低成本無線電子教鞭解決方案設(shè)計

涂志健 程劉勝

【摘要】針對多媒體教學的普及，設(shè)計了低成本無線射頻電子教鞭的發(fā)射和接收設(shè)備，能夠使教師從電腦面前走出來，更好地實現(xiàn)互動教學。硬件電路中設(shè)計了遙控信號的編解碼電路，ASK調(diào)制與解調(diào)電路以及USB從設(shè)備接口電路。軟件部分完成了HID類設(shè)備識別程序以及相應鍵值數(shù)據(jù)上傳。實驗表明，方案成本低，功耗小，現(xiàn)場效果非常理想。

【關(guān)鍵詞】電子教鞭;無線射頻;調(diào)制與解調(diào);HID

引言

隨著教育電教化的普及，全國大多數(shù)學校都采用多媒體教學，其中PPT、Word、PDF文檔和圖片是最常使用多媒體講稿。講授進度通過鼠標或者鍵盤來控制，這帶來的缺點就是教師被束縛在電腦跟前，空間相比于整個講臺小了很多，行動上受到限制，肢體語言施展不開，課堂氣氛不活躍，教學質(zhì)量大打折扣。

要把授課教師從電腦前面徹底解放出來！秉持這一初衷，本文提出一套低成本無線教鞭設(shè)計方案，讓教師不再受空間限制，真正實現(xiàn)“自由移動講課”，系統(tǒng)由無線發(fā)送設(shè)備和無線接收設(shè)備兩大部分組成。工作頻段為433MHz無線射頻，因此發(fā)射和接收不存在角度問題且符合工信部的《微功率（短距離）無線電設(shè)備管理暫行規(guī)定》。接收設(shè)備插上PC機USB接口，Windows98以上操作系統(tǒng)，為HID（人機接口設(shè)備）類設(shè)備提供了通用的驅(qū)動程序，符合即插即用的要求。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)中無線發(fā)送設(shè)備由編碼電路和發(fā)送電路組成，完成遙控信號的編碼以及ASK調(diào)制;接收設(shè)備由接收電路，解碼電路完成射頻信號解調(diào)解碼，還原出相應的遙控信號指示HID類USB設(shè)備電路實現(xiàn)“上翻”和“下翻”動作。在器件選型中不僅考慮了性能參數(shù)，同時成本也是考慮的重點，使得設(shè)備商品化時成本較低。圖1是系統(tǒng)的功能框圖。

圖1 系統(tǒng)級框圖

2.無線教鞭硬件電路設(shè)計

2.1 發(fā)送端硬件電路

編解碼電路的作用一是區(qū)分不同的遙控指示信號;二是為了防止多個收發(fā)設(shè)備同時工作時相互之間干擾。編碼解碼芯片選用Princeton的PT2260和PT2270。PT2260/2270最多可提供310地址碼和4位數(shù)據(jù)端，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼以及同步碼從15腳串行輸出，每次發(fā)射時至少發(fā)射4組字碼[1]。PT2270只有在連續(xù)兩次檢測到相同的地址碼才置位相應的數(shù)據(jù)引腳和VT端。外接電阻阻值越大振蕩頻率越慢，碼寬越大，發(fā)一組碼的時間越長。常用振蕩電阻選用PT2260/820KΩ和PT2270/1MΩ組合，適應的電壓范圍較寬[2]。由高頻管和聲表面波諧振器組成的433.92MHz高頻發(fā)射電路，外圍器件少，成本低，電路工作非常穩(wěn)定，發(fā)射頻率不會漂移[3]。圖2是發(fā)送端電路圖。

2.2 接收設(shè)備電路

接收電路將接收到的調(diào)制信號通過放大，混頻，中放，以及ASK解調(diào)，還原成編碼后的信號，輸出給解碼電路解碼，最后由HID類USB設(shè)備電路根據(jù)遙控信號完成“上翻”和“下翻”鍵值的上傳。PT4316是一款工作在甚高頻低功耗超外差式無線接收IC，它內(nèi)部集成低噪聲放大器，混頻器，基于聲表面波的振蕩器，片上等值低通濾波器，中頻限幅放大器以及模擬基帶數(shù)據(jù)恢復電路，接收靈敏度可達-103dBm[4]。它的應用需要注意外接的聲表諧振器和天線設(shè)計。接收端電路圖如圖3所示。由于PT4316中頻鏈路的-3dB帶寬是從250KHz到3.1MHz，其中最適宜的值大約為1.2MHz，公式（1）是用來計算合適的振蕩器頻率的。例如發(fā)送端聲表諧振器的頻率為433.92MHz，則PT4316應用電路才用435.1MHz聲表諧振器比較合適。

（1）

圖2 發(fā)送端電路圖

若采用印制天線，確保沒有任何元器件在天線的背面，也不能有地線層。對于FR4材質(zhì)PCB（=4.7），線寬為30mil，天線長度計算公式如（2）所示：

（2）

式中，L（cm）為天線長度，f（MHz）為工作頻率，c為光速，3*1010cm/s。

圖3 接收設(shè)備電路圖

HID類設(shè)備電路由Silicon公司的帶USB控制器的C8051F321單片機來完成，其集成的全速/低速USB功能控制器和收發(fā)器符合通用串行總線規(guī)范2.0版。相對于傳統(tǒng)的由單片機和USB接口芯片組成HID類設(shè)備電路，節(jié)約了很多PCB空間（C8051F321是MLP28封裝，只有5mm*5mm大?。?，成本也降低了一半。同時利用其集成內(nèi)部可編程振蕩器，省去外部晶振，減小了時鐘頻率的倍頻對射頻接收電路的干擾，提高接收靈敏度。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 HID類設(shè)備識別過程

