摘 要： 為提高遙控汽車(chē)的抗干擾能力，優(yōu)化其控制功能，設(shè)計(jì)了一款具有16位隨機(jī)地址碼學(xué)習(xí)能力的多功能遙控汽車(chē)編解碼器（MT-5/MR-5）。通過(guò)建立良好的通信協(xié)議、引入隨機(jī)地址碼學(xué)習(xí)功能和優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，極大地提高了遙控汽車(chē)的抗干擾和精確控制能力。最后介紹了該對(duì)編解碼器在電路中的應(yīng)用，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 基帶信號(hào)；通信協(xié)議；遙控汽車(chē)；編碼器；解碼器
隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，各類(lèi)無(wú)線(xiàn)遙控技術(shù)異軍突起，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，生活中常見(jiàn)的遙控汽車(chē)、防盜報(bào)警、遙控機(jī)器人以及家用電器等方面應(yīng)用了大量的無(wú)線(xiàn)遙控電路，這些遙控電路的核心部件是遙控編解碼器[1]。但市場(chǎng)上很多遙控器和接收機(jī)的抗干擾能力不強(qiáng)，例如遙控汽車(chē)，經(jīng)常出現(xiàn)“一個(gè)遙控機(jī)同時(shí)遙控多個(gè)同類(lèi)型的遙控汽車(chē)”、“一個(gè)遙控汽車(chē)同時(shí)受多個(gè)同類(lèi)型的遙控機(jī)所控制”、“一個(gè)遙控機(jī)只能請(qǐng)求一個(gè)遙控汽車(chē)進(jìn)行地址碼學(xué)習(xí)”和“一個(gè)遙控汽車(chē)只能接受一個(gè)遙控機(jī)發(fā)送的地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求”等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一款具有多位隨機(jī)地址碼學(xué)習(xí)能力的多功能遙控汽車(chē)編解碼器（也適用于遙控飛機(jī)、遙控機(jī)器人和其他遙控系統(tǒng)）具有很好的市場(chǎng)前景。
1 功能定義
編碼器（MT-5）和解碼器（MR-5）是一對(duì)能精確控制遙控汽車(chē)的編解碼器，其管腳圖如圖1所示。MT-5的S鍵和MR-5的SRC鍵用來(lái)控制16位隨機(jī)地址碼學(xué)習(xí)功能，8個(gè)控制鍵F（前進(jìn)）、B（后退）、R（右轉(zhuǎn)）、L（左轉(zhuǎn)）、T（加速）、F1～F3（附加功能）用來(lái)遙控汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)（如勻速前進(jìn)、加速前進(jìn)、右轉(zhuǎn)以及多種狀態(tài)組合的功能）。當(dāng)按下地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求鍵S和地址碼學(xué)習(xí)允許鍵SRC后，MT-5發(fā)送學(xué)習(xí)請(qǐng)求，MR-5接收到該學(xué)習(xí)請(qǐng)求后，進(jìn)行請(qǐng)求狀態(tài)識(shí)別和地址碼數(shù)據(jù)檢測(cè)，再進(jìn)行16位隨機(jī)地址碼學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)完成后，MT-5就可以發(fā)送控制功能請(qǐng)求了，MR-5接收到該請(qǐng)求后進(jìn)行請(qǐng)求狀態(tài)識(shí)別、地址碼判斷和請(qǐng)求功能數(shù)據(jù)檢測(cè)，最后進(jìn)行相應(yīng)的控制功能驅(qū)動(dòng)[2]。
遙控汽車(chē)在非加速狀態(tài)下前進(jìn)和后退對(duì)應(yīng)的F和B輸出端輸出60 Hz的脈沖，間歇地驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使遙控汽車(chē)處于非加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；而加速狀態(tài)下前進(jìn)和后退則對(duì)應(yīng)F和B輸出端輸出高電平，持續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使遙控汽車(chē)處于加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如表1所示。
2 編解碼思路
