簡易無線電控制系統(tǒng)

1、簡易無線電遙控系統(tǒng)第15組 石海龍 張福海 李曉霞摘要本系統(tǒng)包括發(fā)射、接收和控制三個部分，其中控制部分是通過無線通信的方式來實現(xiàn)的?？刂菩盘栍蓳艽a開關(guān)來產(chǎn)生，經(jīng)過編碼和調(diào)制由天線發(fā)送出去。然后經(jīng)接收端天線接收后，通過解調(diào)、譯碼等步驟還原出控制信號，控制信號分為兩路分別去控制七路LED和一路電燈。其中LED發(fā)光表示工作，而電燈的發(fā)光亮度則分為8個等級，并由數(shù)碼管顯示其級數(shù)。通信過程中由CPLD完成編碼和譯碼部分，由集成鎖相環(huán)NE564完成調(diào)制和解調(diào)過程。關(guān)鍵字：CPLD、集成鎖相環(huán)、2FSKAbstract: The system includes three parts , an emitte

2、r ,a receiver and controlling part. The control signals are firstly encoded by CPLD then modulated into 2FSK signals that are transmitted by antenna. Signals which are then received and amplified would be demodulated and decoded.Seven LEDs and a lamp that works in eight degree of lightness are contr

3、olled by the decoded signals. The encoding and decoding parts are finished by CPLDs while modulating and demodulating parts are finished by integrated PLL IC NE564.Keywords: CPLD, PLL, 2FSK. 目錄系統(tǒng)設(shè)計31、設(shè)計要求32、設(shè)計思路33、方案論證34、系統(tǒng)組成6單元硬件電路設(shè)計71、發(fā)射部分7 1）控制信號產(chǎn)生7 2）調(diào)制部分7 3）功放部分82、接收部分9 1）選頻放大部分9 2）解調(diào)部分9 3）控制部分

4、10軟件設(shè)計11 1）編碼模塊11 2）解碼模塊11系統(tǒng)測試12結(jié)論12參考文獻13附錄13系統(tǒng)設(shè)計1、設(shè)計要求A)基本要求：（1）工作頻率：f610MHz中任選一種頻率；（2）調(diào)制方式：AM、FM、或2FSK任選一種；（3）輸出功率：不大于20mW（在75假負載上）；（4）遙控對象：8個，被控設(shè)備用LED分別代替，LED發(fā)光表示工作；（5）接收機距離發(fā)射機不少于10m。B)發(fā)揮部分：（1）8路設(shè)備中的一路為電燈，用指令遙控電燈的亮度，亮度分為8級并用數(shù)碼管顯示級數(shù)；（2）在一定發(fā)射功率下（不大于20mW）盡量增加接收距離；（3）增加信道抗干擾措施；（4）盡量降低電源功耗。2、設(shè)計思路遙控電路

5、的本質(zhì)其實是一個通信傳輸數(shù)字信號的通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般模式都包括兩個部分，即發(fā)射部分和接收部分。本系統(tǒng)的初步設(shè)計思路如下：發(fā)射部分：圖一接收部分：圖二3、方案論證及選擇：基于以上設(shè)計思路，對各個部分進行方案論證和選擇 A)編碼解碼電路 方案一：采用單片機和專用編碼解碼芯片PT2262/2272組成的編碼解碼電路。PT2262/2272一對CMOS工藝制造的低功耗低價位帶地址、數(shù)據(jù)編碼/解碼功能，是目前在無線通訊電路中作地址編碼識別和數(shù)據(jù)傳輸最常用的芯片之一。采用PT2262將撥碼開關(guān)產(chǎn)生的并行控制信號轉(zhuǎn)化為一幀一幀的碼字，并送到信號調(diào)制部分進行頻率調(diào)制。而對應(yīng)的解碼芯片PT2272只要采用

