基于WirelessUSB技术的无线遥控器设计

基于WirelessUSB技术的无线遥控器设计

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，进行时间采样量化后，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  系统硬件实现

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(0x03)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Mega16L提供。例如，通过SPI对寄存器(0x0F)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(0x02)或者(0x05)，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AVRmega16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。