為建立遙控汽車(chē)的通信關(guān)系，MT-5和MR-5必須共同遵循一個(gè)預(yù)先協(xié)商好的幀協(xié)議[2-3]。在發(fā)送端數(shù)據(jù)按照幀協(xié)議的約定，把幀同步碼、隨機(jī)地址碼、請(qǐng)求狀態(tài)位、功能數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、結(jié)束位等裝入幀中后送入傳輸線(xiàn)路，接收端接收到幀后根據(jù)預(yù)先協(xié)定好的幀格式來(lái)進(jìn)行同步、識(shí)別、校驗(yàn)和解碼接收。信號(hào)發(fā)送過(guò)程中，碼元為“1”時(shí)用占空比為3/4的矩形脈沖表示，碼元為“0”時(shí)用占空比為1/4的矩形脈沖表示。幀結(jié)構(gòu)和編碼方式如圖2所示，取編碼頻率fc=2 kHz，Tc=0.5 ms，碼元信號(hào)周期Ts=2.0 ms。
解碼時(shí)只要控制取樣時(shí)鐘在該位中間時(shí)刻采樣，所得到的取樣值就是該位所代表的碼元信息，該取樣方式對(duì)時(shí)鐘要求非常寬松，并有一定的容差范圍。取樣頻率與編碼頻率一致，故可得取樣時(shí)鐘容差范圍ΔT=Tc=0.5 ms。
3 編解碼器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)
編解碼器含有上電復(fù)位、按鍵信號(hào)防抖動(dòng)、16位隨機(jī)地址碼發(fā)生器、編碼、取樣、地址碼學(xué)習(xí)和輸出控制等電路，如圖3所示。因遙控汽車(chē)安全需要，解碼器內(nèi)置有過(guò)壓保護(hù)電路[4]，輸入自動(dòng)關(guān)閉腳的過(guò)壓信號(hào)會(huì)關(guān)閉馬達(dá)（VT 腳未用時(shí)接地，轉(zhuǎn)移點(diǎn)為1.4 V）。
其中，16位隨機(jī)地址碼產(chǎn)生器電路基于M序列生成原理，利用反饋移位寄存器產(chǎn)生線(xiàn)性移位寄存器序列。以4級(jí)移位寄存器為例，其邏輯功能如圖4所示。設(shè)初始狀態(tài)（a0a1a2a3）=1000，即第一級(jí)a0=1，第二級(jí)a1=0，第三級(jí)a2=0，第四級(jí)a3=0。當(dāng)一個(gè)脈沖來(lái)到時(shí)，各級(jí)狀態(tài)便自左向右移至下一級(jí)，末級(jí)a3作為串行地址碼輸出。假設(shè)M序列多項(xiàng)式f(a0，a1，a2，a3)輸出為a4，將該輸出反饋到第一級(jí)，成為第一級(jí)的新存數(shù)，下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)又繼續(xù)上述過(guò)程，隨著時(shí)鐘的不斷來(lái)到，第一級(jí)a0輸出一個(gè)0、1序列。由于地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求和學(xué)習(xí)允許按鍵的控制時(shí)間具有一定的隨機(jī)性，因此獲取的16位地址碼也是隨機(jī)的。
編解碼器還引入多個(gè)設(shè)計(jì)巧妙、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔和性能優(yōu)良的模塊電路。如按鍵輸入信號(hào)防抖動(dòng)電路，能解決普通防抖動(dòng)電路帶來(lái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜和延時(shí)較長(zhǎng)等問(wèn)題；帶使能信號(hào)門(mén)控時(shí)鐘型數(shù)據(jù)鎖存器，能解決常見(jiàn)的數(shù)據(jù)鎖存器所帶來(lái)的門(mén)級(jí)功耗較高、版圖面積較大和時(shí)序混亂等問(wèn)題[5]；基于COMS開(kāi)關(guān)特性奇偶校驗(yàn)電路，能解決由異或門(mén)組成的傳統(tǒng)型奇偶校驗(yàn)電路所帶來(lái)的版圖面積大等問(wèn)題[6-7]。
4 編解碼器的應(yīng)用
根據(jù)遙控汽車(chē)的工作特性，設(shè)計(jì)了適用于MT-5和MR-5的應(yīng)用電路，如圖5和圖6所示。