6、和PT2262相同的預(yù)置地址就可以對接收并解調(diào)后的信號進行解碼，從而還原出發(fā)送的控制信號，來控制被控設(shè)備。編碼解碼過程如圖三所示。 圖三PT2262/2272編碼解碼過程 方案二：采用自行編碼解碼方式。整個編碼解碼過程完全在CPLD內(nèi)部由程序?qū)崿F(xiàn)。先將CPLD40M的時鐘信號進行分頻，產(chǎn)生一個低頻的方波來做編碼信號的起始位。發(fā)送的每一幀都是一個起始位加數(shù)據(jù)位，其中數(shù)據(jù)位部分是將10位的控制信號重復(fù)發(fā)送4次，只有當(dāng)一幀中4次的數(shù)據(jù)位完全相同時為有效，且發(fā)送為1時，產(chǎn)生占空比為75的矩形波，發(fā)送為0時，產(chǎn)生占空比為25的矩形波。碼字以串行的方式發(fā)送，在接收機接收到已調(diào)信號后，經(jīng)過解調(diào)，并將解調(diào)后的

7、碼字送到接收部分的CPLD,當(dāng)CPLD檢測起始位時，開始判斷收到的后40位是否每10位的數(shù)據(jù)都是一樣的，如果一樣則進行譯碼，將收到占空比位75的信號譯為1，收到占空比為25的信號譯為0；如果收到的數(shù)據(jù)位不一樣，則丟棄，并等待下一個碼字的到來。譯碼完畢后，輸出正確的控制信號去控制被控設(shè)備。編碼過程如圖四所示.控制信號： 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 編碼方式： 輸出的碼字： 圖四 其中紅色部分為起始位，后面為重復(fù)4次的數(shù)據(jù)位，只有當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)位完全一樣時，才送去控制LED和電燈。 通用的編碼解碼芯片，使用起來相對要簡單很多，但是要用到單片機等微處理器來控制，同時在本系統(tǒng)中控制信號有1

8、0位，超出了PT2262的編碼范圍，需要進行多次編碼來完成，使得使用過程變得繁瑣，而且體現(xiàn)不出具體的編碼解碼過程。方案二只需兩片CPLD不需要單片機的控制。外圍電路簡單，且能反應(yīng)自己的思想。故我們選用方案二。B）信號調(diào)制方式的選擇 方案一：采用振幅調(diào)制方式（AM），即，使載波信號的幅值隨所要發(fā)射的數(shù)字信號的變化規(guī)律而變化，經(jīng)天線發(fā)射并接收到的調(diào)幅波通過包絡(luò)檢波或同步檢波的方式解調(diào)出所需的信號。AM調(diào)制的優(yōu)點是接收設(shè)備簡單；缺點是功率利用率低，抗干擾能力差，在傳輸中如果載波受到信道的選擇性衰落，則在包絡(luò)檢波時會出現(xiàn)過調(diào)失真，信號頻帶較寬，頻帶利用率不高。 方案二：采用頻率調(diào)制方式（FM），即，使

9、載波信號的頻率隨所要發(fā)射的數(shù)字信號的變化規(guī)律而變化，接收到的調(diào)頻信號通過鑒頻等方式來解調(diào)。FM波的幅度恒定不變，這使它對非線性器件不甚敏感， FM的抗干擾能力強，可以實現(xiàn)帶寬與信噪比的互換，因而FM廣泛應(yīng)用于長距離高質(zhì)量的通信系統(tǒng)中，如空間和衛(wèi)星通信、調(diào)頻立體聲廣播、超短波電臺等。 方案三:采用移頻鍵控方式(2FSK), 即,用數(shù)字信號調(diào)變載波信號頻率的調(diào)制方式,也稱為數(shù)字調(diào)頻.傳送1碼時載波頻率為(fc+fd),傳送0碼時,載波頻率為 (fc-fd) 。不同的頻率對應(yīng)著不同的數(shù)字信號。一般簡易數(shù)字系統(tǒng)中均采用二元移頻鍵控。調(diào)幅信號的外圍電路實現(xiàn)起來簡單，但其抗干擾能力較差，功率利用率較低，傳

