无线遥控小车-刘利子.doc

无线遥控小车
方阁 谭潇雄 刘利子
摘要：本系统基于FSK调制解调原理，以AT89C51单片机和FPGA（EP1C6Q240C8）构成的最小系统及CPLD(MAX570T100C5)为控制核心,设计制作了一个半双工数据传输系统，实现了主站对从站小车的无线遥控及对小车采集数据的回收。整个系统由主站和从站两部分组成，主要以PT2262、AD9851作为调制电路核心，以窄带FM/FSK解调芯片MC3363、解码芯片PT2272为解调核心。用户通过按键控制小车各种运动方式，并向从站发送会回收数据命令。系统发射功率≤10mW，数据传输距离约10米。系统功能齐全，功耗低，操作简单，界面友好。
关键词：AT89C51；二进制频移键控；信道编码解码；半双工通信

一、 方案论证与选择
1. 信源编码、解码方案的比较与选择
方案一：采用单片机编码解码组成无线通信系统，用串口通信方式实现主站和从站的通信。AT89C51系列单片机片内具有硬件USART模块，可以实现非常标准的串行编码，编码解码非常灵活，但其抗干扰能力差，误码率高。
方案二：采用编解码芯片PT2262与PT2272组成无线通信系统，PT2262接收单片机的按键码制对其编码后作为基带序列调制AD9851，PT2272对解调信号再解码后恢复原始数据码。这种通用串并转换芯片可以较好的完成4位的二进制数据的编解码，误码率低，但可转换的数据位数有限，且增大了系统的复杂度。
单片机编解码的灵活性虽然大，但是读写距离小于利用专门编解码芯片的方案，为了尽量增大通信距离，在设计中选用方案二实现数据的编码解码。
2. 调制方式的比较与选择
方案一：采用ASK调制体系，即利用载波的幅度变化来传递数字信息。此调制方式可由模拟调制法和键控法实现，调制解调电路简单，但抗干扰性差，功耗较低，需用功放级将调制后信号的功率放大。
方案二：采用PSK调制体系，即利用载波的相位变化来传递数字信息。此调制方式抗噪声性能最好，但解调电路复杂。
方案三：采用FSK调制体系，即利用载波的频率变化来传递数字信息。此调制方式抗噪声和衰减性较好，但解调电路较复杂。
考虑到ASK调制方式的抗干扰能力差，PSK调制方式的解调电路复杂，对FSK调制方式，可用专门的解调芯片，简化外围电路。因此设计时系统采用FSK调制体系。
3. 解调方式的比较与选择
方案一：包络解调法。
图1.1 包络解调法实现框图
其实现框图如图1.1，用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为和的高频脉冲，经包络检波后分别取出，再把两路输出同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。此种方案要求滤波器的频带选择适当，对元件参数的稳定度要求较高，加大了设计难度。
方案二：PLL锁相鉴频。其实现框图如图所示，当PLL的环路带宽设计得足够宽时，能使VCO精确地跟踪FSK信号的反映调制信号规律的瞬时频率变化。只要VCO的频率控制特性是线性的，环路滤波器的输出就是所需的不失真解调输出信号。采用专用FSK解调芯片时，能极大地简化电路。

图1.2 PLL鉴频电路框图
方案三：正交鉴频法。其实现框图如图所示，

综合比较得，采用方案三实现FSK调制信号的解调。
二、 系统整体框图
图2.1（a）主站组成框图

图2.1（b）从站组成框图
如图。整个系统由主站和从站两部分组成，主站部分利用PT2262编码数据后，在FPGA内部通过控制AD9851进行FSK调制，调制信号经功率放大及匹配网络后由天线发射，从站接收信号经解调解码后由CPLD控制小车的运动。从站小车对采集的数据进行相同编码调制后发送，主站采用相同解调解码方式将数据信息显示。

三、 理论分析
1. 天线相关理论的分析与计算
为了实现75Ω假负载上发射功率≤10mW时，通信距离不小于8米并尽量增大距离，必须提高天线发射效率，要求功放的输出阻抗与天线的阻抗匹配。拉杆天线在不同的频率下表现的阻抗特性不同，当拉杆天线的长度小于发射信号的四分之一波长时，其阻抗表现为电阻和电容特性。工程上，电阻值常用以下近似公式计算：，当天线垂直放置时，电阻值的大小可以用下式来近似估计：，其中，为天线离地面的距离，单位为cm，位天线的半径，单位为cm, 的单位为pF。为了消除拉杆天线的容性造成的影响，使天线呈现纯阻抗，通常与天线串联一电感以消除容性。
2. FSK调制解调原理
在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号（2FSK信号），即二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。 若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为

图中（a）为基带序列，（b）为FSK调制信号：

图3.1 FSK调制信号波形图
对FSK调制信号进行解调时，为了很好的恢复数据信号的前、后沿，接收机中频滤波器的带宽至少包含方波信号的7次谐波，即。采用窄带FM/FSK解调芯片时，其最大频偏，中频滤波器带宽，由此可得数据速率必须小于2000b/s。
四、 主要功能模块设计
（一） 主站部分主要模块设计
1. PT22622编码模块
PT2262将单片机送来的四位并行数据码结合其地址码、同步码组成一个完整的码字，在14脚的控制下串行输出，每次至少发射4组字码，码率由振荡电阻决定。具体电路图4.1。

