摘 要： 為提高遙控汽車的抗干擾能力，優化其控制功能，設計了一款具有16位隨機地址碼學習能力的多功能遙控汽車編解碼器（MT-5/MR-5）。通過建立良好的通信協議、引入隨機地址碼學習功能和優化電路結構，極大地提高了遙控汽車的抗干擾和精確控制能力。最后介紹了該對編解碼器在電路中的應用，具有進一步推廣應用價值。
關鍵詞： 基帶信號；通信協議；遙控汽車；編碼器；解碼器
隨著通信技術的迅速發展，各類無線遙控技術異軍突起，應用范圍越來越廣，生活中常見的遙控汽車、防盜報警、遙控機器人以及家用電器等方面應用了大量的無線遙控電路，這些遙控電路的核心部件是遙控編解碼器[1]。但市場上很多遙控器和接收機的抗干擾能力不強，例如遙控汽車，經常出現“一個遙控機同時遙控多個同類型的遙控汽車”、“一個遙控汽車同時受多個同類型的遙控機所控制”、“一個遙控機只能請求一個遙控汽車進行地址碼學習”和“一個遙控汽車只能接受一個遙控機發送的地址碼學習請求”等問題。因此，設計一款具有多位隨機地址碼學習能力的多功能遙控汽車編解碼器（也適用于遙控飛機、遙控機器人和其他遙控系統）具有很好的市場前景。
1 功能定義
編碼器（MT-5）和解碼器（MR-5）是一對能精確控制遙控汽車的編解碼器，其管腳圖如圖1所示。MT-5的S鍵和MR-5的SRC鍵用來控制16位隨機地址碼學習功能，8個控制鍵F（前進）、B（后退）、R（右轉）、L（左轉）、T（加速）、F1～F3（附加功能）用來遙控汽車的運動（如勻速前進、加速前進、右轉以及多種狀態組合的功能）。當按下地址碼學習請求鍵S和地址碼學習允許鍵SRC后，MT-5發送學習請求，MR-5接收到該學習請求后，進行請求狀態識別和地址碼數據檢測，再進行16位隨機地址碼學習。學習完成后，MT-5就可以發送控制功能請求了，MR-5接收到該請求后進行請求狀態識別、地址碼判斷和請求功能數據檢測，最后進行相應的控制功能驅動[2]。
遙控汽車在非加速狀態下前進和后退對應的F和B輸出端輸出60 Hz的脈沖，間歇地驅動電機轉動，使遙控汽車處于非加速運動狀態；而加速狀態下前進和后退則對應F和B輸出端輸出高電平，持續驅動電機轉動，從而使遙控汽車處于加速運動狀態，如表1所示。
2 編解碼思路
為建立遙控汽車的通信關系，MT-5和MR-5必須共同遵循一個預先協商好的幀協議[2-3]。在發送端數據按照幀協議的約定，把幀同步碼、隨機地址碼、請求狀態位、功能數據位、奇偶校驗位、結束位等裝入幀中后送入傳輸線路，接收端接收到幀后根據預先協定好的幀格式來進行同步、識別、校驗和解碼接收。信號發送過程中，碼元為“1”時用占空比為3/4的矩形脈沖表示，碼元為“0”時用占空比為1/4的矩形脈沖表示。幀結構和編碼方式如圖2所示，取編碼頻率fc=2 kHz，Tc=0.5 ms，碼元信號周期Ts=2.0 ms。
解碼時只要控制取樣時鐘在該位中間時刻采樣，所得到的取樣值就是該位所代表的碼元信息，該取樣方式對時鐘要求非常寬松，并有一定的容差范圍。取樣頻率與編碼頻率一致，故可得取樣時鐘容差范圍ΔT=Tc=0.5 ms。
3 編解碼器內部電路結構
編解碼器含有上電復位、按鍵信號防抖動、16位隨機地址碼發生器、編碼、取樣、地址碼學習和輸出控制等電路，如圖3所示。因遙控汽車安全需要，解碼器內置有過壓保護電路[4]，輸入自動關閉腳的過壓信號會關閉馬達（VT 腳未用時接地，轉移點為1.4 V）。
