简易无线电控制系统

1、简易无线电遥控系统第15组 石海龙 张福海 李晓霞摘要本系统包括发射、接收和控制三个部分，其中控制部分是通过无线通信的方式来实现的。控制信号由拨码开关来产生，经过编码和调制由天线发送出去。然后经接收端天线接收后，通过解调、译码等步骤还原出控制信号，控制信号分为两路分别去控制七路LED和一路电灯。其中LED发光表示工作，而电灯的发光亮度则分为8个等级，并由数码管显示其级数。通信过程中由CPLD完成编码和译码部分，由集成锁相环NE564完成调制和解调过程。关键字：CPLD、集成锁相环、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. 目录系统设计31、设计要求32、设计思路33、方案论证34、系统组成6单元硬件电路设计71、发射部分7 1）控制信号产生7 2）调制部分7 3）功放部分82、接收部分9 1）选频放大部分9 2）解调部分9 3）控制部分

4、10软件设计11 1）编码模块11 2）解码模块11系统测试12结论12参考文献13附录13系统设计1、设计要求A)基本要求：（1）工作频率：f610MHz中任选一种频率；（2）调制方式：AM、FM、或2FSK任选一种；（3）输出功率：不大于20mW（在75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少于10m。B)发挥部分：（1）8路设备中的一路为电灯，用指令遥控电灯的亮度，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）尽量增加接收距离；（3）增加信道抗干扰措施；（4）尽量降低电源功耗。2、设计思路遥控电路

5、的本质其实是一个通信传输数字信号的通信系统。通信系统的一般模式都包括两个部分，即发射部分和接收部分。本系统的初步设计思路如下：发射部分：图一接收部分：图二3、方案论证及选择：基于以上设计思路，对各个部分进行方案论证和选择 A)编码解码电路 方案一：采用单片机和专用编码解码芯片PT2262/2272组成的编码解码电路。PT2262/2272一对CMOS工艺制造的低功耗低价位带地址、数据编码/解码功能，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别和数据传输最常用的芯片之一。采用PT2262将拨码开关产生的并行控制信号转化为一帧一帧的码字，并送到信号调制部分进行频率调制。而对应的解码芯片PT2272只要采用

6、和PT2262相同的预置地址就可以对接收并解调后的信号进行解码，从而还原出发送的控制信号，来控制被控设备。编码解码过程如图三所示。 图三PT2262/2272编码解码过程 方案二：采用自行编码解码方式。整个编码解码过程完全在CPLD内部由程序实现。先将CPLD40M的时钟信号进行分频，产生一个低频的方波来做编码信号的起始位。发送的每一帧都是一个起始位加数据位，其中数据位部分是将10位的控制信号重复发送4次，只有当一帧中4次的数据位完全相同时为有效，且发送为1时，产生占空比为75的矩形波，发送为0时，产生占空比为25的矩形波。码字以串行的方式发送，在接收机接收到已调信号后，经过解调，并将解调后的

7、码字送到接收部分的CPLD,当CPLD检测起始位时，开始判断收到的后40位是否每10位的数据都是一样的，如果一样则进行译码，将收到占空比位75的信号译为1，收到占空比为25的信号译为0；如果收到的数据位不一样，则丢弃，并等待下一个码字的到来。译码完毕后，输出正确的控制信号去控制被控设备。编码过程如图四所示.控制信号： 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 编码方式： 输出的码字： 图四 其中红色部分为起始位，后面为重复4次的数据位，只有当接收到的数据位完全一样时，才送去控制LED和电灯。 通用的编码解码芯片，使用起来相对要简单很多，但是要用到单片机等微处理器来控制，同时在本系统中控制信号有1

8、0位，超出了PT2262的编码范围，需要进行多次编码来完成，使得使用过程变得繁琐，而且体现不出具体的编码解码过程。方案二只需两片CPLD不需要单片机的控制。外围电路简单，且能反应自己的思想。故我们选用方案二。B）信号调制方式的选择 方案一：采用振幅调制方式（AM），即，使载波信号的幅值随所要发射的数字信号的变化规律而变化，经天线发射并接收到的调幅波通过包络检波或同步检波的方式解调出所需的信号。AM调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，在传输中如果载波受到信道的选择性衰落，则在包络检波时会出现过调失真，信号频带较宽，频带利用率不高。 方案二：采用频率调制方式（FM），即，使

