射頻遙控及其在家電遙控器中的應(yīng)用

1 引言

隨著生活水平的不斷提高，家庭中擁有的家用電器不斷增多，消費(fèi)者對(duì)這些家電的遙控功能和性能亦提出了更高的要求。射頻遙控由于具有距離遠(yuǎn)、無障礙、低功耗、支持更為復(fù)雜的協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的紅外遙控方式。在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，射頻遙控器會(huì)被作為一個(gè)很酷很時(shí)尚的賣點(diǎn)很快被消費(fèi)者接受。也許若干年后，當(dāng)你對(duì)孩子們說你小時(shí)候的電視機(jī)遙控器要對(duì)著電視機(jī)才能遙控時(shí)，他們會(huì)覺得很驚訝。

2 從紅外遙控到射頻遙控

紅外遙控(IR Remote)有超過二十五年的歷史了，它簡單且很容易設(shè)計(jì)，一直以來是控制電子設(shè)備尤其是家用電器的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。

紅外線又稱紅外光波，在電磁波譜中，光波的波長范圍為0.01um~1000um。根據(jù)波長的不同可分為可見光和不可見光，波長為0.38um~0.76um的光波可為可見光，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色。光波為0.01um~0.38um的光波為紫外光(線)，波長為0.76um~1000um的光波為紅外光(線)。紅外光按波長范圍分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極紅外4類。紅外線遙控是利用近紅外光傳送遙控指令的，波長為0.76um~1.5um。用近紅外作為遙控光源，是因?yàn)槟壳凹t外發(fā)射器件(紅外發(fā)光管)與紅外接收器件(光敏二極管、三極管及光電池)的發(fā)光與受光峰值波長一般為0.8um~0.94um，在近紅外光波段內(nèi)，二者的光譜正好重合，能夠很好地匹配，可以獲得較高的傳輸效率及較高的可靠性。

紅外遙控的原理是用電信號(hào)控制或稱為調(diào)制紅外發(fā)光二極管(IR LED)產(chǎn)生肉眼不可見的紅外光，由一個(gè)塑料透鏡將紅外光聚焦成很窄的光束發(fā)射出去。在接收電路中的紅外接收器件則是一個(gè)光敏二極管，把接收到的紅外線轉(zhuǎn)換成電流，然后由接收器中的單片機(jī)對(duì)它解碼。

紅外遙控的發(fā)射電路是采用紅外發(fā)光二極管來發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的紅外光波；紅外接收電路由紅外接收二極管、三極管或硅光電池組成，它們將紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，再送后置放大器。

因此對(duì)環(huán)境影響很小，再由紅外光波動(dòng)波長遠(yuǎn)小于無線電波的波長，所以紅外線遙控不會(huì)影響其他家用電器，也不會(huì)影響臨近的無線電設(shè)備。

紅外遙控有很多缺點(diǎn)。首先，紅外線有很強(qiáng)的方向性，不能穿透墻壁、家具、人體等障礙物，也就是說，在遙控器和設(shè)備之間不能有上述的這些障礙物的阻擋；其次，紅外線只適于單向的通訊，雙向通訊很難實(shí)施且成本很高。用戶在使用紅外遙控時(shí)，都會(huì)碰到過以下的問題：

-遙控距離不能過遠(yuǎn)
-遙控角度有限制，遙控器偏離接收器角度過大就無法遙控。而現(xiàn)代家庭里越來越多的遙控家電，它們分散布置在房中，用戶要遙控時(shí)需要先想一想該設(shè)備在哪里

現(xiàn)在有了新一代的射頻遙控(RF Remote)，它使用數(shù)百兆赫茲的無線電波取代紅外光作為遙控信息的載體，由于它具有無方向性。

射頻技術(shù)的遙控距離也遠(yuǎn)大于一般的紅外遙控距離(數(shù)米到十米)。在同樣的操控條件下，射頻遙控的距離可以輕松達(dá)到數(shù)十米。根據(jù)不同應(yīng)用需求，可以通過加大射頻輸出功率來進(jìn)一步延長遙控距離。