其中，16位隨機地址碼產生器電路基于M序列生成原理，利用反饋移位寄存器產生線性移位寄存器序列。以4級移位寄存器為例，其邏輯功能如圖4所示。設初始狀態（a0a1a2a3）=1000，即第一級a0=1，第二級a1=0，第三級a2=0，第四級a3=0。當一個脈沖來到時，各級狀態便自左向右移至下一級，末級a3作為串行地址碼輸出。假設M序列多項式f(a0，a1，a2，a3)輸出為a4，將該輸出反饋到第一級，成為第一級的新存數，下一個時鐘脈沖到來又繼續上述過程，隨著時鐘的不斷來到，第一級a0輸出一個0、1序列。由于地址碼學習請求和學習允許按鍵的控制時間具有一定的隨機性，因此獲取的16位地址碼也是隨機的。
編解碼器還引入多個設計巧妙、結構簡潔和性能優良的模塊電路。如按鍵輸入信號防抖動電路，能解決普通防抖動電路帶來的結構復雜和延時較長等問題；帶使能信號門控時鐘型數據鎖存器，能解決常見的數據鎖存器所帶來的門級功耗較高、版圖面積較大和時序混亂等問題[5]；基于COMS開關特性奇偶校驗電路，能解決由異或門組成的傳統型奇偶校驗電路所帶來的版圖面積大等問題[6-7]。
4 編解碼器的應用
根據遙控汽車的工作特性，設計了適用于MT-5和MR-5的應用電路，如圖5和圖6所示。
MT-5應用電路正常工作時，9 V直流電源經過由R1、D1、C1和C2組成的穩壓電路后為編碼器提供4.7 V的工作電壓。同時，9 V直流電源也直接給三極管Q1和Q2供電。按鍵開關S用于16位隨機地址碼學習請求；按鍵開關F、B、T、R、L用于控制遙控汽車的前進、后退、加速、右轉、左轉以及組合功能，F1～F3用于功能擴展。Q1、XTAL、L1和C5組成一個電容三點式載波振蕩器。MT-5端口DO輸出的編碼信號與Q1輸出的載波信號同時加到Q2的基極，經Q2調制，并經L3、C9和C10濾波后由天線發射出去。該電路設置載波頻率為27.145 MHz，元件具體參數如圖5所示。
MR-5應用電路正常工作時，12 V直流電源直接加在伺服電機M1和M2兩組全橋驅動器上。同時電源經穩壓電路后為MR-5和RF接收電路提供4.7 V的穩定電壓（IN4148是通用開關二極管，對MR-5起到保護作用）。天線和Q1組成的RF電路接收信號后送給MR-5的一級反向輸入端口V1，經解碼后，輸出端口F、B、R和L輸出控制信號，并驅動兩個全橋電機驅動器，從而控制伺服電機的正向和反向轉動。當T=1、F=1、B=0、R=0、L=1時， Q8、Q9、Q11、Q2、Q3、Q5導通，Q12、Q13、Q10、Q6、Q7、Q4截止，M1正轉和M2反轉控制汽車加速向左前進。當端口T=0時，F和B對應的高電平置換為60 Hz的脈沖，間歇地驅動電機轉動以控制遙控汽車勻速前進和后退。該電路設置載波頻率為21.145 MHz時，對應的元件參數如圖6所示。
本文設計了一對具有16位隨機地址碼學習能力的多功能遙控汽車編解碼器。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議，引入了獨特的16位隨機地址碼生成、學習和檢測功能，解碼器必須在人為允許的條件下才可以接受地址碼學習請求，并且還可以接受同類型的不同遙控器的地址碼學習請求，極大地提高了遙控汽車在工作過程中的抗干擾能力。最后給出了編解碼器在電路中的應用，實現了對遙控汽車的精確控制，并在遙控飛機和遙控機器人等一系列遙控設備中具有進一步的推廣應用價值。
參考文獻
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