基带支持 4 线 SPI 和 2 线 I2C 接口，此外还有Reset，Pkt_flag, Fifo_flag三个数字接口。为了提高电池使用寿命，芯片在各个环节都降低功耗，芯片最低工作电压可以到 1.9V，在保持寄存器值条件下，最低电流为 1uA。芯片采用 TSSOP16 和 SOP16 封装，符合 RoHS 标准。2.2 LT8920引脚简介图2.1 LT8920 SOP16电路图2.2.1通信方式T8920与MCU有两种通信方式，一种是通过串行外设接口（SPI），另一种通过IIC协议。本文主要研究SPI协议。由于153没有SPI协议，所以本文通过模拟SPI使其进行数据传输。2.3 SPI总线协议2.3.1 spi介绍串行外设接口(SPI)允许芯片与其他设备以半/全双工、同步、串行方式通信。此接口可以被配置成主模式，并为从设备提供通信时钟(SCK)。接口还能以多主配置方式工作。它可用于多种用途，包括带或不带第三根双向数据线的双线单工同步传输，还可使用CRC校验来进行可靠通信。2.3.2 spi功能概述通常MCU与LT8920通过SPI连接需要用到5个端口，如图2.1所示。l SPI_SS（引脚14）：使能 SPI 信号，低有效，也可以使芯片进入 sleep mode。信号方向：输入。l SPI_CLK（引脚15）：内部时钟输出，MCU给2.4G芯片提供时钟。信号方向：输入。l RESET_N（引脚4）：复位。信号方向：输入。l MOSI（引脚1）：数据输入。l MISO（引脚2）：数据输出。2.3.3 spi数据传输默认格式Spi时序如图2.2所示：图2.2 当CKPHA=1时，SPI下降沿采样时序3 芯片介绍PMC1533.1 MCU-PMC153简介图3.1 PMC153封装如图3.1所示，PMC153的封装为SOP14，有一个电源引脚VDD，一个接地GND，12个输入输出引脚，其中复位引脚与PA5共用。3.2 TX2C简介TX2C其实并不是一块芯片，而是PMC153与2.4G芯片封装了一起，封装为双列16引脚的IC，其优点在于，电路板简介、清晰，容易布线。封装内部链接如表3.1，外部封装如图3.2所示。表3.1 PMC153与LT8920引脚对应LT8920PMC153SPI_RESETPB0SPI_MISOPB1SPI_MOSIPB2SPI_SSPB5SPI_CLKPB7图3.2 PMC153与LT8920组合封装后的外部引脚4 遥控器设计4.1设计要求a) 为了以后方便增加功能，要求设计为16个按键；b) 为了能够直观的看到有按键按下，在按键按下时，有一个LED点亮，松开就熄灭；c) 为节省电能，按键松开后进入睡眠模式；d) 为防止异物压住遥控器按键，造成电能损失过快，并且持续发送的射频对其它无线设备的干扰，在按键持续按下10秒后，进入睡眠模式；4.2 原理图设计1) 按键扫描要求a）提出必须16个按键，由于TX2C仅有7个IO口，即使通过矩阵键盘扫描的方式也只有3*4=12个，所以要想达到16个按键，就必须增加一个IO口，显然是不可能的。经过计算，可以把VCC或者GND当作一个IO口使用，这样最多会有4*5=20个按键，但是我们只需要16个，所以就可以只用VCC和GND中的一个，鉴于能用GND就避免使用VCC，以防止漏电，所以我就选择GND作为一个IO口。如图4.1：图4.1 遥控器矩阵键盘排列方式2) 供电系统，如图4.2：同时鉴于IO口没有剩余的原因，把闪烁的LED与其中1个IO口共用，在按键扫描的间隔内使其点亮，由于频率很快所以看不出其闪烁。