10.4.1 无线遥控原理概述
无线信号的发射与接收存在于我们的日常生活中，时时处处伴随着我们。从发射与接收无线信号是否是人们有意识有目的进行的活动上，可以将它分为有意识的和无意识的两种。显而易见，有意识遥控是人为设定并控制的发射与接收，一般是有益的，例如遥控玩具车、遥控飞机模型、遥控电视等；无意识遥控则不然，它是自然形成的发射与接收，人们往往没有预知，也无法避免或消除，这种也被称为无益遥控，例如收音机接收到雷电放电时产生的电磁辐射、日光灯的启辉器在开启瞬间产生的电磁波发射等。 无线电波是电磁波的一部分，我们一般都会按照频率或波长将无线电波进行分类。这是因为它有较宽的频率范围，而且，对于不同频段的无线电波，它的特性也有区别。为此，我国颁布了无线电频段划分表，如表10.4.1所示。中国农民专业合作社网
表10.4.1 无线电频段和波段命名
频段名称频率范围波段名称波长范围
极低频(3~30)Hz 极长波(100~10)×106m 超低频(30~300)Hz 超长波(10~1)×106m
特低频(300~3000)Hz 特长波(1000~100)km
甚低频(3~30)kHz 甚长波(100~10)km
低频(LF) (30~300)kHz 长波(10~1)km
中频(MF) (300~3000)kHz 中波(1000~100)m
高频(HF) (3~30)MHz 短波(100~10)m
甚高频(VHF) (30~300)MHz 米波(10~1)m
特高频(UHF) (300~3000)MHz 分米波(微波) (10~1)dm青岛张韶军
超高频(SHF) (3~30)GHz 厘米波(微波) (10~1)cm
西风狂诗曲2极高频(EHF) (30~300)GHz 毫米波(微波) (10~1)mm
至高频(300~3000)GHz 丝米波(微波) (1~0.1)mm 从表10.4.1可以看出，无线电遥控可利用的波段达12种之多，当然各波段的利用是需要条件的。实际上，在选择载波频率的频段时，要考虑的因素有很多，比如遥控设备的特点、实际遥控距离、天线长度和允许的功率范围等。读者要依据具体的条件选用较为合适的频段与波段。
用电磁波控制信号的控制器称为无线电遥控器。它由两部分组成——发射机和接收机，前者用于发送控制信号，后者用于接收控制信号。这是因为一般情况下，控制信号不能被直接发送与接收。而由发射机用高频信号调制控制信号，然后发送出去，以及由接收机解调接收到的高频信号，然后从中取出控制信号。发射机发射信号与接收机接收信号一般都是利用天线来完成的。
细胞检测发射机和接收机都可以分为各种不同的种类。对于发射机，按照各自用途的不同可分为单通道和单通道、开关式和比例式等多种工作方式；按照各自控制对象功率的不同可分为小功率、中功率和大功率几种；按照各自物理大小的不同可分为袖珍式（也称为微型发射机）和台式等，其中台式的一般是固定大功率的；按照发射机载频的调制方式可分为调频(FM)制和调幅(AM)制。其中，调频是使载频的频率按
指令信号的规律变化，调幅是使载频的幅度按指令信号的规律变化。对于接收机，可分为超再生式、超外差式等类型。接收机的工作过程依次为选择信号、放大信号和解调信号。
一个无线遥控玩具即可视为简单的实现无线控制的机器手。从玩具内部，我们可以到无线频率(RF)控制器，这一模块化的无线控制器可用于机器人上。从众多的机器人比赛中可以看出，在机器手上应用无线控制器是不难实现的。
除了具有控制功能以外，有些模块还能传送数据。比如，应用了数据模块的机器手可以将由力觉或视
觉等传感器采集的信息传输给计算机。这一功能避免了使用数据线的限制，因此可以实现双向的异地遥控。比如使用远距离的计算机编程无线异地控制机器手这是数据从计算机到机器手的传输；从另一方向，由机器手到计算机也可以无线传输，例如，车库自动门系统接收到周围环境的状态信息并传输到计算机。
以上讲的是机器手与计算机间数据传输和控制。这种无线控制也可应用于多个机器人之间的协同工作。打一个形象的比喻，无线频率控制模块就像手机一样供机器手之间互通信息使用。
图10.4.1 无线数据传输模块
10.4.2 无线遥控的接收模块
由于大规模多功能集成电路已逐步代替分立元件，在一些先进的接受机电路中，仅采用两块集成电路
即可构成功能很强的接收机，使其制造大为简化。美国摩托罗拉公司生产的对讲机、遥控接收机专用集成电路MC3357、MC3359、MC3361、MC3362、MC3367以及MC3372等广泛应用于各类无线电遥控器中，以它优良的产品性能深得用户喜爱。下面介绍典型电路MC3357为例。
