无线电遥控系统

无线电遥控系统1论文设计要求1.1基本要求（1）工作频率：fo=6～10MHz中任选一种频率。（2）调制方式：AM、FM或FSK……任选一种。（3）输出功率：不大于20mW（在标准75Ω假负载上）。（4）遥控对象：8个，被控设备用LED分别代替，LED发光表示工作。（5）接收机距离发射机不小于10m。1.2发挥部分（1）8路设备中的一路为电灯，用指令遥控电灯亮度，亮度分为8级并用数码管显示级数。（2）在一定发射功率下（不大于20mW），尽量增大接收距离。（3）增加信道抗干扰措施。（4）尽量降低电源功耗。2总体设计方案2.1方案简略图整个系统由发射系统和接收控制系统两部分组成。发射系统和接收控制系统组成结构框图如图1-1和1-2所示。系统的工作原理是首先通过按键编址电路输入所需控制电路的位号，同时启动编码电路产生带有地址编码信息和开关状态信息的编码脉冲信号，再通过无线电发射电路将该信号发射出去。而无线电接收电路将接收到的编码脉冲信号通过解码电路进行编码地址确认，确认是否为本遥控开关系统地址，然后通过驱动电路来驱动遥控对象8个，且其中一个是电灯，用指令遥控电灯亮度，亮度分为8级并用数码管显示级数。控制器编码调制功放电池图2-2无线电接收机方框图2.2无线信号传输部分（1）调制方式的选择根据要求，控制对象是8盏灯，其中一盏亮度可调，亮度分为8级，用数码管显示级数，被控状态采用二进制编码。因课题对频带宽度没有限制，为了提高抗干扰能力，实现方法简单，载波传输采用FSK调制方式。（2）发射机主振电路型式的选择主振可采用晶体振荡或LC振荡。课题要求载频为6～10MHz。若采用普通晶体倍频方式，假设为三倍频，则晶体频率要低于3.33MHz，在这种情况下难于获得足够的频偏。例如，用摩托罗拉公司的单片集成FM调制芯片MC2833实现2.5MHz电抗管晶体三倍频调频时，实测三倍频后的最大频偏为420MHz。若采用专用调频晶体，价格又太高。因此本设计选择了变容二极管直接调频的西勒电路，即可获得较大的频偏，又可保证一定的频率稳定度。（3）发射机功放电路的选择功率放大器一般可由推动级、中间级和输出级组成，具体级数应由所要求的总功率增益而定。试题要求输出功率不大于20mW，假设天线特性阻抗为75Ω，则在匹配良好条件下天线上电压峰——峰值要小于3.5v。一般西勒振荡器输出电压峰——峰值为1v是可实现的，故用一级功率放大应能满足要求。考虑到前后级影响的问题，在振荡器与功放间加入了一级射随器，起隔离和激励的作用。鉴于输出功率低，兼顾效率，功放管工作状态选为甲乙类。（4）接收机高频放大器为保证接收机具有较高的灵敏度，选用低噪声高频晶体管2SC763。为获得一定的电压增益，采用共射极谐振放大电路。（5）接收机解调器通过查阅资料，选择了摩托罗拉的单片集成窄带FM解调芯片MC3361构成解调电路。MC3361的特点为低功耗、低电压和高灵敏度，在窄带语音和数据通信中有良好的镜频抑制能力。放大解调解码外供直流稳压电源被控设备2.3控制部分控制的对象是8路设备，8路当中有一路设备是电灯，该路电灯亮度可调，共分为八个亮度等级，其余7路只有开关两种状态，因此共计为15种状态，用数字信号来表示是合理的。这15种状态不允许同时出现。现将15种状态进行编码。如表1.1所示，采用四位二进制码表示各控制状态。表1.115种状态编码表编号ABCD功能说明10001一路工作,其余不工作20010二路工作,其余不工作30011三路工作,其余不工作40100四路工作,其余不工作50101五路工作,其余不工作60110六路工作,其余不工作70111七路工作,其余不工作81000八路工作,其余不工作亮度0级91001八路工作,其余不工作亮度1级101010八路工作,其余不工作亮度2级111011八路工作,其余不工作亮度3级121100八路工作,其余不工作亮度4级131101八路工作,其余不工作亮度5级141110八路工作,其余不工作亮度6级151111八路工作,其余不工作亮度7级其中一位码A表示控制对象是其中一盏灯亮还是其余七盏灯的开关,另三位码对应表示八级亮度或被点亮的灯号。