基于WirelessUSB技術的無線遙控器設計

無線遙控就是利用高頻無線電波實現對模型的控制。目前，傳統無線遙控系統普遍存在同頻干擾和遙控距離小兩大問題。主要原因是載頻較低導致帶寬較窄和控制信息以模擬方式傳輸使得同頻干擾可能性的增大。而采用先進的2.4 GHz擴頻技術，從理論上講可以讓上百人在同一場地同時遙控自己的模型而不會相互干擾．而且在遙控距離方面也頗具優勢，2.4 GHz遙控系統的功率僅僅在100 mW以下，而它的遙控距離可以達到1以上，而且由于頻率高，天線長度只有3 cm；另外，可借鑒的商用技術較多。因此，很有必要將2.4 GHz擴頻通信技術應用于無線遙控領域。

1系統方案設計

1.1采用WirelessUSB技術簡介

在2.4 GHz頻段，有許多較為成熟的通信技術可以借鑒，如藍牙，Zigbee等。其中WirelessUSB技術非常值得注意。該技術由Cypress公司提出，工作在2.4 GHz(ISM)頻段，相對于其他在2.4 GHz波段使用的無線短距技術，成本較低。消除了系統的復雜性和開銷，避免了藍牙與ZigBee等無線網絡解決方案的困擾，方便易用，特別適合于點對點以及多點對多點的設備小數據包通信，而且功耗較低，是適用于2.4 GHz無線遙控的理想選擇。

1.2遙控系統設計框圖及原理

系統分為發射和接收兩部分，發射部分由PPM編碼、PPM／PCM轉換、擴頻和功放等單元組成，接收部分由前置放大、解擴、PCM／PPM轉換等單元組成，其結構如圖1所示。

其工作過程是：在發射時，操作遙控設備的操縱桿，通過PPM編碼產生一組PPM信號，經過PPM／PCM轉換單元，進行時間采樣量化后，實現PCM編碼，基帶單元將PCM信號根據接口協議傳到擴頻單元中，在擴頻單元中，PCM基帶信號進行直接序列擴頻后，被調制到2.4 GHz頻率上，經過功放單元放大后，由天線發射出去，完成發射。在接收時，射頻信號被安裝在模型上的天線接收到后，經過前置放大器，變為低噪聲放大信號，送到接收機的解擴單元；在此進行射頻信號的解擴和解調，獲得為PCM基帶信號，然后送到接收機PCM／PPM單元，進行PCM信號到PPM信號的轉換，恢復成PPM模擬信號輸出到各個舵機，完成相應的動作。

系統設計指標為：工作頻段：2 400～2 483 MHz；信道帶寬：小于或等于1 MHz；擴頻方式：直接序列擴頻；偽碼長度：最長64 chips，Gold碼序列，可用序列進行優選；數據速率：不低于15.625 Kb／s，可達62.5 Kb／s；信道數目為79；發射功率為100 mW；通信距離為1 000 m；接收機靈敏度：約-95 dBm；調制方式：高斯頻移鍵控調制(GFSK)。

2? 系統實現

2.1? 系統硬件實現

系統使用由Atmel公司生產的AVR單片機Mega16L和Cypress公司生產的CYRF6936射頻芯片配合工作。Mega 16L完成系統控制以及PPM／PCM／PPM之間的轉換功能；CYRF6936完成2.4GHz的擴頻調制以及解擴解調。如圖2所示。

其中，CYRF6936芯片是Cypress公司為配合WirelessUSB LP方案推出的低成本、高集成2.4 GHz直接順序擴展頻譜射頻片上系統(SoC)，具有可配置的雙向(接收或發送)功能；其特點是：工作電流為21 mA；最大發射信號強度為+7 dBm；最大接收靈敏度為-97 dBm；睡眠電流小于1μA；直接擴頻序列時最大速率為250 Kb／s，GFSK時最大傳輸速率為1 Mb／s；具有自動執行的程序裝置(ATS)，無需處理器的介入處理；能提供給微處理器或感應器的電源管理裝置(PMU)；具有發射與接收分離的16 b FIFO數據緩存器；具有接收信號強度指標(RSSI)；睡眠模式下仍可控制SPI接口；工作電壓介于1.8～3.6 V；工作溫度介于攝氏0～70℃。CYRF6936芯片支持4種不同的資料傳輸模式：GFSK模式，8DR模式，DDR模式，SDR模式。模式選擇通過配置寄存器(0x03)實現。接收和發射均采用中斷的方式，共有3種中斷：發射中斷、接收中斷和喚醒中斷。這些中斷共用一個IRQ引腳。通過配置相應的寄存器使能發射或接收中斷，可用于系統的數據收發。

在發射時Mega 16L接收PPM信號并進行編碼，隨后送入CYRF6936發射出去；在接收時過程相反，CYRF6936的狀態設置以及收發信號的交換均通過SPI口通信實現。SPI口通信采用雙8位數據格式發送，前8位為讀寫方向命令、地址增加模式、地址，后8位為數據，數據發送的時鐘有Mega16L提供。例如，通過SPI對寄存器(0x0F)寫入FRC END=1和ENDSTATE=000，可以使得CYRF6936進入低功耗的睡眠狀態。當進入發射狀態或者接收狀態時(通過設置寄存器(0x02)或者(0x05)，CYRF6936自動從睡眠狀態中喚醒。

2.2遙控系統軟件設計

遙控系統軟件主要包括對射頻單元的控制程序、PPM／PCM編碼進行轉換的程序。在此采用AVRmega16綜合開發板Ver3.2和AVRStudio來加快軟件程序開發，并進行模擬真實硬件環境下的軟件仿真。

2.2.1? 控制程序設計

控制程序是控制著整個系統的工作狀態，程序流程如圖3所示。

2.2.2? 編碼轉換程序設計

PPM和PCM信號之間的轉換是采用Mega 16L計數器完成的。通常的PPM信號每幀的持續時間不超過20 ms，同步幀不小于3 ms，各信道幀在1～2 ms之間，如圖4所示。

在發射時計數器在每一幀數據中以10μs為周期進行計數，當出現高電平時開始計數，在下一個高電平出現時讀數，并進行計數器清零，然后轉入下一個計數周期。將計數器記下的數進行編碼，這就完成了PPM-PCM的編碼轉換。在接收時，通過PCM信號的大小通過計數器產生相應長度的脈沖間隔就恢復為PPM信號。

3結? 語

本文運用AVR單片機Mega 16L作為控制和編譯碼單元和CYRF6936射頻芯片作為射頻單元相配合設計得到的一種新的2.4 GHz無線遙控系統。其不僅具有很強的抗干擾能力，而且發射功率低、功耗小、發射距離遠。對該方案予以了具體實現，在室外空曠場地進行遙控測試，配合功放的情況下，該遙控系統有效操作距離可達到500 m，獲得較滿意的結果，與傳統無線遙控系統比較，具有響應速度快、精度高和不抖舵的特點。