9、载波信号的频率随所要发射的数字信号的变化规律而变化，接收到的调频信号通过鉴频等方式来解调。FM波的幅度恒定不变，这使它对非线性器件不甚敏感， FM的抗干扰能力强，可以实现带宽与信噪比的互换，因而FM广泛应用于长距离高质量的通信系统中，如空间和卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等。 方案三:采用移频键控方式(2FSK), 即,用数字信号调变载波信号频率的调制方式,也称为数字调频.传送1码时载波频率为(fc+fd),传送0码时,载波频率为 (fc-fd) 。不同的频率对应着不同的数字信号。一般简易数字系统中均采用二元移频键控。调幅信号的外围电路实现起来简单，但其抗干扰能力较差，功率利用率较低，传

10、输距离达不到很远。调频的方式相对于调幅而言在通信质量上有很大的改进，但外围电路较为复杂，同时，对带宽的要求较高。本系统是由拨码开关来产生控制信号的，拨码开关的两个状态高电平和低电平经过编码后输出数据1和0，故采用数字编码方式即方案三，既能很简单的实现数字通信，又有较高的通信质量。C）信号的调制解调电路 高频模拟锁相环NE564的最高工作频率可达到50MHz，采用+5V但电源供电，特别适用于高速数字通信中FM调频信号及2FSK频移键控信号的调制、解调，无需外接复杂的滤波器。NE564采用双极性工艺，其内部组成框图如图五所示: 图五限幅器可以抑制FM和2FSK信号的寄生调幅；相位比较器内部含有限幅

11、放大器，以提高对AM调幅信号的抗干扰能力；4、5脚，可外接电容组成低通滤波器，用来滤除比较器输出的直流误差电压中的纹波；改变2脚的输入电流可改变环路增益；压控振荡器VCO的内部接有固定电阻R,只需外接一个定时电容就可以产生振荡；由施密特触发器和直流恢复电路组成的后置鉴相器在2FSK解调时进行检波后处理。 NE564内部集成了锁相环、后置鉴相器，只需使用很少的外围电路即可实现2FSK信号的调制和解调，并输出整形后的调制信号，使用方便。本系统中，我们采用了2FSK调制方式，所以选用NE564来实现信号的调制和解调。4、系统组成本系统主要由发射部分和接收部分组成，经过以上方案论证和选择，确定系统的具

12、体组成框图如下。图六发射部分主要由拨码开关来产生控制信号，并将该信号送入CPLD内进行编码，输出的码字用来对NE564内压控振荡器产生的载波进行调制，已调2FSK信号，进入功放进行放大，以得到足够大的功率，通过天线发射出去。图七接收部分，首先要经过一级选频网络，选出天线上接收到的信号中的系统所需要的信号，然后送到NE564中进行解调，再将解调出来的编码信号送入CPLD内进行译码。译码输出的数字信号即为系统的控制信号去驱动LED和电灯。 图六 发射部分组成框图 图七 接收部分组成框图 单元硬件电路设计1、发射部分1）控制信号由10位拨码开关来产生，其中3位用来控制电灯的亮度和数码管的显示，另外7

13、位用来控制LED的工作，并用按键来控制信号的发送。系统中，用到一个四位的拨码开关和一个八位的拨码开关，其中分别有一个拨码在CPLD内部接地，为无效位，在图八中为1和8。2）调制部分数字信号的调制在通信系统中占有很重要的地位，本系统中信号的调制和解调用的都是Philips公司生产的NE564集成锁相环，其工作频率可以高达50MHz。NE564由输入限幅器、鉴相器、压控振荡器、放大器、直流恢复电路和施密特触发器六大部分组成，最大锁定范围达12f，输入阻抗大于50k，电源电压512V，典型工作电流60mA。NE564内部的限幅器采用差动电路，高频性能很好，在输入幅度不同的条件下，产生恒定幅度的输出电

14、压，作为鉴相器的输入信号。在接收FM或2FSK信号时，对抑制寄生调幅、提高解调质量是很有利的；压控振荡器采用改进型的射极耦合多谐振荡器，并有TTL和ECL兼容的输入输出电路；放大器由差动对组成；施密特触发器与直流恢复电路共同构成2FSK信号解调时的检波后处理电路。本系统中，由NE564构成的数字信号调制电路如图九，图中，12、13脚 图九之间接的电容用来设置载波的频率，本系统设定的载频为8M，则根据以下公式来计算得VCO频率设置电容： 可得到C0=56.81pF，所以采用47pF和318pF的可调电容并联来得到，可调电容用来粗调谐振频率，4脚和5脚之间的可变电阻R3则用来对振荡频率进行细调，通

