1、机器手控制之无线遥控10.4 机器手控制之无线遥控10.4.1 无线遥控原理概述无线信号的发射与接收存在于我们的日常生活中，时时处处伴随着我们。从发射与接收无线信号是否是人们有意识有目的进行的活动上，可以将它分为有意识的和无意识的两种。显而易见，有意识遥控是人为设定并控制的发射与接收，一般是有益的，例如遥控玩具车、遥控飞机模型、遥控电视等；无意识遥控则不然，它是自然形成的发射与接收，人们往往没有预知，也无法避免或消除，这种也被称为无益遥控，例如收音机接收到雷电放电时产生的电磁辐射、日光灯的启辉器在开启瞬间产生的电磁波发射等。无线电波是电磁波的一部分，我们一般都会按照频率或波长将无线电波进行分类
2、。这是因为它有较宽的频率范围，而且，对于不同频段的无线电波，它的特性也有区别。为此，我国颁布了无线电频段划分表，如表10.4.1所示。表10.4.1 无线电频段和波段命名频段名称频率范围波段名称波长范围极低频(330Hz极长波(10010106m超低频(30300Hz超长波(101106m特低频(3003000Hz特长波(1000100km甚低频(330kHz甚长波(10010km低频(LF(30300kHz长波(101km中频(MF(3003000kHz中波(1000100m高频(HF(330MHz短波(10010m甚高频(VHF(30300MHzM波(101m特高频(UHF(3003000
3、MHz分M波(微波(101dm超高频(SHF(330GHz厘M波(微波(101cm极高频(EHF(30300GHz毫M波(微波(101mm至高频(3003000GHz丝M波(微波(10.1mm从表10.4.1可以看出，无线电遥控可利用的波段达12种之多，当然各波段的利用是需要条件的。实际上，在选择载波频率的频段时，要考虑的因素有很多，比如遥控设备的特点、实际遥控距离、天线长度和允许的功率范围等。读者要依据具体的条件选用较为合适的频段与波段。用电磁波控制信号的控制器称为无线电遥控器。它由两部分组成发射机和接收机，前者用于发送控制信号，后者用于接收控制信号。这是因为一般情况下，控制信号不能被直接发
4、送与接收。而由发射机用高频信号调制控制信号，然后发送出去，以及由接收机解调接收到的高频信号，然后从中取出控制信号。发射机发射信号与接收机接收信号一般都是利用天线来完成的。发射机和接收机都可以分为各种不同的种类。对于发射机，按照各自用途的不同可分为单通道和单通道、开关式和比例式等多种工作方式；按照各自控制对象功率的不同可分为小功率、中功率和大功率几种；按照各自物理大小的不同可分为袖珍式制和调幅(AM制。其中，调频是使载频的频率按指令信号的规律变化，调幅是使载频的幅度按指令信号的规律变化。对于接收机，可分为超再生式、超外差式等类型。接收机的工作过程依次为选择信号、放大信号和解调信号。一个无线遥控玩
5、具即可视为简单的实现无线控制的机器手。从玩具内部，我们可以找到无线频率(RF控制器，这一模块化的无线控制器可用于机器人上。从众多的机器人比赛中可以看出，在机器手上应用无线控制器是不难实现的。除了具有控制功能以外，有些模块还能传送数据。比如，应用了数据模块的机器手可以将由力觉或视觉等传感器采集的信息传输给计算机。这一功能避免了使用数据线的限制，因此可以实现双向的异地遥控。比如使用远距离的计算机编程无线异地控制机器手这是数据从计算机到机器手的传输；从另一方向，由机器手到计算机也可以无线传输，例如，车库自动门系统接收到周围环境的状态信息并传输到计算机。以上讲的是机器手与计算机间数据传输和控制。这种无
6、线控制也可应用于多个机器人之间的协同工作。打一个形象的比喻，无线频率控制模块就像手机一样供机器手之间互通信息使用。图10.4.1无线数据传输模块 10.4.2 无线遥控的接收模块因为大规模多功能集成电路已逐步代替分立元件，在一些先进的接受机电路中，仅采用两块集成电路即可构成功能很强的接收机，使其制造大为简化。美国摩托罗拉公司生产的对讲机、遥控接收机专用集成电路MC3357、MC3359、MC3361、MC3362、MC3367以及MC3372等广泛应用于各类无线电遥控器中，以它优良的产品性能深得用户喜爱。下面介绍典型电路MC3357为例。MC3357是调频中频专用集成电路器件，内部包括振荡器、
