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无线遥控系统设计 指导老师 何富运课时 36 教师信息 课程性质 目的和任务 本课程为实践类课程 主要目的是实践电子系统设计的基本方法 各种单元电路的设计制作 以及基于单片机 FPGA等技术的电子产品设计与制作 本课程理论联系实际 以实践为主 通过本课程的学习 提高学习积极性 培养工程实践能力 并在实践过程中挖掘创造潜能 课程进度安排 考核方式与成绩评定 将从以下三方面进行考核 1 完成设计任务 符合功能指标要求 2 答辩能够正确回答提问 3 完成设计报告 成绩评定 依据完成设计质量 60 设计报告 30 平时表现 10 按五级分制 优 良 中 及格 不及格 评定 第1讲无线遥控相关知识介绍 第1讲无线遥控相关知识介绍 1 无线遥控简介 WirelessRemoteControl无线遥控器 无线遥控器 顾名思义 就是一种用来远程控制机器的装置 现代的遥控器 主要是由集成电路电板和用来产生不同控制信息的按钮所组成 时至今日 无线遥控器已经在生活中得到了越来越多的应用 给人们带来了极大的便利 随着科技的进步 无线遥控器也扩展到了许多种类 简单来说常见的有2种 一种是家电常用的红外遥控模式 IRRemoteControl 另一种是防盗报警设备 门窗遥控 汽车遥控等常用的无线电遥控模式 RFRemoteControl 两者各有不同的优势 应用的领域也有所区别 2 无线遥控的历史 到底是谁发明出第一个遥控器已不可考 但最早的遥控器之一 是一个叫尼古拉 特斯拉 NikolaTesla 1856 1943 的发明家 他曾经为爱迪生工作 同样被誉为天才发明家 在1898年时开发出来的 美国专利613809号 叫做 MethodandApparatusforControllingMechanismofMovingVehicleorVehicles 最早用来控制电视的遥控器是美国一家叫Zenith的电器公司 这家公司现在被LG收购了 在1950年代发展出来的 一开始是有线的 1955年 该公司发展出一种被称为 Flashmatic 的无线遥控装置 但这种装置没办法分辨光束是否是从遥控器而来 而且也必需对准才可以控制 2 无线遥控的历史 1956年罗伯特 爱德勒 RobertAdler 开发出称为 ZenithSpaceCommand 的遥控器 这也是第一个现代的无线遥控装置 他是利用超声波来调频道和音量 每个按键发出的频率不一样 但这种装置也可能会被一般的超声波所干扰 而且有些人及动物 如狗 听得到遥控器发出的声音 1980年代 发送和接收红外线的半导体装置开发出来时就慢慢取代了超声波控制装置 即使其他的无线传输方式 如蓝牙 持续被开发出来 这种科技直到现在还持续广泛被使用 3 无线遥控器的类型 无线遥控器可以分为红外遥控器和无线电遥控器两大类红外遥控器 IRRemoteControl 是利用波长为0 76 1 5 m之间的近红外线来传送控制信号的遥控设备 特点 不影响周边环境 不干扰其它电器设备 由于其无法穿透墙壁 故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰 电路调试简单 只要按给定电路连接无误 一般不需任何调试即可投入工作 编解码容易 可进行多路遥控 因此 现在红外遥控在家用电器 室内近距离 小于10米 遥控中得到了广泛的应用 3 无线遥控器的类型 无线电遥控器无线电遥控器 RFRemoteControl 是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备 这些信号被远方的接收设备接收后 可以指令或驱动其它各种相应的机械或者电子设备 去完成各种操作 如闭合电路 移动手柄 开动电机 之后再由这些机械进行需要的操作 作为一种与红外遥控器相补充的遥控器种类 在车库门 电动门 道闸遥控控制 防盗报警器 工业控制以及无线智能家居领域得到了广泛的应用 3 无线遥控器的类型 无线电遥控常用的载波频率为315MHz或者433MHz 遥控器使用的是国家规定的开放频段 在这一频段内 发射功率小于10mW 覆盖范围小于100m或不超过本单位范围的 可以不必经过 无线电管理委员会 审批而自由使用 我国的开放频段规定为315MHz 而欧美等国家规定为433MHz 所以出口到欧美等国家的产品应使用433MHz的遥控器 无线电遥控器与红外遥控器的区别 红外遥控和无线遥控是对不同的载波来说的 红外遥控器是用红外线来传送控制信号的 它的特点是有方向性 不能有阻挡 电视机遥控器就是红外遥控器 无线电遥控器是用无线电波来传送控制信号的 它的特点是无方向性 可以不 面对面 控制 距离远 可达数十米 甚至数公里 容易受电磁干扰 在需要远距离穿透或者无方向性控制领域 比如工业控制等等 使用无线电遥控器较易解决 4 红外遥控原理介绍 什么是红外线人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列 依次为红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 