基于Wireless USB 技术的遥控设备设计

　　消费电子市场中实际遥控通信标准一直被红外技术所占据。红外遥控操作简单、价格相对低廉。但红外遥控技术存在三大局限： 视线对准、单向通信和高功耗。基于射频技术的遥控与红外遥控不同，能轻松突破红外遥控技术的以上三种局限。此外，射频技术的遥控距离也远于一般的红外遥控距离。常用的短距无线通信技术包括27 MHz, 315 MHz, 433 MHz, 868 MHz 和2. 4 GHz.与其他频段相比2. 4 GHz ISM（ 工业、科学和医用） 频段具有全球通用、带宽相对较宽、体积小巧等优点。在自动化控制和家庭信息化领域发挥越来越重要的作用。

　　Wireless USB 技术工作2. 4 GHz 频段，具有很强的抗干扰能力，可有效提高频谱利用率，易与其他无线设备共存，功耗低、支持TouchWake 功能，在近距遥控领域有其特殊优势。本项目依托Wireless USB 技术提出一种新的近距遥控设备理念---基于软件无线电和认知无线电理念的近距多功能双工遥控设备。为生产厂家节约大量成本，同时大大方便用户，必将带来巨大市场效益。

　　1 技术原理

　　在设计射频遥控系统时，会面临2 个根本问题：

　　1） 系统在面临有干扰源的环境时，如何将接收的信号恢复成原始的数据？

　　2） 通信协议如何找到空置的频道，以及如何对新干扰做出反应，包括跳频与非跳频方面的通信协议？

　　此外，还需考虑数据传输率、功耗、体积、功能扩展等因素。

　　Wireless USB 技术在频段管理上使用了FDMA 的机制，把ISM 2. 4 GHz 分成78 个频段，每个频段带宽1 MHz,遇到持续强干扰时可跳转信道继续通信。在每一个频带上又使用了CDMA（ DSSS） 技术，具有强抗干扰能力，利用多组伪随机码（ PN） 对数据进行编码，这样采用不同PN码的设备可以在同一频带上同时工作互不干扰。根据PN 码的长度不同，以及工作模式不同，Wireless USB 可以得到从15. 625 kbit /s 到1 Mbit /s 的通信速率。

　　Wireless USB 协议层的设计目标是降低成本、功耗和增加抗干扰性，采用了主从方式的星形结构。主设备是指接收数据的设备，处于实时接收状态，以接收来自从设备的信息，监视干扰状况，选择干净的频带，决定是否跳频。从设备是指产生数据和发送数据的设备，发送信息结束后立刻进入睡眠状态，最大限度地节省电池电量。

　　Wireless USB 技术支持TouchWake 功能，用户只需触摸该设备即可立即将外设从睡眠模式中唤醒。Touch-Wake 功能不仅可以使Wireless USB 外设在使用后立即进入超低功耗睡眠模式以延长电池使用寿命，而且还能借助其即时唤醒功能实现有线外设的简易性及快速响应能力。

　　对遥控领域而言这是非常重要的。

　　Wireless USB 技术的每个芯片在出厂时有6 个字节的ID,此ID 是唯一的，可作为不同个体的区别标识。

　　此外，Wireless USB 技术协议简单，拥有市场唯一的集MCU,USB,RF 模块于一体的小型化集成芯片，便于开发小体积设备。

　　最后，Wireless USB 技术支持接收信号强度指示（ RSSI）功能，为实现认知无线电技术提供了理论基础，可以检测复杂电磁环境的频谱空洞，提高频谱利用率； 该功能还为功率控制提供了技术基础，功率控制是指通过合理地设置或动态调整发射机的发射功率，在保证系统连通的同时，降低发射功率，减小对其他系统的干扰，同时达到提高节点能量利用率、延长使用时间的目的。发射机先发射握手信号，根据接收机返回的信号功率强度，调整发射功率。

    综上所述，Wireless USB 技术工作于全球通用的无须申请的2. 4 GHz 频段，具有很强的抗干扰能力，可有效提高频谱利用率，易与其他短距无线设备共存，同种设备依不同PN 码也可有效共存，便于功能复用与寻址，协议简单，拥有市场唯一的集MCU,USB,RF 模块于一体的小型化集成芯片，便于开发体积小、功耗低的产品，支持Touch-Wake 功能。设计一种新型适用的基于软件无线电、认知无线电理念的半双工多功能近距遥控设备是可行的，且应用前景广阔。

　　2 基于软件无线电理念的硬件设计

　　遥控技术在给人们带来便利的同时也带来了很多困扰，人们需要面对的遥控系统越来越多。为实现功能复用，减小生产成本，实现遥控“一卡通”且便于升级换代，本文基于软件无线电理念进行了硬件设计。即硬件满足以下特点： 结构开放，硬件不变的情况下，通过改变软件可方便地改变设备的性能和功能。该理论见文献[6].其通用模块体系基本结构如图1 所示，包括宽带天线、射频部分、基带部分等。