ABCD=0000表示全部不工作。为了便于码元的传输，需要对码元件进行再编码（一是进行并/串转换，二是加入一定冗余信息提高可靠性）。经查阅资料，MC145026和MC145027是专门设计用于遥控电路中的编/解码器。MC145026可以接收四位并行数据，再编码后串行输出，在每一个编码周期中，发送两次数据，以提高可靠性。MC145027解码器接收串行数据，前五位二元码是地址码，剩下的为四比特的二元数据码，当接收到的地址码与本地地址码相等时，并行输出数据码。用MC145026和MC145027可以满足控制信号的再编码与解码。类似MC145027/MC145026专门用于设计遥控电路中的编码/解码集成芯片有许多种，例如PT2262/PT2272、YYH26/YYH27等均可胜任。2.4关于传输距离的分析传输距离是简易无线电遥控系统的综合性技术指标，也是本设计的重点与难点内容。单工无线通信最大作用距离公式为ttrmaxminPGGR=KS(1.1)式中，Pt为发射机天线端辐射的有效功率；Smin为接收机的最小检测功率；Gt、Gr分别为发射机天线和接收机天线的增益；K值在发射机频率为定值，实验环境确定的情况下基本上为常量。要增大作用距离应从如下几个方面考虑：（1）尽量提高发射与接收天线的增益因题目对天线的形状、尺寸未作规定，故天线的设计可以大做文章，下大工夫。由式（1.1）可知，传输距离是与Gt、Gr形成正比。若Gt、Gr分别增大两倍，则作用距离也增加两倍。这是非常可观的。（2）尽量提高发射机天线端有效辐射功率Pt根据题目要求，在发射机输出端接上75Ω的假负载，其输出功率不应大于20mW。在去除假负载，接上发射天线，则被天线辐射出去的有效功率Pt比20mW要小。以单振子天线为例，如图1.2所示。当l=2时，A、B两端所呈现的阻抗为300Ω左右，必须接一个4：1的阻抗变换器才能与发射机阻抗匹配。自然这样是效果最佳。然而根据题目要求，工作频率fo在6～10MHz之间任选一个频点，假设选取fo=6～10MHz，光速为c，则波长为=0cf=3*108/10*106=30(m),l=/2=15(m)要架设这么长的天线是不实际的。图1.2单振子天线一般情况下，发射机采用拉杆天线，其总长度约1.5m左右。经过MATLAB仿真计算可得，拉杆天线的等效阻抗Zr为Zr=RL-jXL(1.2)阻抗变换器75Ω电阻电缆75ΩABlRL不到10Ω,XL超过100Ω。它与发射机严重失匹，而且天线呈容性阻抗。因此在发射机输出端和拉杆天线之间必须加装阻抗变换器，且要抵消天线容性的影响，其示意图如图1.3所示。1．3天线匹配示意图当然还可以采用天线增益更高的天线。例如双拉杆天线、环行天线等。不管采用任何形式的天线，均存在发射机与天线匹配问题。接收机同时也存在接收天线与高频放大器之间的阻抗匹配问题，这里不再重复。（3）提高接收机的灵敏度由式（1.1）可知，提高接收机的灵敏度（即降低接收机的Smin）与提高发射机天线的辐射功率Pt对增加传输距离是同等重要的。故接收机采用超外差体制，切加装一级低噪声、高增益高频放大器，同时接收机要调准，使接收机灵敏度达到最高。（4）根据电波传输理论，如图1-4所示。在距离为(2n-1)λ/4时，会出现波谷，收听效果最差；在距离为nλ/2时，会出现波峰，收听效果最好。其中n为自然数。如图所示。在进行传输距离测试时，要转动天线方向，使接收效果达到最佳为止。图1-4电波传输理论示意图（5）关于尽量减小系统输出信号失真度的分析输出信号失真度也是单工无线呼叫系统的重要指标。该指标的优劣取决于接收和发射两个分机。对可能产生波形失真的原因要分析清楚，从而采取有效措施，才能保证系统输出波形无明显失真。