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2.4G遙控方案設計的詳細解析

來源: 作者: 發布日期:2016-09-24 12:11:35 加入收藏 關注:
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       隨著無線傳輸技術的發展,無線遙控系統也得到很多改善,那么無線遙控具體指什么呢?其實簡單來說,無線遙控就是指利用高頻無線電波實現對模型的控制。然而傳統無線遙控系統普遍存在著不足的地方,比如說同頻率會干擾、遙控距離短等問題。原因主要在于載頻較低導致帶寬較窄使得同頻干擾可能性的增大。

因此采用先進的2.4G遙控擴頻技術,理論上來說可以讓多人在同一地方同時遙控而不會互相干擾,而且距離也比傳統無線遙控具有優勢,所以很有必要將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  

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 2.4G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。

圖1.png

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;射頻芯片CYRF6936完成2.4GHz的擴頻調制以及解擴解調。如圖2所示。

圖2.png

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。

圖3.png

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。

圖4.png

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。  

 

由此可以看出2.4G遙控系統不僅具有很強的抗干擾能力,而且發射距離遠。而且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,優勢不言而喻。 

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