耿立立

(東北電力大學(xué)研究生部,吉林132012)

耿立立(碩士生),研究方向?yàn)榍度胧郊捌鋺?yīng)用。

引 言

自20世紀(jì)70年代以來,紅外技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。尤其在家用電器中使用最多,而且種類數(shù)目繁多,如電視、空調(diào)、DVD等的遙控器,但是各類產(chǎn)品由于種類和廠商不同,它們的紅外遙控編碼格式各不同,于是遙控器間的相互兼容成了一個(gè)待解決的問題。因?yàn)楸舜碎g的不兼容,使得用戶在使用過程中容易產(chǎn)生混亂,還會(huì)造成資源浪費(fèi);另外,紅外遙控自身的缺點(diǎn),如信號(hào)的發(fā)射與接收會(huì)受到障礙物的遮擋,傳輸距離有限。將家用電器的遙控器集成為一體,克服紅外遙控距離和方向的限制,給人們的生活帶來便利,這些給人們提供了研究方向。

在1980年,智能家居概念被提出。在智能家居中最重要的是家居控制系統(tǒng)。近年來無線通信技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展,使它們?cè)诳刂祁I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了家庭內(nèi)電器設(shè)備的集中控制的無線化。這些控制設(shè)備發(fā)射的都是射頻信號(hào)?？墒谴蠖鄶?shù)被控設(shè)備是用紅外信號(hào)控制的,相互之間不能通信。這就成為智能家居控制系統(tǒng)中的設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線化控制的障礙。為了清除這個(gè)障礙,這個(gè)設(shè)計(jì)提出了各種實(shí)現(xiàn)方法,比如,有申請(qǐng)了專利的基于藍(lán)牙的、基于ZigBee的、只是在單片機(jī)上自設(shè)電路的方法等。但是有一點(diǎn)是相同的,就是紅外—射頻轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。

紅外—射頻交互問題解決了,但是標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題來了。針對(duì)這個(gè)問題,國際上提出一個(gè)新的遙控協(xié)議RF4CE,它只是針對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品。本文的目的就是基于這個(gè)新的遙控協(xié)議設(shè)計(jì)一個(gè)遙控系統(tǒng),控制系統(tǒng)采用TI公司支持該標(biāo)準(zhǔn)的CC2530芯片。

1 RF4CE簡介

2008年,為了在家用電器市場(chǎng)普及射頻操控技術(shù),并避免新技術(shù)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的障礙,消費(fèi)電子廠商索尼(Sony)、飛利浦(Philips)、松下(Panasonic)、三星(Samsung)與主要低功耗 RFIC廠商飛思卡爾(Freescale)、德州儀器(TI)以及 OKI共同成立 RF4CE(Radio Frequency for Consumer Electronics)聯(lián)盟 (RF4CE Consortium)。RF4CE是一種家電遙控新標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。為了更有效地拓展市場(chǎng),2009年3月,RF4CE聯(lián)盟同意與ZigBee聯(lián)盟(ZigBee Alliance)合作共同開發(fā)基于ZigBee/IEEE 802.15.4,以及用于家電遙控的射頻新標(biāo)準(zhǔn)——ZigBee RF4CE標(biāo)準(zhǔn)。RF4CE不但能提高操作的可靠性,提高信號(hào)的傳輸距離和抗干擾性,使信號(hào)傳遞不受障礙物影響,還能實(shí)現(xiàn)雙向通信和解決不同電器的互操作問題,遙控器電池壽命也可顯著延長。消費(fèi)者將不再需要用遙控器的發(fā)射端準(zhǔn)確指向電器的接收端,也不再需要數(shù)個(gè)遙控器來操作家中不同的電子設(shè)備。

ZigBee RF4CE規(guī)范了一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)簡單、魯棒及低成本的通信網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)在CE范圍內(nèi)允許在應(yīng)用層無線連接。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提供了一個(gè)簡單的網(wǎng)絡(luò)層和標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層規(guī)約,這個(gè)規(guī)約用來解決在家庭內(nèi)部不同廠商間產(chǎn)品的兼容問題。

