双音多频遥控论文.doc

双音多频无线遥控摘 要本文主要是围绕双音多频无线遥控的相关理论和实践进行了研究。本文主要内容：根据项目要求提出了双音多频无线短距离遥控的解决方案，给出了硬件设计电路，详细叙述了系统的硬件线路的设计要点和结构。利用双音多频编码技术，将数字信号以无线电波的形式发射出去，再利用MT8870解码器的解码技术将无限接受到的数字信号经74LS47译码器译码出来，以数码管显示的内容来判断译码结果。例如，当按键上的“6”被按下时，则在数码上将会显示数字“6”。关键字：双音多频信号DTMF、按键、编码、译码前 言双音多频DTMF（Dual Tone Multi Frequency）信令，逐渐在全世界范围内使用在按键式电话机上，因其提供更高的拨号速率，迅速取代了传统转盘式电话机使用的拨号脉冲信令。近年来DTMF也应用在交互式控制中，诸如语言菜单、语言邮件、电话银行和ATM终端等。通过软件产生与检测DTMF信令，是一项较有价值的工程应用。DTMF编解码器在编码时将击键或数字信息转换成双音信号并发送，解码时在收到的DTMF信号中检测击键或数字信息的存在性。电话机键盘上每一个键通过如图所示的行频与列频唯一确定。DTMF的编解码方案无需过多的计算量，以目前计算机的运算速度，可以很轻松地实现。在一些大型电视监控系统中，常常需要在多处监控点安装多个摄像机。在监控系统的主控台或分控台处，能对摄像机、云台和防护罩等实施控制，控制云台的转动，能对摄像机调焦距和广角，同时能控制防护罩的雨刷、加温和风扇动作。这么多远距离的控制信号显然不能通过一一对应控制的方式，否则会造成工程成本过大，施工难度增加。为此，选用了编、解码的传输方式进行控制，编、解码方式采用双音多频（DTMF）。DTMF编、解码方式在电话拨号系统中应用非常广泛，其突出的优点是抗干扰能力很强，电视监控系统的具体控制要求是：在主控台或分控台处，将所有控制信号进行DTMF编码，然后发送出去；在监控点处，解码器将DTMF接收进行解码，根据解码内容，做相应控制动作。根据以上要求，设计了以专用DTMF解码集成电路MT8870为核心的解码器。采用双音多频信号作为遥控命令可使可靠性。抗干扰能力得到很大的提高。现有用来产生双音多频信号的集成电路很多，现在所熟悉的按键式电子电话机的内部多使用的“拨号”继承电路的主要功能之一就是用来生成双音多频信号。双音多频可以用线路传输，也可以用无线电传输，早期的模拟手提电话和无绳电话，拨号时向电信局传送的电话号码双音多频信号，就是用无限电方式通过空中传输的。141.总体系统流程图1.1发射电路系统流程图控制输入按键编码电路发射模块接收模块控制输出解码电路1.2接收电路系统流程图2.单元电路设计2.1发射电路发射电路原理图如下图所示，按动对应数字的按键开关经双音多频编码器UM91210集成块编码转换成数字信号经12号脚TONE端传送出去，信号经发射头以无线电波发射出去。MUTE端连接一个发光二极管目的是为了测试按键是否正常工作。2.1.1控制输入端电路芯片的“行线”R1，R2，R3，R4，与键盘的4根“行线”一一对应；“列线”C1，C2，C3，C4，与键盘的4根“列线”一一对应相连。键盘的实际结构如图1所示，原理图如如2所示。例如当按键“1”被按下时，第1行R1与第一列C1相连通，芯片产生信号，UM1210的13号管脚接一个发光二极管（LED）作为指示灯，当有按键按下时，该端将LED的阴极拉向地，而LED的阳极经过一个电阻接线路电压的正极，因此有按键被按下时LED点亮，以此来指示按键操作是否 确实生效。图1图2矩阵键盘2.1.2编码电路2.1.2.1双音多频编码器UM91210芯片介绍 UM91210专为按键设计的CMOS低功耗集成电路，既可产生双音多频信号，又可产生成脉冲拨号，通过其中的1根引脚分别设置为高电平或低电平来进行选择。它从一个晶体振荡器（3.58MHz）用数字合成法导出所需要的双音频，因此具有很高的精确度和稳定性，并且噪声容限高，只需要少量的外围元件，是有线远距离遥控应用中的一种较理想的信号发生器，管脚图如右图所示，引脚功能如下：引脚14: R1R4,行线； 引脚1518： C1C4，列线，行线和列线 作为键的输入端，分别与键盘矩阵的行，列线对应相连；引脚5：HK(低电平有效)，当该端为VDD时，芯片不工作，当该端为VSS时(接地)芯片工作；引脚6:M/B，通过比选择，用于脉冲拨号，作遥控信号发生器时不使用； 图1.1 UM1210管脚引脚7：MS工作方式选择，该端接VDD时工作于脉冲拨号方式，接VSS时作双音多频发生器；引脚8、9：接3.58Hz的晶体；引脚10：VDD，电源正端；引脚11：VSS，电源负端，接地；引脚12：TONE，双音多频信号输出端；引脚13：XMUTE(低电平有效)，当TONE端输出双音信号时该端拉向电位，无双音多频信号发生时该端为高阻状态；引脚14：DP，拨号脉冲输出端，只用于电话拨号。 