7、混频器、限频放大器、鉴频器、有源滤波器、静噪触发电路和音频放大器等，采用双列直插塑封形式封装，具体应用电路参考图10.4.2。混频器送出455kHz信号，经JT五端陶瓷滤波器滤波后，由引脚5输入到内部限幅放大器，放大后的中频信号由引脚8输入进行鉴频，随后信号由内部音频放大器放大从引脚9输出。引脚14内部接静噪电路的开与关引脚14输出1或0控制信号）。有信号时，引脚14与地断开，外部功放电路工作；无信号时，引脚14与地接通，整个接收电路处于“静噪”状态。MC3357的工作电压为58V，其他参数详见MC3359的接收电路。图10.4.2 MC3357应用电路10.4.3 无线遥控的发射模块随着电信
8、技术的日益发展，调幅式遥控器已经被后来居上的调频；话筒放大器：第5引脚当输入为1mV,f=1.0kHz时，闭环增益为30dB，输入为30mV，失真为0.7%。图10.4.3是MC2831的内部框图，图10.4.4是MC2831构成的无线电发射典型应用。图10.4.3 MC2831的内部框图图10.4.4 MC2831构成的无线电发射典型应用MC2831集话筒放大器、导频振荡器、RF(射频振荡器、调制器、射频缓冲器为一身。图10.4.5中MC2831第5引脚直接接入动圈话筒。导频振荡器的频率由第9引脚外接电路和电容决定。当第7引脚电位约小于1.4V时，即能触发内部开关使导频振荡器工作。振荡信号由
9、第8引脚输出，经C0与话筒混合。混合后的信号经C1送入第3引脚由内部变容管进行调制。射频振荡器工作在16MHz，已调制的16MHz射频信号送入缓冲级进行倍频，并由L1、C2组成选频电路，最后送入由L2、C3、C4组成的天线匹配网络，经天线发射出去。如欲加大发射功率，可适当增加一级功放电路。10.4.5 发射机等效电路图10.4.4 机器人平台中无线控制系统的设计智能机器人是目前的一个研究热点，它涉及到了多种不同的学科，如传感器、计算机、通信等领域，要求设计开发人员具有较为宽广的知识面。越来越多的智能机器人系统将应用于人们的生产生活当中，机器人将广泛的代替人类从事一些高危作业和科学探索活动。如何
10、有效、可靠地控制好机器人，一直是重点研究问题。这个在机器人平台中设计无线控制系统的例子实现了控制机和智能机器人之间的无线通信和控制，并且设计了一个简单的通信协议，开发了控制软件和相关嵌入式程序。本例所给出的智能机器人平台无线控制系统只是多种可行设计方案中的一种，读者可以自己构想设计方案。本例中，控制机和机器人之间通过无线链路进行通信，控制机发送指令到机器人的无线接收端。机器人接收到信号后，根据设定的无线通信协议解读出正确的指令并执行相关动作。无线控制系统的设计主要分三大部分：一是无线收发电路的设计；二是发送端程序设计，本方案主要是Pc机上数据发送软件的设计；三是机器人接收端的嵌人式程序设计，功
11、能是使机器人能够正确执行接收到的指令。下面将简要介绍各个功能模块的设计思路。本设计中无线控制的收发模块采用双向半双工收发一体的方案，核心的部件为nFR401，这是一款国内应用很广泛的FSK射频芯片，使用该芯片所需要的外围电路较为简单。因为采用了低发射功率，高接收灵敏度的设计，并且工作在ISM频段，所以无需申请许可，满足了无线电管制要求，是低功率、近距离无线控制的优良选择。该芯片的另一个优点是可以直接和单片机的串口相连，无须首先进行曼彻斯特编码，大大方便了数据的传输。因为nFR401单片集成的功能很多，收发模块电路较为简单，除了和Pc机的Rs一232相连之外，也可以直接和其他串口设备连接。信号经
12、过433MHz的天线进行收发操作。系统示意图如图10.4.6所示。图10.4.6 系统示意图Pc机端发送软件的设计较为容易实现，在Windows平台下使用VC+开发工具，采用串口通信的控件可以很快建立起发送端软件框架。在软件中采用一个简单的通信协议，它规定一个有效的指令为8个字节，并且每条指令以0x22开始以0x33结尾，指令的第二个字节为机器人的编号，每个机器人的编号不同。其中，当第二个字节为OxO0时为广播状态，所有机器人都要执行发送端发送来的指令。从第三个字节开始到第七个字节为数据位，不同的数据码对应机器人执行不同的动作。协议结构如表10.4.2所示。表10.4.2 通信协议结构起始位控
13、制位数据位终止位0x22.0x33Pc端的发送软件主要是经过操作系统的人机界面将信息通过Pc的串口发送出去，用开发工具可以很轻松的在Pc端设计出一个软件界面，将协议绑定到软件界面的相关按钮上，软件设计部分基本就完成了。本设计将基本的前进、后退、左转、右转等类似的命令设计成OnButtonAhead(，OnButtonBack(等相关的函数。不同的函数对应不同的动作，在通信协议4个字节的数据位上，用不同的数据代表不同的动作，例如前进函数可以这样编写：voidCSCommTestDlg：OnButtonAhead(UpdateData(TRUE；charstring=”223”；/数据位4个16进