RC PAN是由兩種類型的設(shè)備組成:目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)有完全的PNA協(xié)調(diào)性能,可按自己的方式開啟網(wǎng)絡(luò)。通過與目標(biāo)配對(duì)的方式,這兩種節(jié)點(diǎn)都可以接入由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)開啟的網(wǎng)絡(luò)。多個(gè)RC PAN形成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò),這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以在RC PAN之間進(jìn)行通信。下面給出遵循這個(gè)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型示意圖。如圖1所示,有3個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和4個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。3個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別是TV、DVD和CD。4個(gè)控制節(jié)點(diǎn)分別是3個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的RC和1個(gè)多功能 RC。它們組成了3個(gè)PAN。另外,DVD和TV也進(jìn)行了配對(duì),錄DVD運(yùn)行時(shí),在TV上選擇另外的頻道。

圖1 RC網(wǎng)絡(luò)模型示例

為了簡化ZigBee RF4CE標(biāo)準(zhǔn),這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)是由大量的塊或?qū)拥男g(shù)語來定義。每個(gè)層負(fù)責(zé)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的一部分,并且為下一個(gè)更高層提供服務(wù),使用來自下層的服務(wù)。層與層之間的接口用來定義標(biāo)準(zhǔn)中描述的邏輯鏈路。各層的布局是基于開放式系統(tǒng)互聯(lián)的7層模式。其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 ZigBee RF4CE協(xié)議棧架構(gòu)

由圖2可以看出,此協(xié)議與Zigbee的不同之處在于它給出了應(yīng)用層的規(guī)范。也就是說在每個(gè)廠家生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)就要遵循這個(gè)規(guī)范。這就為家庭內(nèi)電子產(chǎn)品的入網(wǎng)提供了方便。這也是它優(yōu)于紅外遙控的一方面。

由于國際幾大廠商對(duì)這個(gè)協(xié)議的支持,注定了它將來在家電中將占有很大的份額。在遙控系統(tǒng)方面,它取代紅外似乎成了必然。然而,當(dāng)前千千萬萬的消費(fèi)者還是在使用紅外遙控的電子產(chǎn)品。新產(chǎn)品不可能一朝一夕就能取代舊有的東西,中間的過渡成了必然。一方面要滿足原有紅外系統(tǒng),另一方面要將新技術(shù)運(yùn)用到生活當(dāng)中,于是在遙控系統(tǒng)中加入一個(gè)紅外轉(zhuǎn)射頻裝置成了重要的一環(huán)。

2 總體硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示,紅外轉(zhuǎn)射頻遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由3大部分組成:射頻遙控器、紅外—射頻轉(zhuǎn)換器和受控設(shè)備。射頻遙控器由電源模塊、鍵盤模塊以及CC2530芯片組成。轉(zhuǎn)換模塊由電源模塊、CC2530芯片、紅外發(fā)送電路以及接收電路組成。系統(tǒng)的無線通信模塊中采用CC2530芯片大大簡化了射頻電路的設(shè)計(jì)。電源模塊用兩個(gè)1.5 V的5號(hào)電池供電。芯片CC2530的P0～P1口用來構(gòu)成矩陣鍵盤,由此鍵盤輸入信息經(jīng)由芯片的前端 RF電路調(diào)制到2440 MHz的信號(hào)上發(fā)射出去。

圖3 系統(tǒng)框圖

轉(zhuǎn)換裝置將接收到射頻信號(hào)送到CC2530中進(jìn)行解調(diào),解碼后恢復(fù)到原來的信號(hào);再由CC2530中的定時(shí)器3產(chǎn)生38 M Hz的載波信號(hào),并把恢復(fù)的遙控信號(hào)調(diào)制到該載波上,轉(zhuǎn)化為IR信號(hào)發(fā)射出去。

然而,由于各種紅外遙控的編碼各不相同,為了使轉(zhuǎn)換裝置不局限于只針對(duì)一種電子產(chǎn)品,在這個(gè)轉(zhuǎn)換裝置中加入了紅外接收模塊,使整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)學(xué)習(xí)型的遙控系統(tǒng)。這個(gè)紅外接收模塊的電路如圖4所示,該接收電路最主要的部分是一體化紅外接收頭,它將紅外接收二極管、放大、解調(diào)、整形等電路做在一起,只有3個(gè)引腳。分別是+5 V電源、地、信號(hào)輸出。一體化紅外接收頭采用NB1838,其光電檢測(cè)和前置放大器集成在一個(gè)封裝內(nèi)。該接收頭可以接收不同類型的紅外遙控編碼信號(hào),而且NB1838的環(huán)氧樹脂封裝結(jié)構(gòu)為本身提供了一個(gè)特殊的紅外濾光器,對(duì)自然光和電場(chǎng)干擾有很強(qiáng)的防護(hù)性。紅外編碼信號(hào)經(jīng)由NB1838解調(diào)后,得到TTL電平,輸入到CC2530中具有捕獲功能的定時(shí)器端口。再經(jīng)由CC2530的射頻模塊調(diào)制成射頻信號(hào)由天線發(fā)出。由射頻遙控的CC2530解調(diào)后存儲(chǔ)起來。整個(gè)過程完成了遙控的自學(xué)習(xí)過程。