2.1.2.2发射模块发射模块原理图见下图3DF数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在2585度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。图3发射模块原理图DF发射模块未设编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管Q1,这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。比如用PT2262或者SM5262等编码集成电路配接时，直接将它们的数据输出端第17脚接至数DF数据模块的输入端即可。DF数据模块具有较宽的工作电压范围312V，当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。当发射电压为3V时，空旷地传输距离约2050米，发射功率较小，当电压5V时约100200米，当电压9V时约300500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果。当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。不同的电路参数，有不同的发射功率及发射距离，要想获得较好的发射效果，必须接上天线，天线最好选用25厘米长的导线，远距离传输时最好能够竖立起来，因为无线电信号传输时受很多因素的影响，所以一般实用距离只有标称距离的一半甚至更少。DF数据模块采用ASK方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与DF发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则DF发射模块将不能正常工作。数据电平应接近DF数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。DF发射发射模块最好能垂直安装在主板的边缘，应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影晌。DF模块的传输距离与调制信号頻率及幅度，发射电压及电池容量，发射天线，接收机的灵敏度，收发环境有关。一般在开阔区最大发射距离约800米，在有障碍的情况下，距离会缩短，由于无线电信号传输过程中的折射和反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离。2.2接收电路接收电路原理图如图4图4接收电路原理图接收头接收到发射头发射来的信号以后经MT8870进行解码，通过管脚Q3、Q2、Q1、Q0以数字信号高低电平的形式输出，再通过74LS47译码器的控制端A、B、C、D进行译码使其915号分别输出低电平，数码管显示，证明以接受到信号，实现双音多频的短距离遥控。理论上此设计可以传输50米。2.2.1接收模块发射模块相对应的接收模块常用的有两种：即超再生接收和超外差接收。2.2.2.1超再生检波接收器超再生检波电路实际上是一个受间歇振荡控制的高频振荡器，这个高频振荡器采用电容三点式振荡器，振荡频率和发射器的发射频率相一致。而间歇振荡又是在高频振荡的振荡过程中产生的，反过来又控制着高频振荡器的振荡与间歇。而间歇振荡的频率是由电路的参数决定的（一般为百到几百千赫）。这个频率选低了，电路的抗干扰性能较好，但接收灵敏度较低，反之，频率选高，接收灵敏度较好，但抗干扰性能变差。超再生检波电路有很高的增益，在未收到控制信号时，由于受外界杂散信号的干扰和电路自身的热骚动，产生一种特有的噪声，叫超噪声，这个噪声的频率范围为0.35kHz之间，听起来像流水似的“沙沙”声。在无信号时，超噪声电平很高，经滤波放大后输出噪声电压；当有控制信号到来时，电路谐振，超噪声被抑制，高频振荡器开始产生振荡，输出信号。