與紅外遙控相比，射頻遙控還有一個(gè)十分明顯的低功耗優(yōu)勢。紅外遙控器一般使用兩節(jié)五號(hào)或七號(hào)電池，通常每年要更換一次電池。而射頻遙控器則可以做到四年更換一次電池。由于功耗低，射頻遙控器甚至可以用紐扣電池供電，有利于產(chǎn)品小型化，外觀更時(shí)尚。

使用射頻，也可以輕易地實(shí)現(xiàn)單向或雙向遙控功能。更重要的是，半導(dǎo)體廠商提供成熟的射頻收發(fā)器集成電路，并提供詳盡的參考設(shè)計(jì)，用戶無需涉及射頻方面的專業(yè)知識(shí)，就可以設(shè)計(jì)自己的射頻遙控器。

在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，射頻遙控器會(huì)被作為一個(gè)很酷很時(shí)尚的賣點(diǎn)很快被消費(fèi)者接受。也許若干年后，當(dāng)你對(duì)孩子們說你小時(shí)候的電視機(jī)遙控器要對(duì)著電視機(jī)才能遙控時(shí)，他們會(huì)覺得很驚訝。

3 射頻遙控的市場狀況

隨著低能耗射頻芯片逐步進(jìn)入市場，根據(jù)市場調(diào)研公司ABI Research最近的研究報(bào)告，從現(xiàn)在到2014年，預(yù)計(jì)射頻遙程控器市場的年增長率將達(dá)到55%，射頻遙控最終可能在五年內(nèi)淘汰有幾十年歷史的紅外遙控。

4 Semtech射頻芯片產(chǎn)品

Semtech Corporation是總部位于美國的全球性模擬與混合信號(hào)半導(dǎo)體器件供應(yīng)商，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用電源管理、保護(hù)、高級(jí)通信、人機(jī)界面、測試和檢測、無線和傳感等商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域。

Semtech 于2005年收購了瑞士的XEMICS。XEMICS一直致力于研究和生產(chǎn)低電壓、低功耗芯片，在射頻領(lǐng)域有超過20年的經(jīng)驗(yàn)，提供各種無線短距離傳輸、微控制器、傳感器、音頻芯片的解決方案。

Semtech的射頻芯片包括單發(fā)、單收和收發(fā)3個(gè)系列，為個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和家庭及建筑物自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)提供集成的、小范圍的無線連接解決方案。通過小范圍的無線連接，實(shí)現(xiàn)包括家庭自動(dòng)化、遠(yuǎn)程測量和控制、無線耳機(jī)等應(yīng)用。

5 SX1230發(fā)送器

SX1230是Semtech的集成ISM頻段(315，434，868和915MHz)窄帶/寬帶發(fā)送器，可提供兩種工作模式：獨(dú)立模式和單片機(jī)控制模式。該發(fā)送器采用Semtech的TrueRF技術(shù)設(shè)計(jì)，將所有無線電元件集成于一個(gè)CMOS芯片上，最大程度減少了其他無源元件的使用。SX1230具有雙功率放大器，射頻輸出功率從-18dBm到17dBm可編程，比特速率高達(dá)600kbps。支持FSK，GFSK，MSK，GMSK和OOK調(diào)制方式。在整個(gè)工作電壓1.8到3.7V范圍內(nèi)均可提供穩(wěn)定的射頻性能。

SX1230在免許可證的315、434、868和915MHz ISM頻段下工作，采用MLPQ- 24(4x4)封裝，具有自動(dòng)化PLL校準(zhǔn)功能并完全集成了VCO和環(huán)路濾波器。

SX1230可用在RKE，遙控和安全系統(tǒng)，語音和數(shù)據(jù)RF通信鏈接，過程以及建筑物/家庭控制、RFID和自動(dòng)抄表等。

圖1 SX1230簡化框圖

5.1 獨(dú)立模式

當(dāng)E2_MODE引腳接高電平時(shí)，SX1230工作于獨(dú)立模式(Stand Alone Mode)。芯片配置參數(shù)以及每個(gè)按鍵的RF數(shù)據(jù)包格式都事先定義在一片外置的EEPROM中，SX1230作為SPI主機(jī)將這些配置讀入。

