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在智能化家居控制系統(tǒng)應(yīng)用中，無線通信和控制已經(jīng)越來越廣泛地被運(yùn)用。為了實(shí)現(xiàn)對居室電器設(shè)備的集中無線控制，可采用電話遙控、手持遙控器進(jìn)行遠(yuǎn)程或短距離的無線控制，但所控制和傳輸?shù)男盘柖际荝F信號。然而有些被控對象本身是用紅外信號遙控的，例如電視機(jī)、空調(diào)，由于各種品牌的空調(diào)都有自己的紅外編碼信號，相互不能通用，這就給智能化家居控制系統(tǒng)中紅外遙控器的集中無線控制帶來了極大的不便。本文就基于Msp430的低功耗RF/紅外控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。 1 工作原理 大多數(shù)紅外遙控信號的輸出都是用編碼后串行數(shù)據(jù)對38"40KHz的方波進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制而產(chǎn)生的PWM信號，如圖1所示。各種品牌的紅外遙控器的編碼信號互不兼容。 對該波形進(jìn)行測量，并將高低電平的寬度存于 Flash中，而不管其如何編碼。當(dāng)需要對遠(yuǎn)端的紅外設(shè)備進(jìn)行無線控制時，在內(nèi)存中取出該數(shù)字序列，經(jīng) Msp430單片機(jī)中的捕獲比較功能模塊，將其還原成紅外編碼信號。為了實(shí)現(xiàn)無線傳輸，將該信號調(diào)制到 350MHz或 420MHz的無線電波上進(jìn)行傳送。 由于紅外編碼信號的頻率只有幾十 K左右，而無線載波的頻率是350MHz，以上變換的誤差很小。而防止產(chǎn)生誤動作的關(guān)鍵是脈沖函數(shù)的寬度的選取。采樣頻率越高，誤差就越小，但內(nèi)存的用量就越大。本文選取采樣頻率為紅外基波頻率（20KHz）的 6倍。 接收端的電路先將收到的調(diào)制信號解調(diào),得到與圖 1相似的紅外波形，該信號通過紅外驅(qū)動電路將驅(qū)動紅外發(fā)光兩極管，就可以得到遙控發(fā)射信號，完成要求的控制動作。只要解調(diào)信號和實(shí)際的紅外波形有很好的一致性，就能夠正確的實(shí)現(xiàn)紅外遙控。 2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 本控制器分主控制器和接收節(jié)點(diǎn)兩個部分。如圖2所示。 1）電源模塊 電源模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。把220V的交流電轉(zhuǎn)換成數(shù)字電路工作所需要的3V和6V的直流電，其中3V是主要供單片機(jī)所使用的，6V供給紅外一體化接收頭和RF發(fā)射、接收模塊使用的。此系統(tǒng)的電源回路設(shè)計(jì)采用無變壓器的有源電路，它主要由一些電容、電阻、二極管、穩(wěn)壓管等組成，可達(dá)到體積小，耗電少、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能穩(wěn)定可靠的指標(biāo)。 2）控制器模塊 控制器模塊以MSP430F1121單片機(jī)為控制器，它的主要功能是完成與其它模塊的接口，控制和協(xié)調(diào)各模塊的工作。MSP430是TI公司推出的16位系列單片機(jī)，它具有4kB+256字節(jié)的FLASH ROM和256字節(jié)的RAM的存儲空間。因此，在整個硬件電路上無須外加程序存儲器。在電池供電的低功耗應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其工作電壓在 1.8-3.6V之間，正常工作時功耗可控制在200μA左右，低功耗模式可實(shí)現(xiàn)2μA甚至0.1μA的低功耗。當(dāng)單片機(jī)處于閑置狀態(tài)時，可以讓其處于睡眠狀態(tài)以降低供耗，可供選擇的有6種模式：活動方式（AM）和低功耗方式（LM0,LM1,LM2,LM3，LM4），低功耗方式可讓其最低功耗幾乎為零�！� 3）紅外自學(xué)習(xí)模塊 紅外自學(xué)習(xí)模塊的主要功能是能夠?qū)W習(xí)并記錄各種格式紅外編碼波形，常規(guī)的方法是將各種型號的紅外編碼存于一個表中，但這需要海量存儲器。本模塊由 MSP430單片機(jī)內(nèi)的捕獲/比較功能模塊、紅外一體化接收頭，2個開關(guān)，一個為自學(xué)習(xí)開關(guān)，另一個為復(fù)位開關(guān)，以及指示用的LED組成。 圖3 是捕獲比較模塊的結(jié)構(gòu)框圖。捕獲比較模塊用于捕獲應(yīng)用事件的發(fā)生時間，或產(chǎn)生定時間隔。利用Timer_Ad定時器的捕獲功能，將CCTL1中的模式位CAP置位，并選定任意跳變的脈沖觸發(fā)模式，當(dāng)被測的紅外波形產(chǎn)生上升沿或下降沿時，定時器計(jì)數(shù)值將被復(fù)制到捕獲寄存器CCR1中。