下图5是常用的超再生接收模块电路原理图，图中Q1等组成高放电路，Q2及相关元件组成超再生检波电路，检出的控制信号经两级运放进行放大处理后，从输出端输出接收到无线信号。图5超再生接收模块电路原理图超外差接收检波接收器超外差式接收电路的工作原理和一般的超外差式收音机的原理相同。它将接收到的信号加以放大，并和本机产生的等幅振荡信号相减，产生一个固定频率的中频信号，这个中频信号的幅度中包含有低频调制的控制信号，将这个中频信号加以两级或三级放大，然后进行检波，将中频信号中所包含的低频指令信息取出，就得到正确的遥控信号。由于中频放大器设有自动增益控制回路，因此，它的增益可以设计得很高而工作十分稳压，这就使得超外差接收机不论对强信号还是弱信号，都能做到基本相同的放大倍数，也正是因为采用了中频放大器，它的信号放大倍数可以达到很大，也就使电路的接收灵敏度大大提高，一般可达到0.1mV左右，与超再生检波电路相比，超外差式接收模块，无论在接收灵敏度上，还是选择性上都有很大的提高，在抗干扰方面更加显著。下图6是用集成电路RX3310作为检波电路的超外差接收模块的原理图。图6超外差接收模块原理图2.2.1.2超外差（内差）模块与超再生模块的应用比较1、两者的成本不一。超外差（内差）类接收模块价格相对来说较高。现在市场上出售的超外差（内差）器件，普遍采用的是3310或3400作为主要器件，同时还必须采用晶体作为本振的时钟，因此生产的成本较高，而超再生模块，普遍采用的是一片双运放芯片358作为数据的放大与整形，因此成本较低；2、两者接收灵敏度不一。从两者的工作原理中，我们可以看出，超外差（内差）模块接收的是两个频率的差值信号，因此在放大环节中可以将通频带做得较窄，这样其灵敏度就可以做得较高，而超再生则不然，他靠的是热噪声信号作为是否接收到数据的判断依据，因此无法做到足够窄的通频带，因此就容易受到外界无线电信号的干扰。3、选型。若在经济允许的前提下，尽量选用超外差（内差）类器件，其抗干扰性能较好。特别是远距离应用时，接收最好选用这类器件。但是这种器件在近距离应用时，会发生信号阻塞现象，即距离很近时，反而无法正确接收信号了，这是由于近距离时，信号强度太强，致使信道阻塞，所以无法完成解调。若在近距离应用时，超外差和超再生模块效果相差不是太明显，因此从降低成本的角度出发，完全可以选用超再生模块。2.2.2解码电路2.2.2.1双音多频解码器MT8870芯片介绍 MT8870是一种常用的双音多频信号译码器，也是一种大规模CMOS集成电路，主要由滤波器、译码器和控制电路三部分组成。管脚图如图7所示，：其管脚功能表如图8所示： 图7 MT8870的管脚图 图8 MT8870管脚功能表外部输入的DTMF信号从-IN端进入运算放大器放大后，进入双音滤波器。双音滤波器是2个6级开关电容构成的高低通滤波器，它能有效地将DTMF信号中的高频群和低频群区分开来。被区分开的高、低频群，再经过各自的滤波器及整形电路后送入译码电路。译码电路由数字检测、编码转换和三态输出电路等几部分组成，数字检测电路采用对输入音频信号进行数字计数方式以确定DTMF信号的频率并核查是否与标准的DTMF信号相一致，在此过程中，采用了一套复杂的算法，对DTMF信号的频率偏差提供一定的容差范围以提高对干扰频率和噪声的抗干扰能力。输入的DTMF信号被检测到后，经编码转换电路进行8-4-2-1编码后送入锁存器锁存。当输出控制端TOE为高电平时，DTMF信号所对应的8-4-2-1编码即出现在Q3Q0端，MT8870芯片内有一系列的控制电路，对接收器的工作进行控制与协调，控制电路对芯片进行如下基本控制： 输入的双音多频信号持续时间足够长（一般要求40ms）时，接收器视为有效并实时地进行接收，否则不接收。 在整个双音多频信号持续期间，对于由于外部干扰等原因造成的瞬间间断，若双音频总持续时间足够长，接收器会排除这些干扰，仍视为有效地进行接收。允许使用者根据本身需要设计芯片外部定时电路。该芯片主要特点为：功耗低，当UDD=5V时，IDD=3Ma;采用外接3.58MHz晶振，外围元减少；音频接收持续时间典型值为40ms，间隔时间40ms；接收信号增益可调；STD端输出信号指示Q0Q3端数据已就绪，因而可作为中断申请或采样控制信号；输入阻抗高（约10M）.