MT-5應(yīng)用電路正常工作時(shí)，9 V直流電源經(jīng)過(guò)由R1、D1、C1和C2組成的穩(wěn)壓電路后為編碼器提供4.7 V的工作電壓。同時(shí)，9 V直流電源也直接給三極管Q1和Q2供電。按鍵開(kāi)關(guān)S用于16位隨機(jī)地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求；按鍵開(kāi)關(guān)F、B、T、R、L用于控制遙控汽車(chē)的前進(jìn)、后退、加速、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)以及組合功能，F(xiàn)1～F3用于功能擴(kuò)展。Q1、XTAL、L1和C5組成一個(gè)電容三點(diǎn)式載波振蕩器。MT-5端口DO輸出的編碼信號(hào)與Q1輸出的載波信號(hào)同時(shí)加到Q2的基極，經(jīng)Q2調(diào)制，并經(jīng)L3、C9和C10濾波后由天線(xiàn)發(fā)射出去。該電路設(shè)置載波頻率為27.145 MHz，元件具體參數(shù)如圖5所示。
MR-5應(yīng)用電路正常工作時(shí)，12 V直流電源直接加在伺服電機(jī)M1和M2兩組全橋驅(qū)動(dòng)器上。同時(shí)電源經(jīng)穩(wěn)壓電路后為MR-5和RF接收電路提供4.7 V的穩(wěn)定電壓（IN4148是通用開(kāi)關(guān)二極管，對(duì)MR-5起到保護(hù)作用）。天線(xiàn)和Q1組成的RF電路接收信號(hào)后送給MR-5的一級(jí)反向輸入端口V1，經(jīng)解碼后，輸出端口F、B、R和L輸出控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)兩個(gè)全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而控制伺服電機(jī)的正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)T=1、F=1、B=0、R=0、L=1時(shí)， Q8、Q9、Q11、Q2、Q3、Q5導(dǎo)通，Q12、Q13、Q10、Q6、Q7、Q4截止，M1正轉(zhuǎn)和M2反轉(zhuǎn)控制汽車(chē)加速向左前進(jìn)。當(dāng)端口T=0時(shí)，F(xiàn)和B對(duì)應(yīng)的高電平置換為60 Hz的脈沖，間歇地驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以控制遙控汽車(chē)勻速前進(jìn)和后退。該電路設(shè)置載波頻率為21.145 MHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的元件參數(shù)如圖6所示。
本文設(shè)計(jì)了一對(duì)具有16位隨機(jī)地址碼學(xué)習(xí)能力的多功能遙控汽車(chē)編解碼器。給出一種保密性好和誤碼率低的編解碼方式，建立了編解碼器之間的通信協(xié)議，引入了獨(dú)特的16位隨機(jī)地址碼生成、學(xué)習(xí)和檢測(cè)功能，解碼器必須在人為允許的條件下才可以接受地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求，并且還可以接受同類(lèi)型的不同遙控器的地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求，極大地提高了遙控汽車(chē)在工作過(guò)程中的抗干擾能力。最后給出了編解碼器在電路中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)遙控汽車(chē)的精確控制，并在遙控飛機(jī)和遙控機(jī)器人等一系列遙控設(shè)備中具有進(jìn)一步的推廣應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 樊昌信.通信原理教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[2] 周松青.遙控編解碼器ASIC的設(shè)計(jì)[D].桂林：桂林電子科技大學(xué)，2008.
[3] 李斌，高恭嫻.學(xué)習(xí)型紅外遙控器的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29(1)：35-37.
[4] 曾國(guó)敬，宋躍，何志輝.一種智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(4)：81-84.
[5] BHASKER J.Verilog HDL綜合實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.
[6] MARTIN K W.Digital Integrated Circuit Design[M].Beijing：House of Electronics Industry，2002.
[7] 吳其琦，韋文斌.基于FPGA的可編程濾波器的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31(22)：75-77.