（6）从系统方面考虑：收发系统要调整正常，两者的频率要对准，直流稳压电源纹波要小，还要防止外部干扰（特别是市电干扰）串入系统。故发射机音频放大级最好能屏蔽。磁场强度λλ/23λ/25λ/2λ/43λ/45λ/47λ/49λ/4距离发射机降阻网络模拟拉杆天线CLRLL最后，还要使收发天线极化一致，方向对准。3无线信号传输部分3.1发射机调频发射机的模拟部分分为二大模块（1）发射部分电路图如图2.1所示。图2.1发射部分电路图主振器由晶体管VT1与电容C2、C3、C4、C5、变容二极管C3和电感L1组成西勒振荡器。该电路较易起振，输出振荡频率和振幅也较为稳定，波形好，调谐范围也比较宽。振荡信号由C7弱耦合至射随器，然后送至功放。射随器的功能有1）输入阻抗高、输出阻抗低；2）输入输出同相；3）输入集电极电压等于发射集电压；4）有电流和电压放大作用。功放的工作状态为甲乙类，R8、R9给VT3提供偏压，输出匹配网络采用简单的T型网络，其中L4与C10和天线等效电容谐振于载频，L3与L2起阻抗变换作用，以使输出功率最大。调频采用变容二极管电路。在本设计中，调制信号为二单元单极性码，即只有高低两个电平，故对调制线性度要求不高。因次设计采用了变容二极管部分接入及对变容二极管不外加发偏压的电路结构，电路如图2.2所示。Cj为变容二极管的结电容，可求得Cj对主振回路的接入系数P为P=C5/（C5+Cj）若调制信号引起的结电容变化为△C，则引入主振回路的电容变化量为P2•△C，可求得由此引起的振荡频率的变化为△fg≈-(P2•△C/2C∑)fg式中C∑=C5•Cj/(C5+Cj)+C4为主振回路总电容。负号表示△C与△fg的变化相反。本设计中C5=3pF,Cj=21pF,可得P1,即变容二极管参量的变化对振荡频率影响较小，频率稳定度大大提高。由此引入的问题是如何能得到足够的频偏，也就是如何使变容二极管的结电容变化较大。解决的办法是对变容二极管不加反偏压。如图2.3所示，在不加反偏压时可获得最大电容变化量。由于无外加偏压，避免了由偏压变化引起的频率漂移，同时简化了电路。图2.2变容二极管偏压电路图2.3变容二极管压容特性（2）编码部分电路图如图2.4所示。采用CD4014710-4线优先编码器和编码集成电路MC145026构成。CjCj0Cjtutoo调制信号C5Cj图2.4编码部分电路图控制键包括8个常闭按键和一个单刀双掷拨键K1,拨键用来选择被控对象，8个常闭按键用来表示被选中对象的8种状态。采用核心元件CD4014710-4线优先编码器，只对按键进行编码。目前只用其中的8-3线部分，其余的可以留给以后扩展用。利用MC145026和MC145027对控制信号进行再编码和解码，以利于码元在无线信道中传输，MC145026产生占空比随传0、传1改变的单极性码，一组编码包括5位地址码和4位数据码。在本设计中MC145026的地址码四位是设定的，另一位由拨键控制，来选择控制对象是要调亮度的灯还是其余的七盏灯。相应的MC145027才会有解码输出。这样，可以利用一片MC145026控制两片MC145027。集成编码器MC145026的波形如图2.5所示。图2.5MC145026的波形图图2.6MC145026的引脚功能和外部电路图集成编码器MC145026的引脚功能和外部电路如图2.6所示。A1～A9是地址或数据输入端,当作地址使用时有三个状态(高电平、开路、低电平)，当作数据使用时有两种状态（高电平、低电平）；、的数值决定MC145026内部时钟振荡器的工作频率；TE是内部时钟振荡器的工作控制端，当TE为低电平时，振荡器工作；的输出编码信号如图3所示，两个连续的宽脉冲（占空比7：1）表示“1”，两个连续的窄脉冲（占空比1：7）表示“0”，一宽一窄两个脉冲表示“开路”。发送时，先发送17.5个时钟周期的低电平,接着依次发送A1～A2的状态编码，如果A1～A9的状态编码发送完毕后TE依然是低电平,经过24个时钟周期后再依次发送A1～A9的状态编码。其编码的发送工作不