其中红光的波长范围为0 62 0 76 m 紫光的波长范围为0 38 0 46 m 比紫光波长还短的光叫紫外线 比红光波长还长的光叫红外线 红外线遥控器就是利用波长0 76 m 1 5 m之间的近红外线来传送控制信号的 4 红外遥控原理介绍 原理简介1 系统框图 4 红外遥控原理介绍 一个键值由 0 和 1 组成的32位二进制码 经38KHz的载频进行二次调制以提高发射效率 达到降低电源功耗的目的 然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射 编码数据 载波 发射 接收解码完成遥控系统的整个过程 4 红外遥控原理介绍 送信 使用者通过遥控器按健将通过解码器纪录的遥控信号 Remoconcode fm 选择 并将此信号与载波信号 fc 调制而成的调制信号 fm fc 通过红外发射二极管将调制信号以红外光的形式发送 受信 通过光电二极管接收到微弱的编码信号后 通过增益放大检波滤波将原来的Remoconcode fc 复原 并向后续的微处理芯片传递信号 由微处理芯片完成控制动作 4 红外遥控原理介绍 2 发射部分 发射部分主要包括 一是按键扫描矩阵 二是专用集成电路 三是红外线发射部分 如图 4 红外遥控原理介绍 按键扫描矩阵按键矩阵由集成电路的扫描输出 输入电路引脚组成横竖交叉矩阵 无键按下时 输入输出互不相连 输入口 即KI 为低电平 当某一键按下时 相应的输入口即有信号送达 使专用集成电路得知哪一个按键被按下 每一个按键对应一组编码 如NEC6121集成电路共有32组不同的编码 NEC6122集成电路则有64组不同的编码 在实际使用中 当两键同时按下时 不输出信号 当然 也有一些电路特设 双键 当指定的双键按下时 它会发出一种指定的信号 4 红外遥控原理介绍 专用集成电路遥控器专用集成电路 俗称发射块 是遥控器的核心部分 一般情况下 一种型号的集成电路只对应一种格式 所谓格式 就是数据码1和0的高低电平的脉宽及组成方式 一种CPU只接收规定的一种格式 现在也有将多种不同格式编码集成在一块电路中 通过外部引脚的接线来选择编码格式 那么它可以适用多种CPU 至于万能遥控器的编码格式不是通过外部接线来选择 而是通过按键的输入信号来设置 4 红外遥控原理介绍 虹微CH1201B QI红外遥控发射芯片 4 红外遥控原理介绍 振荡电路 任何遥控器都有外接振荡电路 晶振频率一般在400 480kHz左右 分频电路 振荡信号经过12次分频后才产生38kHz 480KHz分频为40KHZ 455KHZ分频38KHZ 的载波信号 送到时基产生器和控制电路 由振荡电路送来的信号经过整形 分频等处理 产生了扫描用的时钟信号和控制信号 使集成块内有关电路按统一节拍工作 键盘扫描信号输出电路 按时钟信号的节拍给输出口按时序的先后顺序送出键盘扫描信号 4 红外遥控原理介绍 键盘信号输入电路 根据输入信号的状态和输出扫描电路的状态 判断哪个按键被按下 编码电路 根据扫描输入电路的信号 将相应的标准码从存储单元中取出送至输出控制电路 输出控制电路 将编码信号调制上载波 从发射脚送出 4 红外遥控原理介绍 红外线发射部分该部分由晶体三极管提供功率放大 以足够的功率驱动红外线发光二极管 发射出红外线脉冲信号 4 红外遥控原理介绍 图1 1美国的智能汽车 图1 1美国的智能汽车 4 红外遥控原理介绍 PhotoDiode 从遥控器接收信号并将其转换为电流信号 几nA 10几uA InputStage 将PhotoDiode输出的电流信号转换为容易处理的电压信号 几mV Amplifier 为了信号处理的方便 对电压信号做增益处理 10几 几百mV AGCcontrol 根据信号和噪声的大小 调节增益的幅度 在没有信号时 防止有噪声信号输出 B P F 选择有载波信号对应频率的信号通过 将不必要的噪音信号滤掉的带通滤波器 BandPassFilter WaveformDetector 通过比较器 将载波成分检出 再通过处理将原信号复原 WaveformRectifer 通过施密特触发器 将检波电路检出的波形进行整波 OutPutStage 具有ActiveLow的输出特性 无信号待机状态消耗电流小 可提高产品的信赖性 内部有上拉电阻 通过外部Pull up Pull down电阻 与后续的u comInterface连接容易 4 红外遥控原理介绍 接收电路的红外接收管是一种光敏二极管 使用时要给红外接收二极管加反向偏压 它才能正常工作而获得高的灵敏度红外接收二极管一般有圆形和方形两种 由于红外发光二极管的发射功率较小 红外接收二极管收到的信号较弱 所以接收端就要增加高增益放大电路 接收头是集红外接收 放大 滤波和比较器输出等的模块 性能稳定 可靠 所以 有了一体化接收头 人们不再制作接收放大电路 这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高 4 红外遥控原理介绍 遥控接收的 ReceiverModules 定义和特征 定义 利用内装的光电二极管 接收从遥控器发射出的红外线载波信号 并将光信号转换为电信号 在通过检波放大再把信号发送给CPU 