图4.2 MCU外围基本电路4.3程序设计程序流程图，如图4.3所示：开始定时器初始化，8ms中断一次IO和RF寄存器口初始化按键扫描进入睡眠唤醒无判断按键编号计时10秒YN有IO口有电平变化YN发送对应按键数据图4.3 遥控器程序流程图1) SPI字节写字节写入需要按照时序要求，如图2.2所示。SPI_Write:MOV gcRF_SPIBuf,AgcRF_SPICnt = 8;SPI_WR_8Bit:pSPI_CLK = 1;SLCgcRF_SPIBufT1SNCFpSPI_MOSI = 0;T0SNCFpSPI_MOSI = 1;pSPI_CLK = 0;DZSNgcRF_SPICntGOTOSPI_WR_8BitRET2) SPI寄存器写RF的寄存器都是2个字节，在写入时，必须一个字节一个字节的写，且先写高字节：RF_WriteReg:pSPI_SS = 0;callSPI_WriteA = (gwRF_SPIData$1);高字节写callSPI_WriteA = (gwRF_SPIData$0);低字节写callSPI_WritepSPI_SS = 1;RET3) 根据LT8920对RF初始化配置，即初始化RF寄存器，如图4.4所示：图4.4 LT8920寄存器默认值与初始化建议值4) 载波频率设定：载波频率是通过写入7号寄存器低7位6:0进行设置载波，计算公式：载波频率=2402 + 6:0由于生活中有很多2.4G信号频率，所以我采用了跳频技术，使用6段频率来发送RF数据，在一定的循环间隔后，重新心如7号寄存器的值即可改变载波频率。注意：2452-2474MHz频段的频率干扰严重，尽量避免使用此频段。5) 跳频：发射端，当按键按下后，定时器开始计数，每过8ms向TL8920的7号寄存器低七位写入一个新的数值，每六次一个循环，并把第八位写为1，设置为接收状态，这样，跳频的周期为8*6=48ms。也就是每48ms，遥控器就会以6个频率把按键码发送一遍。接收端，接收端上电，计数器开始计数，每过60ms把7号寄存器的低七位的值更新一次，每6次一个循环，同时把第七位写为1，设置为接收状态。由于发射端的跳频周期为48ms，这样，接收端在60ms内至少能接收到一个信号。这样，通过跳频技术，很大程度上能够解决同频干扰的问题。6) 按键扫描：a) 四个输入口，四个输出口，GND作为输出；b) 输入端口设置为上拉输入，即平时为高电平；c) 输出口轮番输出低电平，注意：必须首先对GND扫描，因为GND无法置为高电平，会影响判断；d) 对输入口扫描，低电平即为按下的按键；e) 最后，把按键码写入RF的FIFO即可。7) 睡眠a) 无按键睡眠：没有检测到按键按下，即可进入睡眠；b) 有按键按下睡眠：检测到有按键按下后，把计数单位清零，开始重新计数，10秒后，如果还能检测到按键按下，就进入睡眠；注意：睡眠之前应该把看门狗关闭，唤醒后开启看门狗，同时，设置一个2ms的延时，以使时钟稳定。5信号处理模块5.1设计要求1) 为了增加抗干扰性，使用跳频技术接收信号；2) 模拟输出PWM控制LED灯亮度；3) 关灯，在开灯后，能够恢复关灯前的亮度；4) 使用上遥控器的四个按键，分别是：a) 开灯；b) 关灯；c) 亮度加；d) 亮度减；5.2 原理图设计接收模块的原理设计比较简单，最小电路加上一个模拟PWM输出的IO口即可。