　　厂家可根据Wireless USB 的网络ID 和PN 码将各种近距遥控功能程序下载存储在通用遥控模块中，不同的设备用不同的PN 码区别，同一种设备的不同个体用网络ID号加以区别。用户通过按键选择所需功能。这与市场现有的万能遥控器相似，但更有优势。厂家也可生产通用遥控硬件模块，出场时根据需要分类下载具体功能，成为不同功能的遥控器，且便于产品升级换代（ 硬件不变，软件升级即可） .还可绑定多版本、多功能程序软件出售，用户可根据需要改变遥控功能。实现软件无线电理念。此外，Wireless USB 技术协议简单，随着通信技术的日益普及，相当一部分用户可根据需要设计相应的应用程序。以上通用遥控模块可支持用户自行开发遥控功能。

　　项目组在理论研究的基础上依据上述通用模块体系结构分别设计了原理实验接收机、发射机。PCB 板设计时选择常用的FR-4 板材四层双面板布线，中间两层接地。布局布线时在降低射频电路串扰噪声、信号完整性控制、电磁兼容性设计等方面作了深入研究。

　　射频电路设计是本项目硬件设计的一个难点。寄生电容和寄生电感的存在会影响射频电路的性能。需要用到传输线理论，即在传输线上的是分布参量网络，在整个长度内线上的电压和电流的幅值和相位都可能发生变化。

　　设计中使用TXLINE 软件和ADS 软件联合仿真的方式，进行射频电路阻抗的匹配。射频部分均使用0402 封装贴片元件。

　　实验板基带信号处理采用GPP（ 通用处理器） ,综合考虑功耗、功能等因素，接收机、发射机分别采用AVR 系列ATMEGA8L,ATMEGA16L 单片机作为微处理器，射频部分均采用基于Wireless USB 技术的CYRF6936 集成芯片，单片机和射频芯片通过SPI 口连接电路采用5 V 直流电压供电，电源转换芯片为XC6209B332（ 5 V 转3. 3 V） .

　　单片机ATMEGA8L、ATMEGA16L,射频芯片CYRF6936,电源芯片XC6209B332 的外围电路分别见其参考设计。接收机在通用模块的基础上添加了程序下载接口（ SPI 接口） 、6路I /O 接口和电源接口（ 接收机尺寸4 cm ×2 cm） .发射机在通用模块的基础上增加了程序下载接口（ JTAG 接口） 、RS-232 串口转换电路、5 个功能按键、11 个指示灯、16 个I /O 接口和电源接口（ 发射机尺寸10 cm × 8 cm） .接收机、发射机试验样机分别如图2、图3 所示。[page]

　　3 基于认知无线电理念的软件设计

　　随着无线通信的迅速发展，各种无线通信系统综错复杂，例如GSM/GPRS、IEEE802. 11、蓝牙、UWB、ZigBee、3G（ CDMA 系列） 、WiMAX、IEEE 802. 16、无绳电话、WiFi等。复杂的电磁环境下各系统容易相互干扰。为使所设计遥控器能在复杂环境下可靠工作，本文的软件设计是基于认知无线电理念的，接收信号强度检测（ RSSI） 是该理念的实现基础。项目软件部分拟采用模块化结构，各功能模块均编成子程序，便于软件系统的调试和完善。这部分程序主要分为主程序、数据采集与数字滤波子程序、A/D通道转换子程序、看门狗监控子程序、通信模块配置子程序和通信模块低功耗配置程序等。篇幅所限下文仅对抗干技术作陈述。

　　3. 1 扩频技术

　　Wireless USB 支持扩频技术，开发程序时只需作相应设置即可选择扩频模式和扩频码。CYRF6936 支持的伪码长度有32 位和64 位两种，在寄存器FRAMING_CFG_ADR（ 地址0×10） 中设定伪随机码位数，所使用伪噪声码在寄存器SOP_CODE_ADR（ 地址0×22） 中设定。在寄存器DATA32_THOLD_ADR（ 地址0×11） 和DATA64_THOLD_ADR（ 地址0×12） 中分别设定32 位、64 位伪码相关阈值，伪噪声码具有良好的相关特性，接收端接收到数据后进行相关运算，相关值大于设定阈值，认为是所需数据包进行后续操作，反之认为是非所需数据包，弃之不理。扩频技术使得遥控设备可与其他近距无线系统共存，减小对其他设备的干扰，又能可靠工作。

　　3. 2 纠错编译码

　　Wireless USB 技术支持的数据传输帧结构如图4 所示。

　　项目根据实用化考虑拟采用采样精度为10 位的微控制器，而上述帧格式中每一路采样数据占2 byte.为满足系统帧结构，一般采用（ 15, 11） BCH 编码（ 2 位空闲位） ,其生成多项式为g（ x） = x4 + x + 1 或g（ x） = x4 + x3 + 1,码字结构见图5,该编码方式只能纠正1 位错误。

