基于Si1000多路無線遙控開關(guān)的設(shè)計

高承志，馬建倉

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

家庭照明系統(tǒng)與人民的生活密切相關(guān)，大部分家庭依然采用普通開關(guān)，開關(guān)只能控制一組燈具，且現(xiàn)有的無線遙控開關(guān)使用壽命比較短，一般2～3年。設(shè)計一種新的無線遙控開關(guān)，可以實現(xiàn)對照明系統(tǒng)進行控制，同時有效提高使用壽命便于人們放心安全使用是非常有必要的。文中以日常電燈的無線控制為研究對象，采用Silicon Laboratories研制的Si1000[1]無線收發(fā)芯片，設(shè)計一種可靠性高、節(jié)電便捷的無線遙控開關(guān)。Si1000其內(nèi)部集成C8051f9xx低功耗單片機以及Si4432射頻模塊，利用此芯片設(shè)計了頻率為433.92 MHz的無線電燈遙控開關(guān)，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，以實現(xiàn)電燈多路控制的功能，亦可應(yīng)用于其他應(yīng)用場合。

1 無線遙控開關(guān)工作原理

無線遙控多路開關(guān)由手持遙控器和接收控制實現(xiàn)單元組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Block diagram of system

無線遙控多路開關(guān)工作原理如下：首先通過按鍵電路輸入對應(yīng)功能按鍵信號，內(nèi)部單片機對所輸入按鍵信號進行信息編碼，同時加入地址編碼信息，這樣就形成帶有地址編碼信息和相應(yīng)的電燈開關(guān)控制狀態(tài)信息的編碼脈沖信號，然后進行調(diào)制，調(diào)制后的信號再經(jīng)過放大和調(diào)諧處理后由射頻發(fā)射電路發(fā)射出去；無線電接收電路接收到手持遙控器發(fā)射出來的載波調(diào)制信號對其進行解調(diào)，對其地址碼進行驗證確認(rèn)，如果遙控地址碼相匹配，則對編碼脈沖信號進行解碼得到數(shù)據(jù)，由Si1000內(nèi)部的單片機對開關(guān)電路進行控制，由管腳輸出相應(yīng)的高低電平控制電路，從而實現(xiàn)無線電燈控制。否則，不進行解碼，單片機控制電路無反應(yīng)[2-3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 芯片介紹

Silicon Labs公司推出的Si1000[1]芯片系列，集成了超低功耗C8051f9xx單片機及無線射頻模塊，當(dāng)處理器進行數(shù)據(jù)的有關(guān)操作時，可以提供非常低的工作電流，從而降低功耗，Si1000低功耗的特性使得其工作電壓為0.9～3.6 V，完全可以用電池進行供電。Si1000[1]系列無線微控制器內(nèi)部集成了25 MHz的8051內(nèi)核、EZRadioPRO系列略低于1 GHz的RF收發(fā)器件、最大64 kB的Flash以及最高12 bit分辨率的ADC。同時Si1000內(nèi)部的FLASH存儲器具再在編程能力，便于用戶進一步開發(fā)使用，采用C2接口進行軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，方便快捷。

2.2 硬件電路設(shè)計

如圖2所示為無線遙控發(fā)射單元電路原理圖。整個電路以Si1000[1]為核心，無線遙控器可劃分為供電單元、信號處理單元、編程單元和天線。手持遙控器采用電池供電，無線遙控發(fā)射單元的主要功能是在Si1000內(nèi)部MCU的控制下采集按鍵電路的狀態(tài)信息，對狀態(tài)信息進行編碼，同時內(nèi)部模塊再按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)包格式加入相應(yīng)前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)長度和校驗位，然后進行FSK調(diào)制，調(diào)制后信號經(jīng)放大調(diào)諧，由發(fā)射天線發(fā)射出去。

圖2 無線遙控發(fā)射單元Fig.2 Wireless remote transmission unit

如圖3所示為無線遙控接收單元電路原理圖。無線遙控接收單元可劃分為供電單元、無線接收單元、信號處理單元、編程單元和控制實現(xiàn)單元。接收單路供電單元采用變壓器穩(wěn)壓芯片組成，Si1000供電電壓為1.8～3.6 V，無線接收單元采用匹配濾波網(wǎng)絡(luò)，接收433.92 MHz的諧波，并將接收到的信號送入單片機進行處理；信號處理和編程單元以Si1000內(nèi)置單片機進行處理，Si1000內(nèi)部集成的C8051f9xx低功耗單片機，通過軟件設(shè)置對接收單元送來的信號進行解調(diào)，核對地址碼信息是否匹配，如匹配則進行譯碼，由單片機對所得信息進行處理，由端口輸出對控制單元發(fā)送信號，從而最終實現(xiàn)無線控制；否則電路無響應(yīng)[4-5]。