其解码功能表如图9所示； 图9 MT8870解码功能表2.2.3控制输出端电路2.2.3.1 74LS47译码器芯片介绍74LS47译码器原理：译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，表2列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系 。74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器， 74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码， 可以直接把数字转换为数码管的显示数字， 从而简化了程序，节约了 单片机的IO开销。 因此是一个非常好的芯片！但是由于目前从节约成本的角度考虑， 此类芯片已较少用， 大部份情况下都是用动态扫描数码管的形式来实现数码管显示。内部逻辑图如图10所示；其管脚图如图11所示： 图10 74LS47逻辑图管脚说明： (1) LT()：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT()=0时，无论输入A3 ，A2 ，A1 ，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。 (2)BI()：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI()=0时。不论LT()和输入A3 ，A2 ，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极7段数码管熄灭。 (3)RBI(-)：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0，但是在RBI(-)=0作用下，使译码器输出全1。其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。 (4)RBO()：灭零输出，它和灭灯输入BI()共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。2.2.3.2 数码管介绍 七段LED数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管如下图所示，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有12 mA，最大极限电流也只有1030 mA，所以它的输入端在5 V电源或高于TTL高电平(3.5 V)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。数码管使用条件a、段及小数点上加限流电阻b、使用电压：段：根据发光颜色决定； 小数点：根据发光颜色决定c、使用电流：静态：总电流 80mA（每段 10mA）；动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA注意事项说明:（）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；（）焊接温度：度；焊接时间：（）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。3.制作与调试3.1设计印刷板图（PCB）印刷板图必须是1：1的透视图，也就是将印刷电路板翻过来，敷铜的一面朝着观察者所看到的图形。设计印刷板图时一般先确定集成电路的位置、各较大元件的位置、接插件或引出线的位置，然后添上各小元件进行联线，各小元件也可结合联线过程一边添入一边联线。3.2敷铜板的处理先裁下一块与印刷板图相同面积的单面敷铜板，用小锉刀锉去边缘毛刺，然后用高密度水砂纸砂渠铜箔上的氧化层，这一过程应加水，直至将氧化层砂除露出明亮均匀的铜本色为止，不能使用颗粒粗的砂纸，不能过分砂除，否则将使铜箔层过薄而影响质量。3.3转印使用转印纸将已设计好的印刷板图“复写”到铜箔上，贴上图纸时应认真确认焊接层（底层）正面视图是朝向观察者的。3.4腐蚀将铜板放入三氯化铁溶液腐蚀。三氯化铁呈浅褐色，可按大约1：2的比例（三氯化铁1 水2）泡制溶液。把待腐蚀的板放入药水中，宜将敷铜的那一面朝下，轻轻地平放下。让它浮在液面上，这种位置腐蚀速度最快，如果将敷铜朝上并沉入液中，那么铜与三氯化铁的反应物必将沉积在铜箔上，导致进一步腐蚀受损，严重影响腐蚀速度和质量。