14、制数42代表前进m_strTXData=string；CheckDlgButton(IDCCHECKAUTOSEND，1；CSCommTestD1g：OnCheckAutosend(；UpdateData(FALSE；其它函数也是类似，通过改变数据位的值，就能设计出各种不同动作，但是接收端一定要存储各种动作的协议信息，否则不会执行。机器人是无线信号的接收端，如何让机器人正确的接收、执行动作是接收端嵌入式程序设计的重点图2为程序大致的流程图。首先要根据不同的机器人平台设计系统初始化程序，不同单片机、不同的FPGA控制的机器人所要的程序是也不同的，但是他们的思路都是一致的。在系统初始化阶段，首先将
15、机器人控制芯片的10端口进行初始化RobotInit(；同时初始化射频芯片的端口，使其处于接收状态，设计函数为RFInit(；因为使用串口进行数据传送和接收，所以还要对接收端控制芯片的串口进行初始化Uartln(。程序的核心部分是串口接收数据的处理过程，设计一个函数为Processing(，它主要负责检测数据帧提取出其中的数据位，判断数据接收的是否正确，如果正确则根据其数据位匹配相应的动作并执行，如果接收到的数据是错误的就将其丢弃。此外，在接收端的嵌入式程序中还要设计相应的动作函数比如前进GoAhead(，左转TurnLeft(等函数，要与PC端或者其他串口设备发送过来的数据位对应。图10.4
16、.7 接收端程序流程图这个无线遥控的应用实例提出了一套简单的无线控制系统设计思路，在实际应用中除了机器人控制之外，对与其它近距离无线控制系统也是一种不错的选择。本设计经过了实际的验证，在范围200M以内系统均能进行正确的收发操作。目前单片机和可编程逻辑器件应用越来越广泛，在一些嵌入式程序设计中，基本的流程是一样的只要稍加修改即可运行在其它器件上。因此，本方案的接收端程序设计具有一定的代表性。此外，对于那些要求数据传输很精确的应用场合，可以选择更精确的射频芯片或者运用纠错、校验等技术提高传输的精度。本例方案是基于射频技术，对于其它涉及近距离无线通信、测控、传感器网络等系统的设计也具有参考作用。1
17、0.4.5 无线遥控的应用实例1 无线模块工作原理图10.4.8是本例将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台，这个应用实例用到了综合系统主机、200M无线遥控器，无线接收板。图10.4.8 单片机综合学习系统本例选用PT2262/2272无线模块，它是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编/解码电路，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别最常用的芯片之一。PT2262/2272最多可有12位(A0-A11三态(悬空,接高电平,接低电平地址设定管脚,任意组合可提供531441个地址码。PT2262最多可有6位(D0-D5数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚的波形来表示1个
18、“0”，用2个周期的占空比为2:3(即高电平宽度为2，低电平宽度为1，周期为3的波形来表示1个“1”，用1个周期的占空比为1:3的波形紧跟着1个周期的占空比为2:3的波形来表示“开路”。地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”。编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字。解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。PT2262每次发射时至少发射4组字码，因为无线发射的特点，第一组字码非常容易受
19、零电平干扰，往往会产生误码，所以2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控ASK调制）相当于调制度为100的调幅。PT2272解
20、码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采用4路并行数据时，对应的地址编码应该是6位。 PT2262和PT2272除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，一般要求译码器振荡频率要高于编码器振荡频率的2.58倍，否则接收距离会变近甚至无法接收，随着技术的发展市场上出现一批兼容芯片，在实际使用中只要对振荡电阻稍做改动就能配套使用。在具体的应
