基于Wireless USB 技術(shù)的遙控設備設計

　　消費電子市場(chǎng)中實(shí)際遙控通信標準一直被紅外技術(shù)所占據。紅外遙控操作簡(jiǎn)單、價(jià)格相對低廉。但紅外遙控技術(shù)存在三大局限： 視線(xiàn)對準、單向通信和高功耗?；谏漕l技術(shù)的遙控與紅外遙控不同，能輕松突破紅外遙控技術(shù)的以上三種局限。此外，射頻技術(shù)的遙控距離也遠于一般的紅外遙控距離。常用的短距無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)包括27 MHz, 315 MHz, 433 MHz, 868 MHz 和2. 4 GHz.與其他頻段相比2. 4 GHz ISM（ 工業(yè)、科學(xué)和醫用） 頻段具有全球通用、帶寬相對較寬、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)。在自動(dòng)化控制和家庭信息化領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

　　Wireless USB 技術(shù)工作2. 4 GHz 頻段，具有很強的抗干擾能力，可有效提高頻譜利用率，易與其他無(wú)線(xiàn)設備共存，功耗低、支持TouchWake 功能，在近距遙控領(lǐng)域有其特殊優(yōu)勢。本項目依托Wireless USB 技術(shù)提出一種新的近距遙控設備理念---基于軟件無(wú)線(xiàn)電和認知無(wú)線(xiàn)電理念的近距多功能雙工遙控設備。為生產(chǎn)廠(chǎng)家節約大量成本，同時(shí)大大方便用戶(hù)，必將帶來(lái)巨大市場(chǎng)效益。

　　1 技術(shù)原理

　　在設計射頻遙控系統時(shí)，會(huì )面臨2 個(gè)根本問(wèn)題：

　　1） 系統在面臨有干擾源的環(huán)境時(shí)，如何將接收的信號恢復成原始的數據？

　　2） 通信協(xié)議如何找到空置的頻道，以及如何對新干擾做出反應，包括跳頻與非跳頻方面的通信協(xié)議？

　　此外，還需考慮數據傳輸率、功耗、體積、功能擴展等因素。

　　Wireless USB 技術(shù)在頻段管理上使用了FDMA 的機制，把ISM 2. 4 GHz 分成78 個(gè)頻段，每個(gè)頻段帶寬1 MHz,遇到持續強干擾時(shí)可跳轉信道繼續通信。在每一個(gè)頻帶上又使用了CDMA（ DSSS） 技術(shù)，具有強抗干擾能力，利用多組偽隨機碼（ PN） 對數據進(jìn)行編碼，這樣采用不同PN碼的設備可以在同一頻帶上同時(shí)工作互不干擾。根據PN 碼的長(cháng)度不同，以及工作模式不同，Wireless USB 可以得到從15. 625 kbit /s 到1 Mbit /s 的通信速率。

　　Wireless USB 協(xié)議層的設計目標是降低成本、功耗和增加抗干擾性，采用了主從方式的星形結構。主設備是指接收數據的設備，處于實(shí)時(shí)接收狀態(tài)，以接收來(lái)自從設備的信息，監視干擾狀況，選擇干凈的頻帶，決定是否跳頻。從設備是指產(chǎn)生數據和發(fā)送數據的設備，發(fā)送信息結束后立刻進(jìn)入睡眠狀態(tài)，最大限度地節省電池電量。

　　Wireless USB 技術(shù)支持TouchWake 功能，用戶(hù)只需觸摸該設備即可立即將外設從睡眠模式中喚醒。Touch-Wake 功能不僅可以使Wireless USB 外設在使用后立即進(jìn)入超低功耗睡眠模式以延長(cháng)電池使用壽命，而且還能借助其即時(shí)喚醒功能實(shí)現有線(xiàn)外設的簡(jiǎn)易性及快速響應能力。

　　對遙控領(lǐng)域而言這是非常重要的。

　　Wireless USB 技術(shù)的每個(gè)芯片在出廠(chǎng)時(shí)有6 個(gè)字節的ID,此ID 是唯一的，可作為不同個(gè)體的區別標識。

　　此外，Wireless USB 技術(shù)協(xié)議簡(jiǎn)單，擁有市場(chǎng)唯一的集MCU,USB,RF 模塊于一體的小型化集成芯片，便于開(kāi)發(fā)小體積設備。

　　最后，Wireless USB 技術(shù)支持接收信號強度指示（ RSSI）功能，為實(shí)現認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)提供了理論基礎，可以檢測復雜電磁環(huán)境的頻譜空洞，提高頻譜利用率； 該功能還為功率控制提供了技術(shù)基礎，功率控制是指通過(guò)合理地設置或動(dòng)態(tài)調整發(fā)射機的發(fā)射功率，在保證系統連通的同時(shí)，降低發(fā)射功率，減小對其他系統的干擾，同時(shí)達到提高節點(diǎn)能量利用率、延長(cháng)使用時(shí)間的目的。發(fā)射機先發(fā)射握手信號，根據接收機返回的信號功率強度，調整發(fā)射功率。