圖4 紅外接收電路

3 軟件設(shè)計(jì)

射頻遙控在軟件上要實(shí)現(xiàn)識(shí)別來自面板按鍵功能請(qǐng)求:狀態(tài)、功能鍵和開關(guān)鍵。狀態(tài)鍵識(shí)別受控對(duì)象;功能鍵識(shí)別數(shù)字鍵、前進(jìn)后退鍵以及開關(guān)鍵控制受控對(duì)象電源,隨時(shí)響應(yīng)按鍵的輸入,計(jì)算鍵值,對(duì)鍵值采用“鍵值加鍵值反碼”的編碼方式,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。除了編碼以外,還有解碼,就是當(dāng)轉(zhuǎn)換裝置的自學(xué)習(xí)紅外電路開啟時(shí),紅外自學(xué)習(xí)完除了轉(zhuǎn)換裝置存儲(chǔ)信息,還要把信息通過射頻端發(fā)給射頻遙控存儲(chǔ)。

轉(zhuǎn)換裝置是本論文的一個(gè)重點(diǎn)。它的軟件設(shè)計(jì)包括:射頻解碼、紅外編碼、紅外自學(xué)習(xí),以及產(chǎn)生38 kHz的載波信號(hào)等功能。單片機(jī)通過外部中斷檢測(cè)射頻解調(diào)模塊,判斷是否有遙控信息。如果有,則執(zhí)行中斷程序,從解調(diào)模塊讀取信息,經(jīng)過紅外編碼、38 kHz載波的脈沖調(diào)制,送到紅外發(fā)射電路,將調(diào)制后的紅外遙控信號(hào)發(fā)送出去。

在此設(shè)計(jì)中,除了射頻接收中斷程序外,還有紅外自學(xué)習(xí)中斷。判斷解調(diào)射頻信號(hào)信息是已經(jīng)有的用戶操作信息,還是請(qǐng)求配對(duì)的信息。如果是配對(duì)信息,開啟紅外自學(xué)習(xí)模塊。這時(shí)紅外一體接收頭的解調(diào)信號(hào)被送到P2.3引腳,由內(nèi)部定時(shí)器完成高低電平的采集,把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來。然后再把采集到的數(shù)據(jù)由芯片內(nèi)的單片機(jī)經(jīng)過編碼處理,經(jīng)射頻模塊調(diào)制發(fā)送出去。最后由射頻遙控再次存儲(chǔ)。

結(jié) 語

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)射頻遙控對(duì)紅外家電的控制。該系統(tǒng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、不受空間限制、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文的創(chuàng)新點(diǎn):采用紅外自學(xué)習(xí)模塊,無論何種編碼的家電都可以通過紅外自學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)遙控對(duì)其進(jìn)行控制;系統(tǒng)基于RF4CE標(biāo)準(zhǔn),方便了家電實(shí)現(xiàn)集中控制,減少資源浪費(fèi),通用性強(qiáng);在控制方面使用了 TI公司的CC2530,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗。

在文中只做了一對(duì)一的控制系統(tǒng)?？梢栽诖朔桨富A(chǔ)上配以大容量的控制芯片(如ARM)構(gòu)成智能家居集中控制系統(tǒng)。在控制如冰箱、電燈等開關(guān)控制家電時(shí),只需在開關(guān)處加入射頻接收節(jié)點(diǎn),就可接入集中控制系統(tǒng)。另外該標(biāo)準(zhǔn)在使用時(shí)不只用于家電方面,也可以用在工業(yè)控制和車載衛(wèi)星接收系統(tǒng)等領(lǐng)域。

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