基于WirelessUSB技术的无线遥控器设计

 本文运用AVR单片机Mega 16L作为控制和编译码单元和CYRF6936射频芯片作为射频单元相配合设计得到的一种新的2．4 GHz无线遥控系统。

无线遥控就是利用高频无线电波实现对模型的控制。目前，传统无线遥控系统普遍存在同频干扰和遥控距离小两大问题。主要原因是载频较低导致带宽较窄和控制信息以模拟方式传输使得同频干扰可能性的增大。而采用先进的2．4 GHz扩频技术，从理论上讲可以让上百人在同一场地同时遥控自己的模型而不会相互干扰，而且在遥控距离方面也颇具优势，2．4 GHz遥控系统的功率仅仅在100 mW以下，而它的遥控距离可以达到1以上，而且由于频率高，天线长度只有3 cm；另外，可借鉴的商用技术较多。因此，很有必要将2．4 GHz扩频通信技术应用于无线遥控领域。

　　1 系统方案设计

　　1．1 采用WirelessUSB技术简介

　　在2.4 GHz频段，有许多较为成熟的通信技术可以借鉴，如蓝牙，Zigbee等。其中WirelessUSB技术非常值得注意。该技术由Cypress公司提出，工作在2．4 GHz(ISM)频段，相对于其他在2．4 GHz波段使用的无线短距技术，成本较低，消除了系统的复杂性和开销，避免了蓝牙与ZigBee等无线网络解决方案的困扰，方便易用，特别适合于点对点以及多点对多点的设备小数据包通信，而且功耗较低，是适用于2．4 GHz无线遥控的理想选择。

　　1．2 遥控系统设计框图及原理

　　系统分为发射和接收两部分，发射部分由PPM编码、PPM／PCM转换、扩频和功放等单元组成，接收部分由前置放大、解扩、PCM／PPM转换等单元组成，其结构如图1所示。

　　其工作过程是：在发射时，操作遥控设备的操纵杆，通过PPM编码产生一组PPM信号，经过PPM／PCM转换单元，进行时问采样量化后，实现PCM编码，基带单元将PCM信号根据接口协议传到扩频单元中，在扩频单元中，PCM基带信号进行直接序列扩频后，被调制到2．4 GHz频率上，经过功放单元放大后，由天线发射出去，完成发射。在接收时，射频信号被安装在模型上的天线接收到后，经过前置放大器，变为低噪声放大信号，送到接收机的解扩单元；在此进行射频信号的解扩和解调，获得为PCM基带信号，然后送到接收机PCM／PPM单元，进行PCM信号到PPM信号的转换，恢复成PPM模拟信号输出到各个舵机，完成相应的动作。系统设计指标为：工作频段：2 400～2 483 MHz；信道带宽：小于或等于1 MHz；扩频方式：直接序列扩频；伪码长度：最长64 chips，Gold码序列，可用序列进行优选；数据速率：不低于15．625 Kb／s，可达62．5 Kb／s；信道数目为79；发射功率为100 mW；通信距离为1 000 m；接收机灵敏度：约-95 dBm；调制方式：高斯频移键控调制(GFSK)。

　　2 系统实现

　　2．1 系统硬件买现

　　系统使用由Atmel公司生产的AVR单片机Mega16L和Cypress公司生产的CYRF6936射频芯片配合工作。Mega 16L完成系统控制以及PPM／PCM／PPM之间的转换功能；CYRF6936完成2．4GHz的扩频调制以及解扩解调。如图2所示。