綜上所述，Wireless USB 技術(shù)工作于全球通用的無(wú)須申請的2. 4 GHz 頻段，具有很強的抗干擾能力，可有效提高頻譜利用率，易與其他短距無(wú)線(xiàn)設備共存，同種設備依不同PN 碼也可有效共存，便于功能復用與尋址，協(xié)議簡(jiǎn)單，擁有市場(chǎng)唯一的集MCU,USB,RF 模塊于一體的小型化集成芯片，便于開(kāi)發(fā)體積小、功耗低的產(chǎn)品，支持Touch-Wake 功能。設計一種新型適用的基于軟件無(wú)線(xiàn)電、認知無(wú)線(xiàn)電理念的半雙工多功能近距遙控設備是可行的，且應用前景廣闊。

　　2 基于軟件無(wú)線(xiàn)電理念的硬件設計

　　遙控技術(shù)在給人們帶來(lái)便利的同時(shí)也帶來(lái)了很多困擾，人們需要面對的遙控系統越來(lái)越多。為實(shí)現功能復用，減小生產(chǎn)成本，實(shí)現遙控“一卡通”且便于升級換代，本文基于軟件無(wú)線(xiàn)電理念進(jìn)行了硬件設計。即硬件滿(mǎn)足以下特點(diǎn)： 結構開(kāi)放，硬件不變的情況下，通過(guò)改變軟件可方便地改變設備的性能和功能。該理論見(jiàn)文獻[6].其通用模塊體系基本結構如圖1 所示，包括寬帶天線(xiàn)、射頻部分、基帶部分等。

　　廠(chǎng)家可根據Wireless USB 的網(wǎng)絡(luò )ID 和PN 碼將各種近距遙控功能程序下載存儲在通用遙控模塊中，不同的設備用不同的PN 碼區別，同一種設備的不同個(gè)體用網(wǎng)絡(luò )ID號加以區別。用戶(hù)通過(guò)按鍵選擇所需功能。這與市場(chǎng)現有的萬(wàn)能遙控器相似，但更有優(yōu)勢。廠(chǎng)家也可生產(chǎn)通用遙控硬件模塊，出場(chǎng)時(shí)根據需要分類(lèi)下載具體功能，成為不同功能的遙控器，且便于產(chǎn)品升級換代（ 硬件不變，軟件升級即可） .還可綁定多版本、多功能程序軟件出售，用戶(hù)可根據需要改變遙控功能。實(shí)現軟件無(wú)線(xiàn)電理念。此外，Wireless USB 技術(shù)協(xié)議簡(jiǎn)單，隨著(zhù)通信技術(shù)的日益普及，相當一部分用戶(hù)可根據需要設計相應的應用程序。以上通用遙控模塊可支持用戶(hù)自行開(kāi)發(fā)遙控功能。

　　項目組在理論研究的基礎上依據上述通用模塊體系結構分別設計了原理實(shí)驗接收機、發(fā)射機。PCB 板設計時(shí)選擇常用的FR-4 板材四層雙面板布線(xiàn)，中間兩層接地。布局布線(xiàn)時(shí)在降低射頻電路串擾噪聲、信號完整性控制、電磁兼容性設計等方面作了深入研究。

　　射頻電路設計是本項目硬件設計的一個(gè)難點(diǎn)。寄生電容和寄生電感的存在會(huì )影響射頻電路的性能。需要用到傳輸線(xiàn)理論，即在傳輸線(xiàn)上的是分布參量網(wǎng)絡(luò )，在整個(gè)長(cháng)度內線(xiàn)上的電壓和電流的幅值和相位都可能發(fā)生變化。

　　設計中使用TXLINE 軟件和ADS 軟件聯(lián)合仿真的方式，進(jìn)行射頻電路阻抗的匹配。射頻部分均使用0402 封裝貼片元件。

　　實(shí)驗板基帶信號處理采用GPP（ 通用處理器） ,綜合考慮功耗、功能等因素，接收機、發(fā)射機分別采用AVR 系列ATMEGA8L,ATMEGA16L 單片機作為微處理器，射頻部分均采用基于Wireless USB 技術(shù)的CYRF6936 集成芯片，單片機和射頻芯片通過(guò)SPI 口連接電路采用5 V 直流電壓供電，電源轉換芯片為XC6209B332（ 5 V 轉3. 3 V） .

　　單片機ATMEGA8L、ATMEGA16L,射頻芯片CYRF6936,電源芯片XC6209B332 的外圍電路分別見(jiàn)其參考設計。接收機在通用模塊的基礎上添加了程序下載接口（ SPI 接口） 、6路I /O 接口和電源接口（ 接收機尺寸4 cm ×2 cm） .發(fā)射機在通用模塊的基礎上增加了程序下載接口（ JTAG 接口） 、RS-232 串口轉換電路、5 個(gè)功能按鍵、11 個(gè)指示燈、16 個(gè)I /O 接口和電源接口（ 發(fā)射機尺寸10 cm × 8 cm） .接收機、發(fā)射機試驗樣機分別如圖2、圖3 所示。