多路開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計

相對于有線遙控，無線遙控不受距離的影響，完全消除了拖纜式遙控裝置所帶來的故障隱患，給人們的日常工作和生活帶來了更多的便利。隨著數(shù)字處理技術(shù)的快速發(fā)展，無線數(shù)字通信技術(shù)日趨成熟，其抗干擾能力強(qiáng)和易于對數(shù)字信號進(jìn)行各種處理等優(yōu)點(diǎn)，使得無線遙控系統(tǒng)的抗干擾性能逐步提高，安全性能大大改善。目前的無線遙控領(lǐng)域主要有超聲波遙控、紅外線遙控及無線電遙控。相對于超聲波遙控和紅外線遙控，無線電遙控是利用無線電信號在空氣中傳播，根據(jù)無線電波的頻率來遙控，可穿透一定的障礙物，傳播距離較遠(yuǎn)，因此成為無線遙控領(lǐng)域的首選，在國防、軍事、科研和日常工作生活領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。

采用Silicon Laboratories 研制的無線發(fā)射芯片Si4010、無線接收芯片Si4313和C8051F920 單片機(jī)設(shè)計并制作的頻率為433.92 MHz 的無線電遙控多路開關(guān)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，控制方便，適用于含有較多受控電器的場合，并可實(shí)現(xiàn)多路多功能控制。

1 系統(tǒng)工作原理

無線電遙控多路開關(guān)系統(tǒng)由無線電發(fā)射電路和無線電接收控制電路兩大部分組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

開關(guān)系統(tǒng)工作原理是首先通過按鍵電路輸入所需控制開關(guān)電路的位號，同時啟動指令編碼電路，指令編碼電路在內(nèi)部電路的控制下產(chǎn)生帶有地址編碼信息和開關(guān)狀態(tài)信息的編碼脈沖信號，該脈沖信號對載波信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后載波信號經(jīng)放大和調(diào)諧由射頻發(fā)射電路發(fā)射出去。無線電接收電路接收到載波調(diào)制信號后，由解調(diào)解碼電路對載波調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)得到編碼脈沖信號，再進(jìn)行編碼地址確認(rèn)，確認(rèn)是否為本遙控開關(guān)系統(tǒng)地址。如果所接收到的信號地址碼與本機(jī)地址編碼相同，則對編碼脈沖信號進(jìn)行譯碼并輸出數(shù)據(jù)，由單片機(jī)電路控制相應(yīng)的開關(guān)電路動作。否則，不進(jìn)行譯碼，單片機(jī)控制電路不響應(yīng)，開關(guān)電路無任何動作。

2 硬件介紹

2.1 Si4010 簡介

Silicon Laboratories 的Si4010 射頻發(fā)射器為單芯片遙控IC，僅需一個外部旁路電容、一塊印制電路板、電池和一個帶按鍵的外殼便能構(gòu)成完整的無線電遙控器。采用專利高可靠性的無晶體振蕩器架構(gòu)，無需外部時鐘源，也不受沖擊和震動影響。其載波頻率精確度在商業(yè)溫度范圍內(nèi)為±150 ppm，在工業(yè)溫度范圍內(nèi)則可達(dá)±250 ppm，它的精確度比傳統(tǒng)的(SAW)發(fā)射器高出兩倍，且無需使用外部晶體振蕩器。具備自動天線調(diào)諧，該功能可最大化發(fā)射距離，提供穩(wěn)定的輸出功率，有效減少對遙控器的不利影響。包含一個嵌入式兼容8051 微控制器，內(nèi)具1 個4 kB 的RAM、1 個8 kB 的一次性編程(OTP)非易失性內(nèi)存、1 個128 位EEPROM 以及用于函數(shù)庫(library)功能的12 kB ROM，該微控制器上的數(shù)字外圍功能包括觸控喚醒GPIO、1 個專利技術(shù)的可提供100 萬次讀寫壽命的20 位EEPROM、1 個LED 驅(qū)動器、1 個休眠定時器、1 個調(diào)試器， 以及1 個可提供安全單向鏈路的高速128位高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)加速器。Si4010 的工作電壓范圍為1.8～3.6 V，可提供超低的電流消耗(小于10nA 的待機(jī)電流和小于20 mA 的峰值電流)以及低功耗觸控喚醒模式。支持FSK、OOK 調(diào)制模式，支持PCB 環(huán)形天線， 工作頻帶為27～960 MHz，芯片內(nèi)部還包含LDO、溫度傳感器及低電壓檢測報警等。

2.2 Si4313 簡介

Silicon Laboratories 的Si4313 芯片是單端通用ISM 頻段接收器， 工作頻率為240～960 MHz，可編程接收頻率帶寬為2.6～260 kHz， 接收靈敏度為-118 dBm， 數(shù)據(jù)速率為0.2～128 kb/s，采用FSK、GFSK 和OOK 調(diào)制方案，支持調(diào)頻、單電容調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，支持PCB 環(huán)形天線，工作電源電壓為1.8～3.6 V，具備超低功耗、高靈活低關(guān)機(jī)模式。內(nèi)部功能包括：喚醒計時器、自動頻率校準(zhǔn)、前端碼偵測、無線電信號強(qiáng)度檢測、集成電壓調(diào)節(jié)器、片內(nèi)振蕩器、64 kB FIFO 等。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 無線電發(fā)射系統(tǒng)

