基于MSP430F149的無線遙控教鞭設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)教學(xué)中， 教師以黑板和粉筆為最主要的教學(xué)用具， 這種教學(xué)手段單一， 課堂效率低， 不能激起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。多媒體輔助教學(xué)模式的興起， 彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足， 在實(shí)際操作中教師在進(jìn)行多媒體演示時(shí)， 要不時(shí)地進(jìn)行鼠標(biāo)操作， 使之不得不中斷與學(xué)生的互動(dòng)。無線遙控教鞭是一個(gè)很好的解決方案。

　　1 系統(tǒng)框架

　　整個(gè)系統(tǒng)由發(fā)射電路、接收電路和計(jì)算機(jī)軟件三部分組成。發(fā)射部分， 即手持教鞭部分， 以日本NEC 的uPD6121G 為控制核心。首先， 當(dāng)按下按鍵后， 掃描鍵盤得到遙控碼， 不同的鍵值對(duì)應(yīng)不同的編碼信息， 此鍵值信息代表著向計(jì)算機(jī)中演示的軟件PowerPoint 發(fā)送的控制命令， 然后將此編碼信息經(jīng)調(diào)制后由紅外發(fā)光管向外發(fā)射。接收部分的控制核心為TI 公司推出的低功耗MSP430 單片機(jī)， 主要完成發(fā)射端傳送來的紅外調(diào)制信息的接收和解碼操作， 將解析出的控制命令信息經(jīng)串口轉(zhuǎn)USB 接口傳送至計(jì)算機(jī)， 此硬件模塊可直接插在計(jì)算機(jī)的USB 接口中， 直接由USB 接口供電； 計(jì)算機(jī)中的上位機(jī)軟件采用C# 編寫， 使用Microsoft Studio 2005 自帶的SerialPort 組件。SerialPort 對(duì)象接收到數(shù)據(jù)時(shí)， 將在輔助線程上引發(fā)DataReceived 事件。處理此事件， 得到從串口發(fā)送來的控制命令數(shù)據(jù)信息， 實(shí)現(xiàn)控制多媒體演示軟件PowerPoint 的目的。系統(tǒng)框架如圖1 所示。


　　2 硬件系統(tǒng)

　　2.1 紅外遙控發(fā)射模塊

　　通用紅外遙控發(fā)射電路由編/解碼專用集成電路芯片uPD6121G 進(jìn)行控制操作，發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED 紅外發(fā)送器等部分。電路原理圖如圖2 所示。

日本NEC 公司的uPD6121G 組成發(fā)射電路的編碼原理描述如下， 當(dāng)發(fā)射器按鍵按下后， 即有遙控碼發(fā)出， 所按的鍵不同遙控編碼也不同， 具有以下特征： 采用脈寬調(diào)制的串行碼， 以脈寬為0.565 ms 、間隔0.56 ms 、周期為1.125 ms 的組合表示二進(jìn)制的“0” ； 以脈寬為0.565 ms 、間隔1.685ms 、周期為2.25 ms 的組合表示二進(jìn)制的“1”， 其波形如圖3 所示。

上述“0” 和“1” 組成的32 bit 二進(jìn)制碼， 經(jīng)38 kHz 的載頻進(jìn)行二次調(diào)制以提高發(fā)射效率， 達(dá)到降低電源功耗的目的。然后再通過紅外發(fā)射二極管產(chǎn)生紅外線向空間發(fā)射， 如圖4 所示。

由圖可知， 遙控編碼是連續(xù)的32 bit 二進(jìn)制碼組， 其中前16 bit 為用戶地址和地址反碼， 防止不同機(jī)型互相干擾， 后16 bit 為用戶操作碼和操作反碼， 也可以稱為功能碼。本次設(shè)計(jì)就采用此種紅外遙控。

　　2.2 紅外遙控接收模塊

　　接收電路使用一體化紅外接收頭HS0038 ， 接收紅外信號(hào)頻率為38 kHz ， 接收距離可達(dá)35 m。它能將遙控信號(hào)的接收、放大、檢波、整形集于一身， 并且輸出可以讓單片機(jī)識(shí)別的TTL 信號(hào)， 這樣大大簡化了接收電路的復(fù)雜程度和電路的設(shè)計(jì)工作， 方便使用。其與單片機(jī)連接原理圖如圖5 所示， 由單片機(jī)采集紅外遙控命令并在內(nèi)部完成解碼工作。


2.3 基于PL2302 的串口轉(zhuǎn)USB 接口模塊

　　由于RS232 標(biāo)準(zhǔn)串行接口已逐漸在電腦主板中淘汰， 為了充分利用USB 接口即插即用的特點(diǎn)， 本設(shè)計(jì)采用了PL2303 芯片實(shí)現(xiàn)了RS232 與USB 接口的轉(zhuǎn)換， 省去了RS232 電平以TTL 電平的裝換。用PL2303 實(shí)現(xiàn)的USB 轉(zhuǎn)串口的電路如圖6 所示。


　　3 軟件系統(tǒng)

　　3.1 單片機(jī)系統(tǒng)軟件

　　單片機(jī)采用TI 的低功耗MSP430F149 為控制核心，其主要功能是解碼紅外遙控器發(fā)送來的信號(hào)和驅(qū)動(dòng)液晶顯示。其中解碼紅外遙控信號(hào)是實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，紅外接收電路的信號(hào)輸出接到單片機(jī)的外部中斷0 上，當(dāng)單片機(jī)接收到信號(hào)后進(jìn)入中斷函數(shù)， 首先判斷是否為引導(dǎo)碼， 如果是則進(jìn)入解碼程序， 否則丟棄。解碼程序通過精確的延時(shí)函數(shù)， 判斷每個(gè)發(fā)送過來的每一位為0 還是1， 并把數(shù)據(jù)保存到date 數(shù)組中， 其中date ［0］ 保存地址碼，date ［1］ 中保存地址反碼，date ［2］ 中保存數(shù)據(jù)碼，date［3］ 保存數(shù)據(jù)反碼。解碼的流程圖如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

　　3.2 上位機(jī)軟件

　　上位機(jī)軟件采用C# 編寫， 使用Microsoft Studio 2005自帶的SerialPort 組件。SerialPort 對(duì)象接收到數(shù)據(jù)時(shí)， 將在輔助線程上引發(fā)DataReceived 事件。處理此事件， 得到從串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)， 并給計(jì)算機(jī)發(fā)送相應(yīng)的命令。

　　本軟件界面人性化， 用戶在設(shè)置過程中有簡單的操作提示， 使得人機(jī)對(duì)話更為簡單， 當(dāng)設(shè)置完成后可以讓程序隱藏到后臺(tái)運(yùn)行。小軟件還有漂亮的皮膚界面， 上位機(jī)軟件截圖和軟件的工作流程如圖8 所示。

本設(shè)計(jì)以MSP430F149 單片機(jī)為控制核心， 所設(shè)計(jì)的遙控教鞭功耗低， 僅須兩節(jié)電池供電； 命令接收采用USB 接口， 其供電可直接通過計(jì)算機(jī)取電。工作時(shí)， 只要打開控制軟件和PPT 演示軟件， 其操作就可通過手執(zhí)部分隨意控制， 可方便地應(yīng)用于教學(xué)、會(huì)議室等需演示的場(chǎng)合。