简易无线电控制系统设计

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1、简易无线电控制系统 -1-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、2FSK Abstract:The system includes three parts ,an emitter,

2、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 controlled

3、 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 3 1、设计要求 3 简易无线电控制系统 -2-2、设计思路 3 3、方案论证 3 4、系统组成 6 单元硬件电路设计 7 1、发射部分 7 1）控制信号产生 7 2）调制部分 7 3）功放部分 8 2、接收部分 9 1）

4、选频放大部分 9 2）解调部分 9 3）控制部分 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 简易无线电控制系统 -3-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

5、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：控制信号编码功放调制 图一 接收部分：解码被控设备解调选频放大 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

6、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。简易无线电控制系统 -4-预置地址PT2262调制信号编码置数据位拨码控制信号 被控设备预置地址输出数据PT2272解调 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

7、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

8、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：简易无线电控制系统 -5-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 10 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。

9、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

10、，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

11、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:简易无线电控制系统 -6-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；

12、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

13、，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。拨码开关CPLD编码模块NE564调制丙类功率放大器 图六 发射部分组成框图 8M选频放大NE564解调CPLD解码模块数码管驱动模块7448电灯数码管7路LED 图七 接收部分组成框图 单元硬件电路设计 1、发射部分 简易无线电控制

14、系统 -7-1）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 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，

15、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 简易无线电控制系统 -8-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

16、下公式来计算得 VCO 频率设置电容：12200oocf 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

17、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。简易无线电控制系统 -9-图十 2、接收部分 1）选频放大部分 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。

18、简易无线电控制系统 -10-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：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

19、I2 的关系可表示为：221.3CCVVRI 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：31cRC 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 47pF 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

20、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 简易无线电控制系统 -11-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 I1+I2 控制电灯发光，亮度为 4，；Q1,Q3

21、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。简

22、易无线电控制系统 -12-VCCdin3.0INPUTVCCclkINPUToutOUTPUTdin3.0clkoutencoderinst 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8M

23、Hz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生调幅，使发射功率的利用率有一定提高；接收部分也采用 NE564 实现 2FSK 解调，并送入 CPLD 进行解码，解码后的信号用来控制 LED 和电灯。接收部分的小信号放大器，振荡在8MHz，有效地选出天线上感生信号中系统所需要的信号，解调输出的波形较好，有利于CPLD解码和对设备的控制。1 系统完成情况 （1）、载波频率位 8MHz，满足题目要求的 610MHz。（2）、调制方式采用二进制频移键控即2FSK。（3）、输出功率

24、为 12mW 左右小于 20mW。（4）、控制对象 8 路设备中一路位电灯，另外七路位 LED，分别用十位拨码开关来控制，LED 发光表示工作。电灯的亮度由其中 3 位开关来控制，分为 07八个等级，并用数码管显示相应的亮度等级。2系统中依然存在的问题 系统的发射距离并不理想，距离稍远就存在解调出错，不能很好的实现遥控。这种情况可能的原因，一是发射部分末级功放和天线的阻抗匹配问题，介于条件的限制末级功放和阻抗匹配没有做成功。另一方面虽然采用了电源滤波等方法一定程度上抑制了 2FSK 信号的寄生调幅，这种情况还是存在，使输出功率存在不必要的散失，这个问题可以通过在输出端和输入端增加分别增加一级限幅器来改善。简易无线电控制系统 -13-参考文献 1、谢自美主编，阎树兰、赵云娣等编著的电子线路设计实验测试武汉：华中科技大学出版社，2002 年第 2 版。2、谢嘉奎主编，宣月清、冯军等编著的电子线路 非线性部分北京：高等教育出版社，2000 年第 4 版。3、陈运、周亮、陈新等编著的信息论与编码北京：电子工业出版社，2002 4、附录：CPLD 编码程序：CPLD 解码程序：