10、輸距離達不到很遠。調(diào)頻的方式相對于調(diào)幅而言在通信質(zhì)量上有很大的改進，但外圍電路較為復(fù)雜，同時，對帶寬的要求較高。本系統(tǒng)是由撥碼開關(guān)來產(chǎn)生控制信號的，撥碼開關(guān)的兩個狀態(tài)高電平和低電平經(jīng)過編碼后輸出數(shù)據(jù)1和0，故采用數(shù)字編碼方式即方案三，既能很簡單的實現(xiàn)數(shù)字通信，又有較高的通信質(zhì)量。C）信號的調(diào)制解調(diào)電路 高頻模擬鎖相環(huán)NE564的最高工作頻率可達到50MHz，采用+5V但電源供電，特別適用于高速數(shù)字通信中FM調(diào)頻信號及2FSK頻移鍵控信號的調(diào)制、解調(diào)，無需外接復(fù)雜的濾波器。NE564采用雙極性工藝，其內(nèi)部組成框圖如圖五所示: 圖五限幅器可以抑制FM和2FSK信號的寄生調(diào)幅；相位比較器內(nèi)部含有限幅

11、放大器，以提高對AM調(diào)幅信號的抗干擾能力；4、5腳，可外接電容組成低通濾波器，用來濾除比較器輸出的直流誤差電壓中的紋波；改變2腳的輸入電流可改變環(huán)路增益；壓控振蕩器VCO的內(nèi)部接有固定電阻R,只需外接一個定時電容就可以產(chǎn)生振蕩；由施密特觸發(fā)器和直流恢復(fù)電路組成的后置鑒相器在2FSK解調(diào)時進行檢波后處理。 NE564內(nèi)部集成了鎖相環(huán)、后置鑒相器，只需使用很少的外圍電路即可實現(xiàn)2FSK信號的調(diào)制和解調(diào)，并輸出整形后的調(diào)制信號，使用方便。本系統(tǒng)中，我們采用了2FSK調(diào)制方式，所以選用NE564來實現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)。4、系統(tǒng)組成本系統(tǒng)主要由發(fā)射部分和接收部分組成，經(jīng)過以上方案論證和選擇，確定系統(tǒng)的具

12、體組成框圖如下。圖六發(fā)射部分主要由撥碼開關(guān)來產(chǎn)生控制信號，并將該信號送入CPLD內(nèi)進行編碼，輸出的碼字用來對NE564內(nèi)壓控振蕩器產(chǎn)生的載波進行調(diào)制，已調(diào)2FSK信號，進入功放進行放大，以得到足夠大的功率，通過天線發(fā)射出去。圖七接收部分，首先要經(jīng)過一級選頻網(wǎng)絡(luò)，選出天線上接收到的信號中的系統(tǒng)所需要的信號，然后送到NE564中進行解調(diào)，再將解調(diào)出來的編碼信號送入CPLD內(nèi)進行譯碼。譯碼輸出的數(shù)字信號即為系統(tǒng)的控制信號去驅(qū)動LED和電燈。 圖六 發(fā)射部分組成框圖 圖七 接收部分組成框圖 單元硬件電路設(shè)計1、發(fā)射部分1）控制信號由10位撥碼開關(guān)來產(chǎn)生，其中3位用來控制電燈的亮度和數(shù)碼管的顯示，另外7