　　控制系统采样数据各位权值是不相等的，最高位权值为29,最低位权值为20,为实现多位纠错，且考虑低采样位权值小，出现误码对控制系统应用影响较小的特点，在软件设计中可对每一路采样数据采用（ 14,8） （ 仅对高8位采样值编码，最低2 位采样值不做编码） 循环码（ BCH码） .其生成多项式为g（ x） = x6 + x2 +1,码字结构如图6所示。该编码方法的不足之处在于一旦将低位误码判为高位误码（ 如将差错图00000000100010 误判为10000000000000,因为这两差错图具有相同的伴随式） ,对控制系统而言将产生严重错误，需提到的是（ 15, 11） BCH码也存在相同的问题。

　　为解决（ 或降低） 上述问题（ 纠错位少和小错误变大错误的问题） ,项目组拟采用双（ 7,4） BCH 编码（ 低2 位不编码） ,即按权值分段编码，权值最高的4 位做一组BCH编码，较低的4 位作完全不相关的另一组BCH 码，这样不仅能纠正不止1 位错误，而且即使发生错纠，也是段内错误，减小错误程度，如图7 所示。

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　　3. 3 CRC 校验技术

　　为了提高无线信息传输过程中数据传输的可靠性，系统将附加CRC16 于每一个数据包中。CRC16 是一个16 bit 的循环冗余校验码（ CRC） ,是使用USB 的CRC 多项式运算所得，可以检测所有单位和双位差错，检测率达所有可能差错的99. 998%.

　　3. 4 数据应答与重发

　　遥控操作完成后，用户需要明确操作结果。非视线内，用户只有通过接收端返回的信号判断是否正确操作。

　　Wireless USB 支持ACK 功能。接收端收到正确数据后自动发送ACK 信号。发射端发射数据前设定ACK 等待时长，发送完数据后，打开超时定时器开始计时，同时转入接收模式，如果超时时间到，未收到ACK 信号，重发数据，即自动重发操作。该功能使得即使一次遥控操作因干扰等原因信号未被接收机接收到，用户无须二次操作，遥控器会自动重发信号，直到操作完成。如果设定时间内收到ACK 信号，发射机进入睡眠模式。由此可避免误操作。

　　3. 5 载波监听与频率捷变（ 类认知无线电技术） 频率捷变，简单地说就是频率跳变，它只是在受到干扰时频率才发生改变，这一点与通常讲的跳频通信有本质的区别，如图8 所示。CYRF6936 提供98 个信道，每个信道的带宽为1 MHz,用户可通过频率捷变技术来避免强干扰。本项目根据应用实际，启用CYRF6936 的载波监听（ RSSI） 功能。各终端在接收模式下，通过读取寄存器RSSI_ADR（ 地址0×13） 的值判断当前信道上无线信号的功率密度即干扰强度。其工作时序为： 先进行监听，如果信道有强干扰则依跳频序列跳转到下一频道； 若无强干扰，则传输数据。

　　4 原理样机调试

　　实验室调试连接示意图如图9 所示。目前为止实验室曾做以下调试： SPI 口通信调试； 20 ms 精确控制发射调试； 无线收发调试； 采样发射和接收输出PWM 信号调试；半双工调试； 串口调试； 编译码调试； 频率捷变调试； 数据应答与重发调试。

　　工程调试结果如下： 对4 路舵机精确控制测试，发射机通过I /O 接口对4 路滑动变阻器电压采样调制发射，接收机接收信号解调输出1 ~2 ms 矩形脉冲信号，控制4 路舵机发生0° ~90°偏转； 有效通信距离测试，原理样机在室内10 m 范围内可实现有效控制，室外空旷地区控制距离可达30 m; 与其他无线通信系统共存性能测试，打开实验室所有设备及蓝牙、WiFi、WLAN 等，测试表明系统可在复杂电磁环境下正常工作。多功能测试： 1） 同一发射机下载不同程序控制不同接收机； 2） 同一发射机通过切换频道控制不同接收机； 3） 同一发射机通过调用不同PN 码子程序控制不同接收机。结果证明，能实现多功能遥控功能。

　　5 总结与展望

　　拟开发的遥控设备，以Wireless USB 技术为平台； 依托认知无线电、软件无线点理念； 充分利用频率捷变技术、数据应答与重发技术、CRC 校验技术、DSSS 技术、BCH 技术、RSSI 功能、TouchWake 功能，功耗低、抗干扰能力强，能在WiFi、ZigBee、WiMAX、蓝牙、无绳电话、微波炉等周围正常使用； 通过AGC 调节发射功率实现不同距离可变功率控制； 通过PN 码区分不同设备，通过网络ID 号实现同种设备不同个体的区分控制，即实现多功能。

　　与红外遥控相比，解决了红外遥控视线与距离、单向通信、高功耗三大局限。与其他频段遥控设备相比，该技术频带更宽，数传速率更高，设备体积更小。与其他2. 4 GHz技术相比，每个芯片拥有独立网络ID,支持TouchWake 功能。此外采用DSSS 技术，支持频率捷变与RSSI,复杂电磁环境中生命力更强，应用前景广阔。

　　但研究尚处于试验阶段，各种功能尚不完善，有待在以后的研究中深入开发。