圖3 無線遙控接收單元Fig.3 Wireless remote control receiving unit

2.3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計，功能模塊主要包括：芯片參數(shù)初始模塊，無線發(fā)射模塊，無線接收模塊等。系統(tǒng)采用C2接口編程，Si1000的 C2DATA、C2CLK端口、VCC和 GND與JTAG接口的4個端口相連。

無線收發(fā)模塊之間的通信是以數(shù)據(jù)包的形式進行的，本無線遙控系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)包格式如表1所示。一個數(shù)據(jù)包由前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)和校驗位等組成。前導(dǎo)碼用于將發(fā)射和接收單元進行很好的同步，即找到一幀數(shù)據(jù)的起始位置，由幾組10101010組成的，共有8n位，n的大小由用戶編程決定；同步字是為了更好的進行同步以便找到幀頭，同步模式的標(biāo)志碼就是設(shè)定好的同步字。數(shù)據(jù)攜帶的是按鍵信息，即每個按鍵的編碼。最后是校驗位，用于對幀數(shù)據(jù)進行檢驗來檢測數(shù)據(jù)的正確，在實際應(yīng)用中可根據(jù)實際情況進行取舍。無線發(fā)射模塊采用這樣的數(shù)據(jù)包將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

表1 數(shù)據(jù)包格式的定義Tab.1 Definition of the packet format

Si1000內(nèi)部含有C8051FXX和射頻模塊，故其內(nèi)部可以完成信號調(diào)制、信號解調(diào)、數(shù)據(jù)編碼和數(shù)據(jù)解碼等，硬件自動添加前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)校驗位。上電后程序完成Si1000的參數(shù)初始化以及SPI接口和射頻的初始化后，配置寄存器寫入相應(yīng)的初始化RF控制字，系統(tǒng)初始化及參數(shù)配置完畢之后，檢測引腳nIRQ的電平，若為低電平則表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮漳Ｊ讲⒁呀?jīng)檢測到數(shù)據(jù)包，通過寄存器4BH讀取數(shù)據(jù)包長度信息，打開“有效包中斷”和“數(shù)據(jù)包中斷”，禁止將其他的中斷，系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)并處理[6]。

本無線電控制系統(tǒng)設(shè)置同步模式的標(biāo)志碼為0x2DD4，接收模塊一旦檢測到這個同步字就進行同步接收數(shù)據(jù)。等待中斷產(chǎn)生，nIRQ引腳變?yōu)榈碗娖?，接收?shù)據(jù)包，同時讀取中斷標(biāo)志位復(fù)位nIRQ引腳，使nIRQ引腳變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)以準(zhǔn)備下一次中斷觸發(fā)的檢測；通過接收到的數(shù)據(jù)，首先確認(rèn)地址信息，若匹配則對其進行譯碼，從碼字判斷電燈控制狀態(tài)，再由Si1000內(nèi)置單片機進行相應(yīng)處理并輸出對應(yīng)控制信號，從而實現(xiàn)控制功能，否則電路無反應(yīng)。

3 結(jié)束語

文中根據(jù)現(xiàn)在存在的問題及設(shè)計要求，采用Si1000這一集成芯片，設(shè)計了一套無線通信控制系統(tǒng)，具有方便、快捷、低功耗和使用壽命長等優(yōu)點，并進行了軟硬件調(diào)試，在有限的條件下，證明了設(shè)計的可行性，同時文中僅以日常照明控制為例，但是此系列芯片未來可以在工業(yè)生產(chǎn)、門禁系統(tǒng)、智能家居等方面進一步推廣應(yīng)用。

[1]Silicon Labs.Si1000 Wireless MCUs Datasheet[EB/OL].（2010-03-21）http://www.silabs.com/products/wireless/wirelessmcu/Pages/Si1000.aspx.

[2]周慶華，陳龍，張海鵬.無線電遙控多路開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2003（11）:30-32.ZHOU Qing-hua，CHEN Long，ZHANG Hai-peng.Design of a wireless remote control multiplex switch system[J].Measurement and Control Technology，2003（11）:30-32.

[3]李曉輝，任艷君.四路無線遙控開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（12）：66-68.LI Xiao-hui，REN Yan-jun.Design and realization of four channels switch system on wireless remote control[J].Modern Electronics Technique，2007（12）:66-68.

[4]包海濤.嵌入式SoC系統(tǒng)開發(fā)與工程實例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5]童長飛.C8051f系列單片機開發(fā)與C語言編程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[6]單海東，盧東貴.基于Si1000無線微控制器的無線射頻測溫系統(tǒng)的設(shè)計[J].電氣時代，2010（8）:120-122.SHAN Hai-dong，LU Dong-gui.Radio frequency temperature measurement system design of wireless micro controller based on Si1000[J].Electric Age，2010（8）:120-122.