基于MSP430的低功耗RF/紅外控制器的設計

　　引言
　　
　　在智能化家居控制系統應用中，無線通信和控制已經越來越廣泛地被運用。為了實現對居室電器設備的集中無線控制，可采用遙控、手持遙控器進行遠程或短距離的無線控制，但所控制和傳輸的信號都是RF信號。然而有些被控對象本身是用紅外信號遙控的，例如電視機、空調，由于各種品牌的空調都有自己的紅外編碼信號，相互不能通用，這就給智能化家居控制系統中紅外遙控器的集中無線控制帶來了極大的不便。本文就基于MSP430的低功耗RF/紅外控制器的設計與實現進行介紹。
　　
　　1、工作原理
　　
　　大多數紅外遙控信號的輸出都是用編碼后串行數據對38~40KHz的方波進行脈沖幅度調制而產生的PWM信號，如圖1所示。各種品牌的紅外遙控器的編碼信號互不兼容。　　
　　對該波形進行測量，并將高低電平的寬度存于Flash中，而不管其如何編碼。當需要對遠端的紅外設備進行無線控制時，在內存中取出該數字序列，經Msp430單片機中的捕獲比較功能模塊，將其還原成紅外編碼信號。為了實現無線傳輸，將該信號調制到350MHz或420MHz的無線電波上進行傳送。
　　
　　由于紅外編碼信號的頻率只有幾十K左右，而無線載波的頻率是350MHz，以上變換的誤差很小。而防止產生誤動作的關鍵是脈沖函數的寬度的選取。采樣頻率越高，誤差就越小，但內存的用量就越大。本文選取采樣頻率為紅外基波頻率（20KHz）的6倍[6][7]。
　　
　　接收端的電路先將收到的調制信號解調,得到與圖1相似的紅外波形，該信號通過紅外驅動電路將驅動紅外發光兩極管，就可以得到遙控發射信號，完成要求的控制動作。只要解調信號和實際的紅外波形有很好的一致性，就能夠正確的實現紅外遙控。
　　
　　2、系統的硬件結構
　　
　　本控制器分主控制器和接收節點兩個部分。如圖2所示。　　
　　1）電源模塊
　　
　　電源模塊的主要功能是實現電壓的轉換。把220V的交流電轉換成數字電路工作所需要的3V和6V的直流電，其中3V是主要供單片機所使用的，6V供給紅外一體化接收頭和RF發射、接收模塊使用的。此系統的電源回路設計采用無變壓器的有源電路，它主要由一些電容、電阻、二極管、穩壓管等組成，可達到體積小，耗電少、經濟實用、性能穩定可靠的指標。
　　
　　2）控制器模塊
　　
　　控制器模塊以MSP430F1121單片機為控制器，它的主要功能是完成與其它模塊的接口，控制和協調各模塊的工作。MSP430是TI公司推出的16位系列單片機，它具有4kB+256字節的FLASHROM和256字節的RAM的存儲空間。因此，在整個硬件電路上無須外加程序存儲器。在電池供電的低功耗應用中具有*的優勢，其工作電壓在1.8-3.6V之間，正常工作時功耗可控制在200μA左右，低功耗模式可實現2μA甚至0.1μA的低功耗。當單片機處于閑置狀態時，可以讓其處于睡眠狀態以降低供耗，可供選擇的有6種模式：活動方式（AM）和低功耗方式（LM0,LM1,LM2,LM3，LM4），低功耗方式可讓其zui低功耗幾乎為零。
　　
　　3）紅外自學習模塊
　　
　　紅外自學習模塊的主要功能是能夠學習并記錄各種格式紅外編碼波形，常規的方法是將各種型號的紅外編碼存于一個表中，但這需要海量存儲器。本模塊由MSP430單片機內的捕獲/比較功能模塊、紅外一體化接收頭，2個開關，一個為自學習開關，另一個為復位開關，以及指示用的LED組成。
　　