　　其中，CYRF6936芯片是Cypress公司为配合WirelessUSB LP方案推出的低成本、高集成2．4 GHz直接顺序扩展频谱射频片上系统(SoC)，具有可配置的双向(接收或发送)功能；其特点是：工作电流为21 mA；最大发射信号强度为+7 dBm；最大接收灵敏度为-97 dBm；睡眠电流小于1μA；直接扩频序列时最大速率为250 Kb／s，GFSK时最大传输速率为1 Mb／s；具有自动执行的程序装置(ATS)，无需处理器的介入处理；能提供给微处理器或感应器的电源管理装置(PMU)；具有发射与接收分离的16 b FIFO数据缓存器；具有接收信号强度指标(RSSI)；睡眠模式下仍可控制SPI接口；工作电压介于1．8～3．6 V；工作温度介于摄氏0～70℃。cYRF6936芯片支持4种不同的资料传输模式：GFSK模式，8DR模式，DDR模式，SDR模式。模式选择通过配置寄存器(Ox03)实现。接收和发射均采用中断的方式，共有3种中断：发射中断、接收中断和唤醒中断。这些中断共用一个IRQ引脚。通过配置相应的寄存器使能发射或接收中断，可用于系统的数据收发。

　　在发射时Mega 16L接收PPM信号并进行编码，随后送入CYRF6936发射出去；在接收时过程相反，CYRF6936的状态设置以及收发信号的交换均通过sPI口通信实现。SPI口通信采用双8位数据格式发送，前8位为读写方向命令、地址增加模式、地址，后8位为数据，数据发送的时钟有Megal6L提供。例如，通过SPI对寄存器(OxoF)写入FRC END=1和ENDSTATE=000，可以使得CYRF6936进入低功耗的睡眠状态。当进入发射状态或者接收状态时(通过设置寄存器(Ox02)或者(Ox05)，CYRF6936自动从睡眠状态中唤醒。

　　2．2 遥控系统软件设计

　　遥控系统软件主要包括对射频单元的控制程序、PPM／PCM编码进行转换的程序。在此采用AVRmegal6综合开发板Ver3.2和AVRStudio来加快软件程序开发，并进行模拟真实硬件环境下的软件仿真。

　　2．2．1 控制程序设计

　　控制程序是控制着整个系统的工作状态，程序流程如图3所示。

　　2．2．2 编码转换程序设计

　　PPM和PCM信号之间的转换是采用Mega 16L计数器完成的。通常的PPM信号每帧的持续时间不超过20 ms，同步帧不小于3 ms，各信道帧在1～2 ms之间，如图4所示。

　　在发射时计数器在每一帧数据中以10μs为周期进行计数，当出现高电平时开始计数，在下一个高电平出现时读数，并进行计数器清零，然后转入下一个计数周期。将计数器记下的数进行编码，这就完成了PPM-PCM的编码转换。在接收时，通过PCM信号的大小通过计数器产生相应长度的脉冲间隔就恢复为PPM信号。

　　3 结 语

　　本文运用AVR单片机Mega 16L作为控制和编译码单元和CYRF6936射频芯片作为射频单元相配合设计得到的一种新的2．4 GHz无线遥控系统。其不仅具有很强的抗干扰能力，而且发射功率低、功耗小、发射距离远。对该方案予以了具体实现，在室外空旷场地进行遥控测试，配合功放的情况下，该遥控系统有效操作距离可达到500 m，获得较满意的结果，与传统无线遥控系统比较，具有响应速度快、精度高和不抖舵的特点。