相鄰兩次跳變時所記錄的定時器計(jì)數(shù)值之差就是高電平或低電平的持續(xù)時間。將每個時間值保存在FLASH中，就是將紅外編碼波形完整的記錄下來。由于是波形的復(fù)制，可以避免由于廠家不同，紅外遙控器發(fā)出的紅外編碼信號不統(tǒng)一而帶來的麻煩。由于每發(fā)生一次捕獲，捕獲/比較模塊寄存器將產(chǎn)生中斷，因此程序能方便的判斷紅外波形是否結(jié)束。另外，捕獲/比較模塊中的輸出單元可根據(jù)定時器計(jì)數(shù)到CCRx和CCR0時，輸出PWM波形�！� 由于MSP430具有高穩(wěn)定度的時鐘，所以所捕獲的紅外編碼有較精確的波形，能夠準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)紅外編碼信號，實(shí)現(xiàn)紅外編碼的自學(xué)習(xí)和存儲，以供紅外-射頻調(diào)制模塊的使用。 4）紅外-射頻調(diào)制發(fā)射模塊和射頻-紅外解調(diào)模塊 該模塊將事先存儲在FLASH中代表紅外編碼波形高低電平的時間值，放入CCRx和CCR0作為定時器計(jì)數(shù)值，當(dāng)定時器計(jì)數(shù)到CCRx和CCR0時，捕獲/ 比較模塊中的輸出單元輸出PWM波形，通過無線發(fā)射模塊，將該P(yáng)WM信號攜載在315MHz的載波上發(fā)射出去。無線發(fā)射模塊采用ASK調(diào)制，其工作頻率為 315MHz，采用聲表諧振器SAW，頻率穩(wěn)定度較高。 接收模塊采用315MHz的超外差接收模塊, 其優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定，抗干擾能力好，和單片機(jī)配合時性能比較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是靈敏度比較低。通過該模塊，將接收到的ASK信號解調(diào)成PWM信號，該信號就是紅外編碼信號，故通過紅外驅(qū)動-發(fā)射模塊將驅(qū)動紅外發(fā)光兩極管，就可以得到遙控發(fā)射信號，完成要求的控制動作。 3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)控程序、中斷程序以及數(shù)據(jù)處理程序等。流程圖見圖4。監(jiān)控程序 主要完成 P1 P2口各位的輸入、輸出引腳定義，中斷設(shè)置，定時器捕獲模式設(shè)定等系統(tǒng)初始化，等初始化程序結(jié)束后，設(shè)定 MSP430F413工作在低功耗模式LPM4, 使 CPU處于休眠狀態(tài)，其能耗最低（0.1μA）。由于P1 、P2口具有中斷功能，能夠?qū)崟r的捕捉觸發(fā)事件，P2.1和P2.2口線連接紅外學(xué)習(xí)開關(guān)，P2.3連接復(fù)位開關(guān)。P1.0和 P1.1口線連接 RF接收模塊，P1.2線則接收來自紅外一體化接收頭的信號，P1.3口線發(fā)射紅外信號，當(dāng)其中任何一個引腳收到跳變信號時，就觸發(fā)一個中斷事件將系統(tǒng)從休眠中喚醒，這樣使得系統(tǒng)的用電大大的節(jié)約下來。 開發(fā)工具選擇TI公司的MSP430系列單片機(jī)配套的IAR Embebbed Workbench 集成軟件開發(fā)系統(tǒng)，它可以通過仿真器對目標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線編程，將程序通過仿真器寫到單片機(jī)中實(shí)時的運(yùn)行，設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試，通過強(qiáng)大的調(diào)試窗口功能可觀察分析運(yùn)行結(jié)果。 4．結(jié)束語 應(yīng)用本文的設(shè)計(jì)思想和方法，可以較好地實(shí)現(xiàn)用無線信號對原紅外遙控設(shè)備的控制，該控制器在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)得到較好的驗(yàn)證，具有精度高、控制準(zhǔn)確、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。為智能化家居控制系統(tǒng)中紅外遙控設(shè)備的集中無線控制提供了一套可行方案。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 1 對紅外編碼信號的波形進(jìn)行測量，并將高低電平的寬度存于 Flash中，而不管其如何編碼，可實(shí)現(xiàn)各種型號紅外遙控器的自學(xué)習(xí)。 2 將紅外信號調(diào)制在射頻信號上，可解決紅外信號傳播的方向性缺點(diǎn)以及不能穿墻的問題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線控制 3 超低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對于功耗敏感的應(yīng)用提供了一種很好的解決方案。 |