13、位用來控制LED的工作，并用按鍵來控制信號的發(fā)送。系統(tǒng)中，用到一個四位的撥碼開關(guān)和一個八位的撥碼開關(guān)，其中分別有一個撥碼在CPLD內(nèi)部接地，為無效位，在圖八中為1和8。2）調(diào)制部分?jǐn)?shù)字信號的調(diào)制在通信系統(tǒng)中占有很重要的地位，本系統(tǒng)中信號的調(diào)制和解調(diào)用的都是Philips公司生產(chǎn)的NE564集成鎖相環(huán)，其工作頻率可以高達50MHz。NE564由輸入限幅器、鑒相器、壓控振蕩器、放大器、直流恢復(fù)電路和施密特觸發(fā)器六大部分組成，最大鎖定范圍達12f，輸入阻抗大于50k，電源電壓512V，典型工作電流60mA。NE564內(nèi)部的限幅器采用差動電路，高頻性能很好，在輸入幅度不同的條件下，產(chǎn)生恒定幅度的輸出電

14、壓，作為鑒相器的輸入信號。在接收FM或2FSK信號時，對抑制寄生調(diào)幅、提高解調(diào)質(zhì)量是很有利的；壓控振蕩器采用改進型的射極耦合多諧振蕩器，并有TTL和ECL兼容的輸入輸出電路；放大器由差動對組成；施密特觸發(fā)器與直流恢復(fù)電路共同構(gòu)成2FSK信號解調(diào)時的檢波后處理電路。本系統(tǒng)中，由NE564構(gòu)成的數(shù)字信號調(diào)制電路如圖九，圖中，12、13腳 圖九之間接的電容用來設(shè)置載波的頻率，本系統(tǒng)設(shè)定的載頻為8M，則根據(jù)以下公式來計算得VCO頻率設(shè)置電容： 可得到C0=56.81pF，所以采用47pF和318pF的可調(diào)電容并聯(lián)來得到，可調(diào)電容用來粗調(diào)諧振頻率，4腳和5腳之間的可變電阻R3則用來對振蕩頻率進行細調(diào)，通

15、過調(diào)節(jié)滑動變阻器R1，改變流入2腳的電流，可以改變鎖相環(huán)的捕獲帶范圍，來增加電路的動態(tài)范圍。 3）功放部分 功放部分采用分立元件構(gòu)成的功率放大器，為了提高性能采用兩級放大。其中第一級為射極跟隨器，其輸入阻抗很大，用來隔離前后級，以防相互干擾，第二級為功放級，在本系統(tǒng)中，用到的功放是甲類的，可將輸出信號放大到10V以上。具體電路如圖十所示。R1和R2用來設(shè)置c8050的靜態(tài)工作點，第一級從射極輸出通過電容C2耦合到第二級，以防止輸出信號中的直流成分影響第二級的靜態(tài)工作點。第二級放大電路的諧振網(wǎng)絡(luò)通過調(diào)節(jié)C3使之諧振在8M，通過電感L2使天線諧振在8M實現(xiàn)一種簡單的匹配。 圖十 2、接收部分1）選

16、頻放大部分 選頻部分是為了選出天線上感生的信號中的有用成分，在本系統(tǒng)中即為8M的2FSK信號，用三極管9018組成兩級小信號放大電路，集電極為一個中心頻率為8M的LC振蕩回路，由此來對信號進行選頻放大，具體實現(xiàn)電路見圖十一。L和C2實現(xiàn)對信號的選頻，集電極輸出實現(xiàn)對小信號的放大。 圖十一 2）解調(diào)部分 已調(diào)信號同樣是通過NE564來實現(xiàn)解調(diào)的。NE564集成鎖相環(huán)在2FSK信號解調(diào)的應(yīng)用中占有很強的優(yōu)勢，因為它包含一個內(nèi)置電壓比較器和一個TTL電平輸入輸出兼容的壓控振蕩器，還包含由施密特觸發(fā)器與直流恢復(fù)電路共同構(gòu)成2FSK信號解調(diào)時的檢波后處理電路。本系統(tǒng)采用NE564組成的2FSK解調(diào)器如下