图4.1 PT2262编码电路图
2. AD9851及椭圆滤波器模块
设计时为简化电路，减小并口数据相互间的干扰，使用AD9851的串口工作方式，并在W_CLK引脚处接一100pF的接容到地，减小高频信号干扰。根据AD9851的控制方式，在其复位后，由单片机给出合适的W_CLK 和FQ_UD信号，并将具有不同功能的控制字写入到芯片内部以实现FSK调制。如图4.2：

图4.2 AD9851连接图
AD9851输出的信号存在谐波，为了抑制谐波干扰需要进行滤波。由于椭圆函数滤波器比全极点型滤波器(巴特沃兹滤波器、切贝雪夫滤波器等)更能做到对理想低通的近似，且在同等技术指标下所需阶数最低，因而采用椭圆函数滤波器实现。设计时，采用一级LC滤波器，电路图如下：

图4.3 滤波器电路 图4.4 功率放大电路

3. 功率放大模块
设计要求在假负载上发射功率时，尽量增大通信距离，因此应提高天线上的发射效率。为了避免丙类功放带来的失真，实际设计时采用低噪高驱动运放MAX2650作为功率放大器。拉杆天线用LCR测试仪测得的等效阻抗为 ，为了使天线呈纯阻抗特性，在功放的输出端串联一个210nH的电感。具体电路如图所示：
4. FSK解调模块

如图。解调部分由专用的窄带FM/FSK解调芯片MC3363组成，采用超外差解调和正交鉴频方式，提高接收端的灵敏度与选择性。MC3363片内包含一个高放晶体管、振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、场强指示驱动及载频检波静噪电路，具有低供电电压、低功耗、极高灵敏度和信噪比的特点。天线接收的信号经晶体管放大后，与第一本振信号混频至中频10.7MHz，由陶瓷滤波器滤波后进行第二次混频，再对混频产生的455KHz信号限幅放大和鉴频后从16脚输出调制信号。455KHz鉴频谐振回路由LC电路提供，其中电位器 用于提高回路Q值，增大输出信号幅度，增加灵敏度。

5. PT2272解码模块
对接收到的解调信号，PT2272在连续两次检测到相同的地址码和同步码后使数据码中的“1”相应的数据输出端为高电平并同步驱动VT端为高电平，单片机根据VT的状态可判断是否解码正确。具体电路图如下：

图4.6 PT2272解调电路
6. AD9851控制模块
基于FM调制原理，对AD9851进行FSK调制时，在时钟控制作用下，将PT2262编码信号转换为相应的频偏控制字，再与AD9851载波信号的频率控制字进行计算以得到调制信号的频率控制字。写时序控制字在时钟的作用下将生成的频率控制字写到DDS芯片AD9851，从而产生一个频率受调制信号幅度控制的FSK调制信号。

图4.7 AD9851控制框图
（二）从站部分主要模块设计
从站部分调制解调电路与主站部分相同，
1. 电机控制模块
设计中使用光耦可控硅来实现弱电对强电的控制，并将弱电与强电隔离，去除级间窜扰。考虑到CPLD端口驱动电流不大，在光耦可控硅前加一缓冲器SN74HC245N，以提高端口驱动能力。在光耦可控硅输出端使用专门的电机驱动芯片L298，来实现对小车的控制。具体电路图如下：

图4.8 电机控制电路
五、 系统软件设计
本系统软件设计部分以单片机、FPGA和CPLD为核心，完成数据处理、人及相互、控制显示及收发协议设置功能。

六、 数据测试与分析
1. 发射信号频率与发射功率的测量
测量方法：在功率放大器的输出端接入假负载，用示波器测量发射信号的频率与有效值，并计算发射功率。所测得的数据如表6.1所示：
表6.1 发射信号频率与功率测量数据
测量次数
1
2
3
4
5
频率(MHz)
34.6943
34.7051
34.6947
34.7051
34.6951
34.7050
34.6952
34.7051
34.699
34.7052
有效值（V）
0.366
0.346
0.359
0.361
0.354
发射功率（mW）
2.67
2.39
2.57
2.61
2.51
结果分析：频率误差有两方面的原因，一是DDS相位截断噪声，二是测量时引入的误差，增加相位累加器的位数可减小频率误差。
2. 通信距离测试
测试方法：当假负载上发射功率≤时，在实验室内测量主、从站间最大通信距离以小车能正确运动和主站对从站采集数据正确显示为准。
测试结果：29号下午测试时，通信距离为10米左右；晚上测试时，将程序固化后，测得通信距离为1米左右。
七、 总结
本系统采用FSK调制方式，实现了假负载上发射功率≤时，主站与从站间的半双工通信。但在以下几个方面，系统仍需改进：
1. PT2262有时工作不正常，且工作电流很大；
2. 电机与控制端距离近时，会影响FSK解调解调效果；
3. 天线的阻抗匹配需要进一步研究，在功放的输出端接一电感时能增大天线上信号的幅度；
4. MC3363的本振信号由晶振产生，但有时候晶振不工作，导致解调出错。