　　圖3是捕獲比較模塊的結構框圖[5]。捕獲比較模塊用于捕獲應用事件的發生時間，或產生定時間隔。利用Timer_Ad定時器的捕獲功能，將CCTL1中的模式位CAP置位，并選定任意跳變的脈沖觸發模式，當被測的紅外波形產生上升沿或下降沿時，定時器計數值將被復制到捕獲寄存器CCR1中。相鄰兩次跳變時所記錄的定時器計數值之差就是高電平或低電平的持續時間。將每個時間值保存在FLASH中，就是將紅外編碼波形完整的記錄下來。由于是波形的復制，可以避免由于廠家不同，紅外遙控器發出的紅外編碼信號不統一而帶來的麻煩。由于每發生一次捕獲，捕獲/比較模塊寄存器將產生中斷，因此程序能方便的判斷紅外波形是否結束。另外，捕獲/比較模塊中的輸出單元可根據定時器計數到CCRx和CCR0時，輸出PWM波形。　　
　　由于MSP430具有高穩定度的時鐘，所以所捕獲的紅外編碼有較的波形，能夠準確地復現紅外編碼信號，實現紅外編碼的自學習和存儲，以供紅外-射頻調制模塊的使用。
　　
　　4）紅外-射頻調制發射模塊和射頻-紅外解調模塊
　　
　　該模塊將事先存儲在FLASH中代表紅外編碼波形高低電平的時間值，放入CCRx和CCR0作為定時器計數值，當定時器計數到CCRx和CCR0時，捕獲/比較模塊中的輸出單元輸出PWM波形，通過無線發射模塊，將該PWM信號攜載在315MHz的載波上發射出去。無線發射模塊采用ASK調制，其工作頻率為315MHz，采用聲表諧振器SAW，頻率穩定度較高。
　　
　　接收模塊采用315MHz的超外差接收模塊,其優點是頻率穩定，抗*力好，和單片機配合時性能比較穩定，缺點是靈敏度比較低。通過該模塊，將接收到的ASK信號解調成PWM信號，該信號就是紅外編碼信號，故通過紅外驅動-發射模塊將驅動紅外發光兩極管，就可以得到遙控發射信號，完成要求的控制動作。
　　
　　3、系統的軟件設計
　　
　　系統軟件設計主要包括監控程序、中斷程序以及數據處理程序等。流程圖見圖4。監控程序主要完成P1P2口各位的輸入、輸出引腳定義，中斷設置，定時器捕獲模式設定等系統初始化，等初始化程序結束后，設定MSP430F413工作在低功耗模式LPM4,使CPU處于休眠狀態，其能耗zui低（0.1μA）。由于P1、P2口具有中斷功能，能夠實時的捕捉觸發事件，P2.1和P2.2口線連接紅外學習開關，P2.3連接復位開關。P1.0和P1.1口線連接RF接收模塊，P1.2線則接收來自紅外一體化接收頭的信號，P1.3口線發射紅外信號，當其中任何一個引腳收到跳變信號時，就觸發一個中斷事件將系統從休眠中喚醒，這樣使得系統的用電大大的節約下來。　　
　　開發工具選擇TI公司的MSP430系列單片機配套的IAREmbebbedWorkbench集成軟件開發系統，它可以通過仿真器對目標系統實現在線編程，將程序通過仿真器寫到單片機中實時的運行，設置斷點等調試，通過強大的調試窗口功能可觀察分析運行結果。
　　
　　4、結束語
　　
　　應用本文的設計思想和方法，可以較好地實現用無線信號對原紅外遙控設備的控制，該控制器在實際應用中已經得到較好的驗證，具有精度高、控制準確、抗干擾性強等特點。為智能化家居控制系統中紅外遙控設備的集中無線控制提供了一套可行方案。本文作者創新點：
　　
　　1對紅外編碼信號的波形進行測量，并將高低電平的寬度存于Flash中，而不管其如何編碼，可實現各種型號紅外遙控器的自學習。
　　
　　2將紅外信號調制在射頻信號上，可解決紅外信號傳播的方向性缺點以及不能穿墻的問題，實現遠距離的無線控制
　　
　　3超低功耗的系統設計方法對于功耗敏感的應用提供了一種很好的解決方案。