HID類設(shè)備需要遵從USB啟動流程：設(shè)備插入→總線復位→設(shè)備枚舉→數(shù)據(jù)接收/傳送。流程中的設(shè)備枚舉就是告知PC設(shè)備描述類型。當插入USB設(shè)備后，主機會向設(shè)備請求各種描述符來識別設(shè)備。為了把一個設(shè)備識別為HID類別，設(shè)備在定義描述符的時候必須遵守HID規(guī)范，因此除了USB標準定義的一些描述符外，HID設(shè)備還必須定義HID描述符。每個描述符都有固定的格式和含義，USB HID設(shè)備是通過報告來給傳送數(shù)據(jù)的，報告是一個數(shù)據(jù)包，里面包含的是所要傳送的數(shù)據(jù)，USB HOST可以分析出報告里面的數(shù)據(jù)所表示的意思，通過發(fā)送相應的描述符。主機通過識別描述符從而認識設(shè)備，認識設(shè)備數(shù)據(jù)通信格式，從而才能正常進行數(shù)據(jù)傳送和接收[6]。圖4是枚舉設(shè)備描述符調(diào)試中2種狀態(tài)截圖的合并圖。

圖4 調(diào)試過程2種狀態(tài)截圖

圖5 主程序流程圖

3.2 單片機本地端主程序

從圖3的硬件電路原理圖上可以看出，C8051F321單片機的P1口以及P2.0、P2.1是與PT2270的地址端連接在一起的，可以通過軟件來設(shè)置接收設(shè)備的地址碼，一改傳統(tǒng)硬件方式設(shè)置地址碼。P2.2和P2.3引腳信號來自發(fā)送端的遙控信號，用于指示單片機上傳相應的鍵值。單片機本地端主程序可參照圖5流程編寫代碼。單片機初始化包括IO端口初始化和時鐘振蕩器初始化，注意設(shè)置內(nèi)部振蕩器的基頻12MHz為系統(tǒng)時鐘，USB工作在低速方式，時鐘必須為6MHz，因此將內(nèi)部振蕩器二分頻即可得到。USB控制器初始化包括工作方式選擇（低速）和中斷寄存器使能等功能配置和控制操作。

USB中斷子程序包括公共中斷，端點0的IN/OUT/SETUP中斷以及端點1、2、3的IN/OUT中斷。在數(shù)據(jù)被成功發(fā)送或接收后處理器產(chǎn)生USB中斷，USB控制器中的串行接口引擎（SIE）執(zhí)行所有低層USB協(xié)議。當接收數(shù)據(jù)時，SIE在接收完一個完整的數(shù)據(jù)包后中斷處理器，相應的握手信號由SIE自動產(chǎn)生。當發(fā)送數(shù)據(jù)時，SIE在發(fā)送完一個完整的數(shù)據(jù)包并且收到相應的握手信號后中斷處理器。當收到損壞/錯誤的數(shù)據(jù)包時，SIE不中斷處理器[5]。 中斷程序編寫需要參考C8051F321數(shù)據(jù)手冊和HID類設(shè)備用法列表。

HID類設(shè)備描述符枚舉成功后，PC機識別為USB人體輸入學設(shè)備。此時單片機根據(jù)圖3中所示的遙控指示信號PU（P2.3腳）和PD（P2.2腳）電平高低，通過端點1發(fā)送USB鍵盤相應的鍵值給PC機，PageUp或者PageDown鍵值需要放在第三個字節(jié)上。AT-101鍵盤上PageUp和PageDown兩個鍵的鍵值0x4B和0x4E[7]，例如：0x00，0x00，0x4B，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，這八個字節(jié)作為一組上傳。當按下某個鍵，同時也要及時釋放，即在中斷程序端點1上傳成功子程序里面上傳八個0，PC端就知道釋放該鍵。

4.結(jié)論

低成本無線電子教鞭方案從實際應用角度提出來的。經(jīng)實驗和現(xiàn)場應用，設(shè)備性能穩(wěn)定可靠，靈敏度高，手持端功耗極低，室內(nèi)40m教師任意角度和方位使用，均能發(fā)揮自如。接收端即插即用，Windows98以上操作系統(tǒng)，提供了通用的驅(qū)動程序，極大程度上方便了教師使用。

參考文獻

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[2]陌塵.編碼解碼芯片PT2262/PT2272工作原理[J].電子制作，2004（08）：44.

[3]余宏生.聲表面波諧振器在高頻無線電遙控電路中的應用[J].湖北師范學院學報（自然科學版），2002（04）：62-65.

[4]Princeton.PT4316 Datasheet[EB/OL].2007，12：1-10.

[5]Silicon Laboratories Inc.C8051F320/1 Datasheet Rev.1.1[EB/OL]. 2003，12：143-170.

[6]涂曉強，周洪利.基于HID類的USB人機接口設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2007（06）：62-64.

[7]HID Usage Tables[S].Version1.12.2005，12：54-61.

作者簡介：涂志健（1988—），男，湖北武穴人，主要從事煤礦環(huán)境參數(shù)監(jiān)測產(chǎn)品研究。