15、过调节滑动变阻器R1，改变流入2脚的电流，可以改变锁相环的捕获带范围，来增加电路的动态范围。 3）功放部分 功放部分采用分立元件构成的功率放大器，为了提高性能采用两级放大。其中第一级为射极跟随器，其输入阻抗很大，用来隔离前后级，以防相互干扰，第二级为功放级，在本系统中，用到的功放是甲类的，可将输出信号放大到10V以上。具体电路如图十所示。R1和R2用来设置c8050的静态工作点，第一级从射极输出通过电容C2耦合到第二级，以防止输出信号中的直流成分影响第二级的静态工作点。第二级放大电路的谐振网络通过调节C3使之谐振在8M，通过电感L2使天线谐振在8M实现一种简单的匹配。 图十 2、接收部分1）选

16、频放大部分 选频部分是为了选出天线上感生的信号中的有用成分，在本系统中即为8M的2FSK信号，用三极管9018组成两级小信号放大电路，集电极为一个中心频率为8M的LC振荡回路，由此来对信号进行选频放大，具体实现电路见图十一。L和C2实现对信号的选频，集电极输出实现对小信号的放大。 图十一 2）解调部分 已调信号同样是通过NE564来实现解调的。NE564集成锁相环在2FSK信号解调的应用中占有很强的优势，因为它包含一个内置电压比较器和一个TTL电平输入输出兼容的压控振荡器，还包含由施密特触发器与直流恢复电路共同构成2FSK信号解调时的检波后处理电路。本系统采用NE564组成的2FSK解调器如下

17、： 图十一 图中，C1是输入耦合电容，R1,C2组成差分放大器A1的输入偏置电路滤波器，可滤除2FSK信号中的杂波。R2对引脚2提供输入电流I2,可控制环路增益和压控振荡器的锁定范围，从而可以提高接收灵敏度。R2与电流I2的关系可表示为：I2一般为几百微安。在本系统调试时，2脚电压为207mV，R2选择为2K,输入2脚的电流大约为500uA。R5为压控振荡器输出端必须接的上拉电阻。VCO的输出与相位比较器相连，构成锁相环。电容C3、C4与内部两个对应电阻分别组成一阶RC低通滤波器，其截止角频率为： 滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定的影响。解调部分压控振荡器的振荡频率同调制部分，所以选择4

18、7pF和318pF的电容并联，经过调试使振荡频率为8M.电阻R7和可变电阻R8用来调整NE564内部施密特触发器的回差电压，可改善输出方波的波形，R9为输出的上拉电阻，也有改善波形的功效。3）控制部分 经过NE564解调出来的码字，送到CPLD内进行解码，输出的信号送去控制LED和电灯工作。具体实现电路见图十二和图十三。 图十二 LED控制电路 图十三 电灯亮度控制电路图十三所示为电灯亮度控制电路，当CPLD对应Q1基极输出低电平时Q1管导通，集电极电流I1控制电灯发光，亮度为1；当Q2导通时集电极电流I2控制电灯发光，亮度为2；当Q3导通，I3控制电灯亮度为3；当Q1,Q2同时导通时，电流I

19、1+I2控制电灯发光，亮度为4，；Q1,Q3同时导通时，电流I1+I3控制电灯亮度为5；当Q2,Q3同时导通时，电流I2+I3控制电灯亮度为6；当Q1,Q2,Q3同时导通时，电流最大为I1+I2+I3,此时电灯最亮，亮度等级为7，剩下一级即三管都不导通，无电流通过，电灯不发光，亮度为0。数码管的现实由写在CPLD内部的48译码器来驱动，分别对应上述亮度现实亮度等级。软件设计 软件部分完全集中在了CPLD内部。用Verilog语言在发送部分的CPLD内部写了一个40分频的分频器，将CPLD的CLK信号进行40分频，为编码提供占空比为50的起始位，具体编码过程由编码模块内部实现。 具体的解码过程，由CPLD内部的解码模块来完成，解码出来的控制信号分成两个部分，其中7位直接用来控制LED发光，另外3位之间控制电灯发光的同时，还要在CPLD内部通过控制7448译码器来驱动数码管显示亮度等级。CPLD内部的解码及控制模块如下图。具体实现编码解码过程的Verilong代码见附录。系统测试 略 结论 本设计分为发射，接收和控制三个部分，其中发射部分是通过CPLD实现数字信号的编码，采用集成锁相环NE564,产生8MHz载波信号并进行调制，输出2FSK信号经天线发射出去，天线发射出去的8MHz的2FSK信号波形较为稳定，频偏 400K左右 ，通过电源滤波等措施减少了信号的寄