無線電發(fā)射系統(tǒng)主要由按鍵電路、編碼調(diào)制電路、無線電發(fā)射電路組成。無線電發(fā)射系統(tǒng)的電路原理圖如圖2 所示。

圖2 發(fā)射系統(tǒng)電路原理圖

無線電發(fā)射系統(tǒng)是以Si4010 為核心來設(shè)計。Si4010 的4 個輸入輸出端口與按鍵直接相連，內(nèi)部電路可直接采集按鍵狀態(tài)信息。Si4010 的信號差分輸出端TXM、TXP 分別與環(huán)形天線的兩端連接， 環(huán)形天線直接印制在PCB 板上，減少了發(fā)射系統(tǒng)體積。采用C2 接口編程，Si4010 的C2DATA、C2CLK 端口與JTAG 接口的4 個端口相連。C3、C4、C5組成電源濾波電路。發(fā)光二極管提供按鍵動作指示，當(dāng)有按鍵按下時，放光二極管亮，沒有按鍵按下，放光二極管滅。無線電發(fā)射系統(tǒng)的主要功能是在Si4010 內(nèi)部MCU的控制下采集按鍵電路的狀態(tài)信息， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密和編碼，再進(jìn)行FSK 調(diào)制，調(diào)制后信號經(jīng)放大調(diào)諧，由環(huán)形天線發(fā)射出去。

3.2 無線電接收系統(tǒng)

無線電接收系統(tǒng)主要由無線電接收電路、解調(diào)解碼、單片機(jī)控制電路及開關(guān)電路組成。無線電接收系統(tǒng)電路原理如圖3 所示。

圖3 接收系統(tǒng)電路原理圖

接收解調(diào)電路采用與射頻發(fā)射模塊相配套的無線接收芯片Si4313 來實(shí)現(xiàn)?？刂茊卧捎肅8051F920 單片機(jī)。

Si4313 的RX 端口經(jīng)電容C1與天線相連， 接收遙控調(diào)制載波信號。Si4313 與單片機(jī)之間的通信是通過SPI 總線實(shí)現(xiàn)，SPI 總線讀寫操作由以下幾部分組成：讀寫標(biāo)志(1 bit)，地址(7 bits)和數(shù)據(jù)(8 bits)。讀寫標(biāo)志位指示當(dāng)前操作是讀還是寫;7 位地址指示操作對象， 可尋址128 個8 位控制寄存器中的任意一個; 數(shù)據(jù)域包含寫入或讀出的Si4313 內(nèi)部寄存器的內(nèi)容。Si4313 的SCLK、SDI、SDO、nSEL、nIRQ 端口分別與單片機(jī)的P0.0～P0.4 端口相連。SCLK 為時鐘接口;SDI為串行數(shù)據(jù)寫入端口， 由單片機(jī)對Si4313 進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入;SDO 為串行數(shù)據(jù)輸出端口，解調(diào)后數(shù)字信號由此端口輸出至單片機(jī)。單片機(jī)P1.0～P1.3 為控制端口，與開關(guān)電路相連。

無線電接收系統(tǒng)的主要功能是接收遙控載波調(diào)制信號，經(jīng)解調(diào)解碼電路對調(diào)制信號解調(diào)和解碼，串行輸出至單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再通過控制端口控制開關(guān)電路相應(yīng)的開關(guān)動作。

4 系統(tǒng)軟件介紹

軟件編程采用模塊化設(shè)計思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨(dú)立的應(yīng)用函數(shù)由主程序調(diào)用。

4.1 發(fā)射系統(tǒng)軟件

無線電發(fā)射系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要通過C2 接口編程實(shí)現(xiàn)Si4010 內(nèi)部集成的8051MCU 對無線發(fā)射電路的狀態(tài)進(jìn)行控制。包括芯片初始化程序，鍵盤掃描及讀取程序，射頻參數(shù)設(shè)置程序，無線發(fā)射程序等。發(fā)射系統(tǒng)軟件流程如圖4 所示。

圖4 發(fā)射系統(tǒng)軟件流程圖

4.2 接收系統(tǒng)軟件

無線電接收控制系統(tǒng)的軟件基于C8051F920 單片機(jī)設(shè)計，通過C2 編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對開關(guān)電路的狀態(tài)控制。單片機(jī)采樣到有效中斷請求信號，便執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，在中斷服務(wù)子程序中， 單片機(jī)將根據(jù)I/O 端口獲得的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的子程序，從而實(shí)現(xiàn)對開關(guān)電路的控制。接收系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

圖5 接收系統(tǒng)軟件流程圖

5 結(jié)束語

本文采用低價位、超低功耗單芯片無線遙控IC 及單片機(jī)設(shè)計可編程無線電遙控多路開關(guān)系統(tǒng)，具有成本低、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、遙控距離遠(yuǎn)、可靠性高等特點(diǎn)。經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室軟、硬件綜合測試，接收解調(diào)電路對發(fā)射電路遙控信號接收解調(diào)正常，開關(guān)電路動作到位，無線電遙控開關(guān)系統(tǒng)的多路多功能控制正常?？蛇M(jìn)一步推廣應(yīng)用，在工業(yè)生產(chǎn)、安防監(jiān)控、智能家居等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。