21、用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。市场上大部分产品都是用2262/1.2M2272/200K组合的，少量产品用2262/4.7M2272/820K。PT2262编码电路与PT2272解码电路一般配对使用，PT2262的特点是在其内部已经把编码信号调制在了一个较高的载频上。要把遥控编码信息用无线方式(红外线或无线电等传送出去，必须有载体(载波，把编码信息“装载”在载体上(调制在载波上才能传送出去，因此需要一个振荡电路和一个调制电路。PT2262编码器内部，已包含了这些电路，从DOUT端送出的是调制好了的约38kHz的高频已调波，
22、因此使用起来非常方便，适用于红外线和超声波遥控电路。表10.4.3 编码电路PT2262管脚功能表名称管脚说 明D0-D57-8、10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉Vcc18电源正端）Vss9电源负端）TE14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率OSC215振荡电阻振荡器输出端Dout17编码输出端,必须与2262一致,否则不解码D0-D57-8、10-13地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数
23、据才能转换Vcc18电源正端）Vss9电源负端）DIN14数据信号输入端，来自接收模块输出端OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率OSC215振荡电阻振荡器输出端VT17解码有效确认输出端常低）解码有效变成高电平 ，尺寸(mm： 58*39*14 ,工作频率：315MHz ,工作电流(mA：13编码类型： 固定码(板上焊盘跳接设置 应用说明：与各类型带解码功能的接收模块联合使用，解码输出后进行相应控制，如采用单片机进行读取接收并解码数据然后控制相应的灯或电源开关。图10.4.10 编码发射模块实物图与原理框图其中编码部分电路由PT2262编码IC来组成，具体电路见图4所示。
24、图10.4.11 编码电路原理图3 基于PT2272的无线解码模块解码接收模块包括接收头和解码芯片PT2272两部分组成。接收头将收到的信号输入PT2272的14脚： 49*20*7 ,工作频率：315MHz,工作电流：5mA ,编码类型：固定码(板上焊盘跳接设置 应用说明：与各类型遥控器配合使用，解码输出后进行相应控制，如采用单片机进行读取接收并解码数据然后控制相应的灯或电源开关。图10.4.11 解码接收模块和电路原理图图10.4.12 无线遥控接收板4 无线收发模块的地址码设定在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码芯片PT2262和解码芯片PT2272的第18脚为地址
25、设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，地址编码不重复度为38=6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的18脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第2脚接地，第3脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第2脚接地，第3脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。地址设置跳线如图7所示，用户可以在PCB板上直接将地址
26、引脚PCB板中间8个过孔焊盘）与L低电平）或H 实例功能：在发射模块上按下A、B、C、D四个键，接收模块将接收到的数据传送给单片机，在单片机上实现LED数码管显示。A、B、C、D分别对应1、2、3、4。即发射模块上按下A按键，对应单片机接收到后在LED数码管上显示0001，按下B键显示0002实际效果如图8所示。图10.4.14 无线遥控实验演示图(2 硬件原理图图10.4.15 硬件原理图(3 程序流程图开 始端口初始化否是否有接收信号是接收数据显示数据图10.4.16 软件流程图/*/*无线收发模块演示程序 */*目标器件：AT89S51 */*晶振:11.0592MHZ */*编译环境：Keil 7.50A */*