将光信号转换为电信号 将载波信号检出并发给收信的CPU 特征 1 没有机械或者电子接触 即完全无线控制 2 简单的近距离通信 3 30m 3 应用对可见光的光学滤波封装 对外部电磁信号的屏蔽设计 核心芯片的GCC电路 产品具有较强的抗干扰能力 4 使用载波红外信号 日本 32 75KHz 美国 32 75KHz 56 8KHz 中国 38KHz 4 红外遥控原理介绍 5 红外遥控编码简介 目前市面上出现的遥控编码有很多种 但常用的红外遥控编码主要是NEC标准和PHILIPS标准 1 编码格式 现有的红外遥控包括两种方式 PWM 脉冲宽度调制 和PPM 脉冲位置调制 PWM 脉冲宽度调制 以发射红外载波的占空比代表 0 和 1 为了节省能量 一般情况下 发射红外载波的时间固定 通过改变不发射载波的时间来改变占空比 PPM 脉冲位置调制 以发射载波的位置表示 0 和 1 从发射载波到不发射载波为 0 从不发射载波到发射载波为 1 其发射载波和不发射载波的时间相同 都为0 68ms 也就是每位的时间是固定的 5 红外遥控编码简介 2 NEC编码协议 NECProtocol 特征 8bitaddressand8bitcommandlength Addressandcommandaretransmittedtwiceforreliability Pulsedistancemodulation Carrierfrequencyof38kHzBittimeof1 125msor2 25ms 5 红外遥控编码简介 编码芯片有PT2221 PT2222 HT6221 HT6222等 此标准下的发射端所发射的一帧码含有一个引导码 8位用户码 8位用户反码 8位键数据码 8位键数据反码 引导码由一个9ms的高电平和4 5ms的低电平组成 5 红外遥控编码简介 各部分码的作用 引导码用来通知接收器其后为遥控数据 系统码用来区分是哪一机型的数据 接收端依此来判断后续的数据是否为须执行的指令 数据码用来区分是哪一个键被按下 接收端根据数据码做出应该执行什么动作的判断 简码是在持续按键时发送的码 它告知接收端 某键是在被连续地按着 遥控数据传输系统的关键是数据传输的可靠性 为了提高编码的可靠性 NEC标准规定系统码 数据码后分别接着传送一个同样的码或者反码 供误码校验用 5 红外遥控编码简介 NEC编码中 0 和 1 的表示 TheNECprotocolusespulsedistanoceencodingofthebitsEachpulseisa560 slong38kHzcarrierburst about21cycles Alogical 1 takes2 25mstotransmit whilealogical 0 isonlyhalfofthat being1 125ms 5 红外遥控编码简介 当按下持续时间超过108ms时 则发送简码 简码由9ms高电平和2 25ms的低电平组成 来告之接收端是某一个按一直按着 象电视的音量和频道切换键都有此功能 5 红外遥控编码简介 2 PhilipsRC 5Protocol 特征 5bitaddressand6bitcommantdwlength Bi phasecoding 双相位编码 Carrierfrequencyof36kHzConstantbittimeof1 778ms 64cyclesof36kHz 5 红外遥控编码简介 PhilipsRC 5Protocol中 0 和 1 的表示 Allbitsareofequallengthof1 778msinthisprotocol withhalfofthebittimefilledwithaburstofthe36kHzcarrierandtheotherhalfbeingidle Alogicalzeroisrepresentedbyaburstinthefirsthalfofthebittime Alogicaloneisrepresentedbyaburstinthesecondhalfofthebittime 5 红外遥控编码简介 点按键时 控制码在1和0之间切换 若持续按键 则控制码不变 一个全码 起始码 11 控制码 系统码 数据码 如图 6 影响红外接收的噪声源 6 1NoiseSource类型 VcclineRippleNoise R M电源部分的电源脉动噪声 EMINoise 周边电路后周边设备的电磁波噪声 AmbientLightDisturbances 太陽光 照明燈照射的光學噪声 6 2NoiseSignal对R M的影响 在有噪声信号时 会使遥控距离变短 或再无信号时 出现误动作 6 影响红外接收的噪声源 6 3不同NoiseSource类型的解决方案 VcclineRippleNoisea 这是主要的NoiseSource在R M周边的Motornoise 数码管显示驱动等 以及其他周边回路 b Noise解决方案在R MVcc和遥控输入信号的前端 设计一个阻容去偶滤波器 R CDecouplingFilterwithLowerCut offFrequency 一般情况下 使用R 100欧 C 47 F 如果可以确认