来自CIO时代网（www.）之作品

PCM是英文pulse-code modulation的缩写，中文的意思是：脉冲编码调制，又称脉码调制。PPM是英文pulse position modulation的缩写，中文意思是：脉冲位置调制，又称脉位调制，这里顺便提一句，有些航模爱好者误将PPM编码说成是FM，其实这是两个不同的概念。前者指的是信号脉冲的编码方式，后者指的是高频电路的调制方式。比例遥控发射电路的工作原理如图1所示。操作通过操纵发射机上的手柄，将电位器组值的变化信息送人编码电路。编码电路将其转换成一组脉冲编码信号（PPM或PCM）。这组脉冲编码信号经过高频调制电路（AM或FM）调制后，再经高放电路发送出去。
目前，比例遥控设备中最常用的两种脉冲编码方式就是PPM和PCM：最常用的两种高频调制方式是FM调频和AM调幅：最常见的组合为PPM/AM脉位调制编码/调幅、PPM/FM脉位调制编码/调频、PPM/FM脉冲调只编码/调频三种形式。通常的PPM接收解码电路都由通用的数字集成电路组成，如CD4013，CD4015等。对于这类电路来说，只要输入脉冲的上升沿达到一定的高度，都可以使其翻转。这样，一旦输入脉冲中含有干扰脉冲，就会造成输出混乱。由于干扰脉冲的数量和位置是随机的，因此在接收机输出端产生的效果就是“抖舵”。除此之外，因电位器接触不好而造成编码波形的畸变等原因，也会影响接收效果，造成“抖舵”。对于窄小的干扰脉冲，一般的PPM电路可以采用滤波的方式消除；而对于较宽的干扰脉冲，滤波电路就无能为力了。这就是为什么普通的PPM比例遥控设备，在强干扰的环境下或超出控制范围时会产生误动作的原因。尤其是在有同频干扰的情况下，模型往往会完全失控。
PPM的编解码方式一般是使用积分电路来实现的，而PCM编解码则是用模/数（A/D）和数/模（D/A）转技术实现的。
首先，编码电路中模/数转换部分将电位器产生的模拟信息转换成一组数字脉冲信号。由于每个通道都由8个脉冲组成，再加上同步脉冲和校核脉冲，因此每个脉冲包含了数十个脉冲信号。在这里，每一个通道都是由8个信号脉冲组成。其脉冲个数永远不变，只是脉冲的宽度不同。宽脉冲代表“1”，窄脉冲代表“0”。这样每个通道的脉冲就可用8位二进制数据来表示，共有256种变化。接收机解码电路中的单片机（单片计算机，下同）收到这种数字编码信号后，再经过数/模转换，将数字信号还原成模拟信号。由于在空中传播的是数字信号，其中包含的信号只代表两种宽度。这样，如果在此种编码脉冲传送过程中产生了干扰脉冲，解码电路中的单片机就会自动将与“0”或“1”脉冲宽度不相同的干扰脉冲自动清除。如果干扰脉冲与“0”或“1”脉冲的宽度相似或干脆将“0”脉冲干扰加宽成“1”脉冲，解码电路的单片机也可以通过计数功能或检验校核码的方式，将其滤除或不予输出。而因电位器接触不良对编码电路造成的影响,也已由编码电路中的单片机将其剔除,这样就消除了各种干扰造成误动作的可能。
PCM编码的优点不仅在于其很强的抗干扰性，而且可以很方便的利用计算机编程，不增加或少增加成本，实现各种智能化设计。例如，将来的比例遥控设备完成可以采用个性化设计，在编解码电路中加上地址码，实现真正意义上的一对一控制。另外，如果在发射机上加装开关，通过计算机编程，将每个通道的256种变化分别发送出来；接收机接收后，再经计算机解码后变成256路开关输出。这样，一路PCM编码信号就可变成256路开关信号。而且，这种开关电路的抗干扰能力相当强，控制精度相当高。从上述可以看出，PCM编码与PPM编码方式相比，具有很大的优越性。虽然以往将这两种编码方式都说成是数子比例遥控设备，但从严格意义上说，只有PCM编码才称得上真正的数字比例遥控。值得指出的是：各个厂家生产的不同型号的PCM比例遥控设备，其编码方式都不相同。因此，同样是PCM设备，只要是不同厂家生产的，即使是相同频率，产生互相干扰也较小，但是会影响控制距离。
在很多航模爱好者心目中，PCM比例遥控设备都是昂贵的高档产品，可望不可及。造成这种现象主要有两种原因，一方面是前些年单片机的价格很高，功能还不够强大；另一方面是进口的PCM比例遥控设备设计的功能很多，造成成本偏高。

在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。
　　在电磁波频率低于100kHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100kHz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频。