圖2 獨(dú)立模式應(yīng)用電路圖

PB(3:0)是按鍵接口，如果使用二極管編碼電路，最多可以支持15個(gè)按鍵。平時(shí)SX1230處于睡眠狀態(tài)，按鍵動(dòng)作將喚醒芯片并進(jìn)行去抖，然后發(fā)送該按鍵對(duì)應(yīng)的RF數(shù)據(jù)包，完成后再回到睡眠狀態(tài)。

獨(dú)立模式適用于低成本、按鍵數(shù)目不多、RF數(shù)據(jù)包格式相對(duì)簡單的遙控器方案。

5.2 單片機(jī)控制模式

當(dāng)E2_MODE引腳接高電平時(shí)，SX1230工作于單片機(jī)控制模式(MCU Mode)。SX1230作為SPI從機(jī)受外部單片機(jī)的控制，根據(jù)應(yīng)用的不同，SX1230最少只需3線連接至單片機(jī)即可工作。

圖3 MCU模式應(yīng)用電路圖

SX1230和單片機(jī)的接口分為SPI和RF兩部分，單片機(jī)通過SPI接口對(duì)SX1230進(jìn)行參數(shù)配置；通過RF接口發(fā)送數(shù)據(jù)包。其它工作包括按鍵、顯示、建立數(shù)據(jù)包等均由單片機(jī)完成。

單片機(jī)控制模式適用于按鍵數(shù)目較多、RF協(xié)議或數(shù)據(jù)包格式較復(fù)雜的遙控器方案。

6 SX1210/13接收器

SX1210/13是Semtech的集成UHF頻段接收器。SX1210用于868MHz、915MHz頻段，而SX1213用于433MHz頻段，其它各參數(shù)完全相同且管腳兼容。SX120/13的接收電流不到3mA，為業(yè)界最低，與競爭對(duì)手相比，接收電流要低6倍。設(shè)計(jì)應(yīng)用于無線報(bào)警器、安全，家庭自動(dòng)化中的傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及自動(dòng)化抄表領(lǐng)域。

器件采用TQFN-32 (5x5)封裝，還具有接收同步字識(shí)別、曼切斯特解碼和數(shù)據(jù)去白化、CRC校驗(yàn)，以及用于接收數(shù)據(jù)、時(shí)鐘同步和恢復(fù)的內(nèi)置位同步器。

圖4 SX1210/13簡化框圖

7 應(yīng)用實(shí)例

7.1 獨(dú)立模式遙控器

對(duì)于一些按鍵較少的家電遙控器，SX1230的單獨(dú)模式提供了一個(gè)很好的解決方案。通過二極管編碼電路，最多可以實(shí)現(xiàn)15個(gè)按鍵；如果要求的按鍵少于4個(gè)，還可以直接使用SX1230提供的4個(gè)按鍵接口引腳。

圖5 15鍵獨(dú)立模式遙控器電路圖

7.2 單片機(jī)控制模式遙控器

當(dāng)遙控器的應(yīng)用要求多于15個(gè)按鍵或RF協(xié)議、數(shù)據(jù)包比較復(fù)雜時(shí)，可以使用SX1230的單片機(jī)模式實(shí)現(xiàn)。下圖顯示了一個(gè)電路板尺寸是4x22cm的42鍵遙控器樣機(jī)照片，這個(gè)遙控器同時(shí)兼容紅外方式。

圖6 42鍵單片機(jī)模式遙控器樣機(jī)電路板

8 結(jié)語

本文主要介紹了Semtech的射頻集成電路SX1230、SX1210/13在家電遙控器中的應(yīng)用。由于Semtech的射頻集成電路具有外圍電路簡單、功耗低、射頻參數(shù)用戶可編程、支持多種調(diào)制模式、生產(chǎn)中免調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，用戶無需掌握專業(yè)的射頻相關(guān)知識(shí)也可以開發(fā)出性能穩(wěn)定可靠的射頻應(yīng)用。