MC3357是调频中频专用集成电路器件，内部包括振荡器、混频器、限频放大器、鉴频器、有源滤波器、静噪触发电路和音频放大器等，采用双列直插塑封形式封装，具体应用电路参考图10.4.2。混频器送出455kHz信号，经JT五端陶瓷滤波器滤波后，由引脚5输入到内部限幅放大器，放大后的中频信号由引脚8输入进行鉴频，随后信号由内部音频放大器放大从引脚9输出。引脚14内部接静噪电路的开与关（引脚14输出1或0控制信号）。有信号时，引脚14与地断开，外部功放电路工作；无信号时，引脚14与地接通，整个接收电路处于“静噪”状态。MC3357的工作电压为5~8V，其他参数详见MC3359的接收电路。
图10..4.2 MC3357应用电路
10.4.3 无线遥控的发射模块
随着电信技术的日益发展，调幅式遥控器已经被后来居上的调频（FM）式遥控器所代替。FM式遥控器具有频带宽、抗干扰能力强、传送能力强、传送质量高、小型化、高性能、功率大等优点。为了适应这种发展趋势，美国摩托罗拉公司推出了发射专用集成电路MC2831和MC2833。下面以MC2831发射电路为例说明。
MC2831发射专用集成电路具有电压供电低、功耗低等特点，与MC33系列接收电路配合，可制成对讲机、电话机及无线遥控器等器材，另外也可用于其他小型FM 发射设备。MC2831有DIP-16直插式封装和SO-16贴片封装两种形式。主要技术参数如下：
工作频率：14~60 MHz；
工作电压：3~8 V；
工作电流：4 mA(Vcc=4 V 时)；
话筒放大器：第5引脚当输入为1mV,f=1.0kHz时，闭环增益为30dB，输入为30mV，失真为0.7%。
图10.4.3是MC2831的内部框图，图10.4.4是MC2831构成的无线电发射典型应用。
图10.4.3 MC2831的内部框图
图10.4.4 MC2831构成的无线电发射典型应用
MC2831集话筒放大器、导频振荡器、RF(射频)振荡器、调制器、射频缓冲器为一身。图10.4.5中MC2831第5引脚直接接入动圈话筒。导频振荡器的频率由第9引脚外接电路和电容决定。当第7引脚电位约小于1.4V时，即能触发内部开关使导频振荡器工作。振荡信号由第8引脚输出，经C0与话筒混合。混合后的信号经C1送入第3引脚由内部变容管进行调制。射频振荡器工作在16MHz，已调制的16MHz射频信号送入缓冲级进行倍频，并由L1、C2组成选频电路，最后送入由L2、C3、C4组成的天线匹配网络，经天线发射出去。如欲加大发射功率，可适当增加一级功放电路。
半导体学报
10.4.5 发射机等效电路图
10.4.4 机器人平台中无线控制系统的设计
智能机器人是目前的一个研究热点，它涉及到了多种不同的学科，如传感器、计算机、通信等领域，要求设计开发人员具有较为宽广的知识面。越来越多的智能机器人系统将应用于人们的生产生活当中，机器人将广泛的代替人类从事一些高危作业和科学探索活动。如何有效、可靠地控制好机器人，一直是重点研究问题。
这个在机器人平台中设计无线控制系统的例子实现了控制机和智能机器人之间的无线通信和控制，并且设计了一个简单的通信协议，开发了控制软件和相关嵌入式程序。本例所给出的智能机器人平台无线控制系统只是多种可行设计方案中的一种，读者可以自己构想设计方案。本例中，控制机和机器人之间通过无线链路进行通信，控制机发送指令到机器人的无线接收端。机器人接收到信号后，根据设定的无线通信协议解读出正确的指令并执行相关动作。
无线控制系统的设计主要分三大部分：一是无线收发电路的设计；二是发送端程序设计，本方案主要是Pc机上数据发送软件的设计；三是机器人接收端的嵌人式程序设计，功能是使机器人能够正确执行接收到的指令。下面将简要介绍各个功能模块的设计思路。
本设计中无线控制的收发模块采用双向半双工收发一体的方案，核心的部件为nFR401，这是一款国内应用很广泛的FSK射频芯片，使用该芯片所需要的外围电路较为简单。由于采用了低发射功率，高电磁泵
接收灵敏度的设计，并且工作在ISM频段，所以无需申请许可，满足了无线电管制要求，是低功率、近距离无线控制的优良选择。该芯片的另一个优点是可以直接和单片机的串口相连，无须首先进行曼彻斯特编码，大大方便了数据的传输。由于nFR401单片集成的功能很多，收发模块电路较为简单，除了和Pc机的Rs一232相连之外，也可以直接和其他串口设备连接。信号经过433MHz的天线进行收发操作。系统示意图如图10.4.6所示。
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