17、： 圖十一 圖中，C1是輸入耦合電容，R1,C2組成差分放大器A1的輸入偏置電路濾波器，可濾除2FSK信號中的雜波。R2對引腳2提供輸入電流I2,可控制環(huán)路增益和壓控振蕩器的鎖定范圍，從而可以提高接收靈敏度。R2與電流I2的關(guān)系可表示為：I2一般為幾百微安。在本系統(tǒng)調(diào)試時，2腳電壓為207mV，R2選擇為2K,輸入2腳的電流大約為500uA。R5為壓控振蕩器輸出端必須接的上拉電阻。VCO的輸出與相位比較器相連，構(gòu)成鎖相環(huán)。電容C3、C4與內(nèi)部兩個對應(yīng)電阻分別組成一階RC低通濾波器，其截止角頻率為： 濾波器的性能對環(huán)路入鎖時間的快慢有一定的影響。解調(diào)部分壓控振蕩器的振蕩頻率同調(diào)制部分，所以選擇4

18、7pF和318pF的電容并聯(lián)，經(jīng)過調(diào)試使振蕩頻率為8M.電阻R7和可變電阻R8用來調(diào)整NE564內(nèi)部施密特觸發(fā)器的回差電壓，可改善輸出方波的波形，R9為輸出的上拉電阻，也有改善波形的功效。3）控制部分 經(jīng)過NE564解調(diào)出來的碼字，送到CPLD內(nèi)進行解碼，輸出的信號送去控制LED和電燈工作。具體實現(xiàn)電路見圖十二和圖十三。 圖十二 LED控制電路 圖十三 電燈亮度控制電路圖十三所示為電燈亮度控制電路，當(dāng)CPLD對應(yīng)Q1基極輸出低電平時Q1管導(dǎo)通，集電極電流I1控制電燈發(fā)光，亮度為1；當(dāng)Q2導(dǎo)通時集電極電流I2控制電燈發(fā)光，亮度為2；當(dāng)Q3導(dǎo)通，I3控制電燈亮度為3；當(dāng)Q1,Q2同時導(dǎo)通時，電流I

19、1+I2控制電燈發(fā)光，亮度為4，；Q1,Q3同時導(dǎo)通時，電流I1+I3控制電燈亮度為5；當(dāng)Q2,Q3同時導(dǎo)通時，電流I2+I3控制電燈亮度為6；當(dāng)Q1,Q2,Q3同時導(dǎo)通時，電流最大為I1+I2+I3,此時電燈最亮，亮度等級為7，剩下一級即三管都不導(dǎo)通，無電流通過，電燈不發(fā)光，亮度為0。數(shù)碼管的現(xiàn)實由寫在CPLD內(nèi)部的48譯碼器來驅(qū)動，分別對應(yīng)上述亮度現(xiàn)實亮度等級。軟件設(shè)計 軟件部分完全集中在了CPLD內(nèi)部。用Verilog語言在發(fā)送部分的CPLD內(nèi)部寫了一個40分頻的分頻器，將CPLD的CLK信號進行40分頻，為編碼提供占空比為50的起始位，具體編碼過程由編碼模塊內(nèi)部實現(xiàn)。 具體的解碼過程，由CPLD內(nèi)部的解碼模塊來完成，解碼出來的控制信號分成兩個部分，其中7位直接用來控制LED發(fā)光，另外3位之間控制電燈發(fā)光的同時，還要在CPLD內(nèi)部通過控制7448譯碼器來驅(qū)動數(shù)碼管顯示亮度等級。CPLD內(nèi)部的解碼及控制模塊如下圖。具體實現(xiàn)編碼解碼過程的Verilong代碼見附錄。系統(tǒng)測試 略 結(jié)論 本設(shè)計分為發(fā)射，接收和控制三個部分，其中發(fā)射部分是通過CPLD實現(xiàn)數(shù)字信號的編碼，采用集成鎖相環(huán)NE564,產(chǎn)生8MHz載波信號并進行調(diào)制，輸出2FSK信號經(jīng)天線發(fā)射出去，天線發(fā)射出去的8MHz的2FSK信號波形較為穩(wěn)定，頻偏 400K左右 ，通過電源濾波等措施減少了信號的寄