如图5.1所示：图5.1 信号接收电路图5.3程序设计1) 程序流程图，如图5.2所示：开始初始化RF寄存器和IO口定时器初始化，中断间隔3msRF的48寄存器PKT是否为1跳频NY读取FIFO解码接收到的数据开关亮度加亮度减按键处理图5.2信号接收程序流程图2) 定时器初始化：Timer_INIT0:gwT16Init = 256-199;stt16 gwT16Init;$ t16m SYSCLK,/64,bit8; ;4M/64 bit8 1USintrq = 0;inten.2 = 1;engint;gcRF_ChNum = 0;3) 读RF的48号寄存器，判断PKT位是否为1：CheckPKT:bitPKT = 0;gcRF_SPIReg = 48callRF_ReadRegt1sngwRF_SPIData$0.6gotoCHK_PKT_Et0sngwRF_SPIData$1.7gotoCHK_PKT_EbitPKT = 1;CHK_PKT_E:RET4) 模拟PWM：a) 首先设置PWM的基数为256；占空比为pwm_led；b) 定时器设置的10us中断，要让LED在3秒内从0增加到最亮，占空比增加的速度= 3000/256=12ms，所以，按下亮度键时，开始计数，每计数12ms后，清空计数标志，同时把占空比加1；c) 检测到“关按键”时，就把当前LED灯的亮度值存在一个RAM中，并把占空比pwm_led调为0；d) 检测到“开按键”时，把关灯之前存在RAM中的值还给pwm_led；6 实验仿真本次实验中，采用12V直流电源为照明LED供电，3V电池为单片机供电。遥控器也是3V供电。实际测得遥控距离达到40米，符合预期。部分实验拍摄图片如下：图6.1 16按键遥控器图6.2 信号接收电路板（背面）图6.3信号接收电路板（正面）图6.4 3V芯片供电电源图6.5 LED台灯控制演示（1）图6.6 LED台灯控制演示（2）实验结果与分析：（1）在试验中用手机拍照会抖动很厉害，这是由于采用的模拟PWM频率低造成的，由于时钟的限制，模拟PWM频率不能太高，此次实验PWM频率为1KHz。（2）遥控器的睡眠问题，经测得，没按下遥控器，电流仅为1mA，按下后，电流为10mA，按下10s后，电流为1mA，证明遥控器能够正常睡眠。从而节省能耗。7 总结在无线遥控领域，2.4G射频有其独特的优势，2.4GHz作为国际开源频段，不需要许可费用，在世界范围内都被广泛使用，而且很多芯片制造商都推出了针对不同用途的2.4GHz无线射频芯片。本设计采用IDCTEK公司的LT8920无线射频芯片，它具有低功耗、高集成度，发射距离远灯优点，配合多种模式，可以很好的满足无线控制LED灯的需要。本系统以2.4g无线电波作为载体，实现了短距离通信。通过MCU对接收数据的处理，成功对照明LED进行亮度控制。在进行短距离通信时，本系统有其独特的优点，通过实际测试，空旷地方有效控制距离能够达到40米，隔着两度读堵墙测试有效距离为20米。这基本保证了在家庭环境中任意角落对照明设备的有效遥控。此系统的不足之处主要在于两个方面，一是硬件成本高，相对于红外线来说，收发两端成本要比红外线遥控系统23元钱。二是开发难度大，开发难度较红外线要大很多，不仅需要对MCU主芯片进行精心控制，还要对从2,4G芯片进行操作，另外还对2.4g收发信号的天线精心布局，这就造成开发周期长，开发成本高。此系统在后续会有一些改进，目前使用12V电源供电，后续准备对供电系统进行改进，能够使其在220V电压下工作，并且在遥控端加上LED显示器，能够显示电池剩余点亮；另外在接收端增加发射程序，能够把目前的照明亮度反馈给遥控器，从而在LED显示器上显示目前的照明亮度。进入二十一世纪，人们的物质生活逐渐提高，逐渐进入物联网时代。在现如今的第二个十年，无线设备已经充斥着我们的生活，国际很多大公司，如苹果，谷歌，三星，飞利浦等，早就开始了物联网计划。在国内，物联网还是一个新鲜的名词，还没有一家大的公司明确表态要做物联网计划。这是一个机会，现在市面上已经出现了使用网络来控制家用电器的产品，尽管还不成熟，不过，相信在未来的十年内，与智能手机一样，无线射频设备必定与我们的生活息息相关。参考文