3.5钻孔“复写”好以后，按照图纸上的钻孔位置进行钻孔，一般元件的插孔使用0.8mm0.9mm直径的钻头钻孔，引脚大的元件一般使用1mm1.2mm的钻头钻孔。钻好后用细锉刀锉去板上留下的许多毛刺3.6焊接3.6.1电烙铁的使用新烙铁在使用前，先用细锉刀轻轻地将烙铁头表面的氧化物锉干净，然后接通电源，当烙铁头加热到开始变成紫色时，先在它上面涂一层松香，再将烙铁放到焊锡上轻擦，使烙铁头均匀地图上一层薄薄的锡，对旧烙铁，如果烙铁头表面上有黑色氧化物或出现凹孔都必须用锉刀锉除，然后按新烙铁上锡的方法重新上锡，烙铁用完以后，也要上好锡后才拔出电源。使用烙铁时，不要猛力敲打，以免电阻线或引线震断。3.6.2焊接的注意事项焊接物和焊接点要刮除干净烙铁头温度和焊接时间要适当焊接时，应以烙铁头有锡的一面去接触焊接点的一面。这样传热面大，焊接既好又快，而且不要只接触一个点。焊接点上的焊锡量要适中在焊锡还没有凝固时，切勿移动被焊接的元件或接线，否则焊锡就会凝成砂块附着不牢，造成虚焊。3.6.3产生焊接缺陷的原因 3.6.3.1PCB的设计影响焊接质量在布局上，PCB尺寸过大时，虽然焊接较容易控制，但印刷线条长，阻抗增大，抗噪声能力下降，成本增加;过小时，则散热下降，焊接不易控制，易出现相邻线条相互干扰，如线路板的电磁干扰等情况。因此，必须优化PCB板设计：(1)缩短高频元件之间的连线、减少EMI干扰。(2)重量大的(如超过20g)元件，应以支架固定，然后焊接。(3)发热元件应考虑散热问题，防止元件表面有较大的T产生缺陷与返工，热敏元件应远离发热源。(4)元件的排列尽可能平行，这样不但美观而且易焊接，宜进行大批量生产。电路板设计为43的矩形最佳。导线宽度不要突变，以避免布线的不连续性。电路板长时间受热时，铜箔容易发生膨胀和脱落，因此，应避免使用大面积铜箔。3.6.3.2电路板板孔的可焊性影响焊接质量电路板孔可焊性不好，将会产生虚焊缺陷，影响电路中元件的参数，导致多层板元器件和内层线导通不稳定，引起整个电路功能失效。所谓可焊性就是金属表面被熔融焊料润湿的性质，即焊料所在金属表面形成一层相对均匀的连续的光滑的附着薄膜。影响印刷电路板可焊性的因素主要有：(1)焊料的成份和被焊料的性质。焊料是焊接化学处理过程中重要的组成部分，它由含有助焊剂的化学材料组成，常用的低熔点共熔金属为Sn-Pb或Sn-Pb-Ag。其中杂质含量要有一定的分比控制，以防杂质产生的氧化物被助焊剂溶解。焊剂的功能是通过传递热量，去除锈蚀来帮助焊料润湿被焊板电路表面。一般采用白松香和异丙醇溶剂。(2)焊接温度和金属板表面清洁程度也会影响可焊性。温度过高，则焊料扩散速度加快，此时具有很高的活性，会使电路板和焊料溶融表面迅速氧化，产生焊接缺陷，电路板表面受污染也会影响可焊性从而产生缺陷，这些缺陷包括锡珠、锡球、开路、光泽度不好等。3.6.3.3翘曲影响焊接质量PCB和元器件在焊接过程中产生翘曲，由于应力变形而产生虚焊、短路等缺陷。翘曲往往是由于PCB的上下部分温度不平衡造成的。对大的PCB，由于板自身重量下坠也会产生翘曲。普通的PBGA器件距离印刷电路板约0.5mm，如果电路板上器件较大，随着线路板降温后恢复正常形状，焊点将长时间处于应力作用之下，如果器件抬高0.1mm就足以导致虚焊开路。在PCB产生翘曲的同时，元器件本身也有可能产生翘曲，位于元件中心的焊点被抬离由于形变而使焊膏与焊球连在一起形成短路缺陷。另一个产生短路的原因是回焊过程中元件衬底出现脱层，该缺陷的特征是由于内部膨胀而在器件下面形成一个个气泡，在X射线检测下，可以看到焊接短路往往在器件中部。3.7调试、调试中出现的故障及解决方法 仔细检查电路板没有错误、没有碰线及断线等故障后，插上元件焊接，安装集成电路座时要注意方向，有缺口的一端与集成电路有缺口的一端保持一致，也就是有缺口的一这一端的两个引脚分别是集成电路的第一脚和最后一脚，这样在以后插集成电路时不易差错方向。按键采用微动按钮，这种按钮塑料耐热性能较差，焊接时务必动作迅速，如果引脚受热时间稍长，内部结构将发生变形，导致按钮失灵。安装焊接完毕，用万用表检查按键是否动作可靠，如果正确LED灯亮。用万用表分别测量各个接电源的端口，检查是否有断路故障，确定没有断路故障后，电路接通电源，测量集成电路插座VDD与VSS端之间的电压，应为5V；测量UM91210的13号电压应为0，按动任意按键，LED指示灯均应点亮；用万用表红表笔测量发射头的数据端，检查信号是否发出，若发出万用表应该显示5V左右；若信号发出，则用万用表的红表