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无线小车控制器论文

摘要

本设计要求设计一个无线小车控制器，系统以EZ-USBFX2单片机CY7C68013作为主控芯片，在芯片上集成了USB和C51内核两个模块，该控制器通过通用USB接口与上位机（通用计算机）相连，接收由上位机系统传来的控制信息（例如：

前进、后退、左转、右转），采用RF无线发射模块F05V、RF无线接收模块J04V，以及编码芯片PT2262解码芯片PT2272组成的无线遥控模块，将该控制信息经过PT2262芯片编码之后，通过F05V无线传输技术433MHz发射出去，J04V芯片接收器接收遥控器的控制信号并用PT2272芯片解码，将信号传给小车电机并作出相应动作。

本设计主要由电机USB传输模块、单片机处理模块、无线发射模块和无线接收模块四部分组成。

该无线遥控小车的功能如下：

能够在有障碍物的情况下实现150米内的无线遥控；实现前进、后退、左转、右转。

关键词：

无线传输技术；单片机；USB；控制器

Abstract

ThedesignrequirethatdesignofawirelesssystemwithcarcontrollerEZ-USBFX2’sCY7C68013microcontrollerasthemaincontrolchip,ThiscontrollerconcludechipC51andUSBmodules.Thecontrollerconnectedsuperordinationmachine（generalpurposecomputer）throughgeneralUSBinterface,andreceivecontrolinformation（e.g.,forward,backward,left,right）fromthecomputer,wirelessremotecontrolmoduleadoptRFwirelesstransmittingmoduleF05V,RFwirelessreceivingmodulesJ04VandPT2262encodingchipPT2272decoderchip.ThiscontrolinformationiscodedthroughPT2262chip,andthroughwirelesstransmissiontechnology,emitted433MHzsingle,J04VwirelessreceiverchipreceivethecontrolsignalandusedecodingchipswithPT2272,andmakesthecarmotorcorrespondingaction.ThisdesignismainlybymotorUSBtransmissionmodule,singlechipmicyocoprocessingmodule,wirelesstransmittingmoduleandwirelessreceivingmodules.Thewirelessremotecontrolofthecarfunctionareasfollows:

undertheconditionoftheobstaclesitcanrealizing150metersofwirelessremotecontrol,Achieveforward,backward,left,right.

Keywords:

wirelesstransmissiontechnology；singlechipmicyoco；USB；Controller

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1课题背景1

1.2国内外研究现状2

1.3无线技术课题意义2

1.4本章小结3

第二章总体方案设计4

2.1设计任务4

2.2原理描述4

2.2.1系统原理4

2.2.2总体方案设计4

2.3方案设计与论证5

2.3.1USB传输模块5

2.3.2单片机处理模块6

2.3.3无线控制模块7

2.4本章小结8

第三章控制器模块设计9

3.1USB控制模块设计9

3.1.1主控芯片CY7C680139

3.2无线遥控发送电路设计13

3.2.1无线发射头F05V13

3.2.2PT2262编码解码芯片13

3.2.3无线遥控发射电路14

3.3无线遥控接收电路设计16

3.3.1RF无线接收模块J04V16

3.3.2解码芯片PT227216

3.3.3无线遥控接收电路17

3.4本章小结19

第四章无线射频编码解码20

4.1PT2262芯片的地址编码设定和修改20

4.2射频工作方式20

4.3PT2262的操作流程：

4.4PT2272的操作流程23

4.5锁存型或瞬态型数据输出24

4.6本章小结24

结论25

感谢26

参考文献27

附录129

第一章绪论

1.1课题背景

自动化是人类文明进步和现代化的标志，特别是在当今信息时代，在我国由制造大国向制造强国转变的过程中，智能控制与自动化技术正广泛应用于工业、农业、军事、交通运输、医疗、服务和家庭方面，改变着社会各人们的生活。

今天，利用无线电波传送声音和图像节目的广播和电视，已经深入到社会生活的各个角落，成为亿万人民的伴侣。

利用无线电波可以传播信号的这一特性，无线电遥控技术应运而生。

无线电遥控就是利用电磁波在远距离上，按照人们的一致实现对物体对象的无线操纵和控制，这种无线控制的方式就叫做无线电遥控。

无线电，是无线电技术的简称，是一门专门研究利用无线电波传送各种信息的技术学科。

早在两千多年前，人们就发现了电现象和磁现象。

我国早在战国时期（公元前475-211年）就发明了司南。

而人类对于电和磁的真正认识和广泛应用，迄今还只有一百多年的历史。

在第一次产业革命浪潮的推动下，许多科学家对电和磁现象进行了深入细致的研究，从而取得了重大进展。

电磁学规律的研究，为后来无线电的诞生起到了重要的孕育作用。

无线电遥控技术发展只有几十年的历史：

本世纪20年代，才刚刚出现无线电遥控的雏形。

那时，人们试图将遥控技术应用于无人驾驶飞机和舰船上，但由于技术不够完善而未能成功，二次世界大战以后，无线电遥控技术发展迅速，并逐渐在军事，国防，工农业生产以及科学技术等方面得到了广泛的应用，到现今，随着电子技术的飞速发展，新型大规模遥控集成电路的不断出现，使得遥控技术有了日新月异的发展。

遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，智能化程度大大提高。

近年来，遥控技术在工业生产、家用电器，安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。

在无线遥控领域，目前常用的遥控方式主要有超声波遥控、红外线遥控、无线电遥控。

由于无线电波是由发射点向四面八方传播，可以穿过阻挡物，而且可以传播到很远的距离，因此它的控制可以在很大区域和空间内实现，称为遥控的主要方式，在国防，军事，生产、建设和日常生活中有极广泛的应用。

1.2国内外研究现状

工业无线遥控小车起源于美国。

由于政府对无线遥控小车研发的资助以及相关技术的推动作用，日本、美国、德国等工业大国在智能无线遥控小车技术上占据着明显优势，新近崛起的韩国在无线遥控小车研发方面也逐渐走向前沿。

美国、日本、德国以及包括中国在内的很多国家对遥控机器人技术这一课题进行了研究，并取得了一定的成果。

从遥控视距的角度看，遥控技术发展经历了一些三个阶段：

视距遥控、超视距遥控和远程无线遥控。

对于视距遥控，操作员不与机器有直接接触，已位于作业区内的危险范围外，通过直接观察、发送指令来控制工程机器运转，一般来说，其可靠控制作业距离为几十米。

在世界遥控基础上发展起来的超视距遥控，虽然仍需要操作人员接近工作作业区，但是通过其先进的数据传输手段和控制技术能够为操作员提供机器作业区的反馈信息来克服视距遥控的某些局限性，增强了操作员对机械的遥控控制能力（视距范围之外）。

对于远程无线遥控系统，操作人员从远离机器工作区的安全地点进行操作，较之前两者，这种系统主端提供了良好的人机界面，能完全模拟从端控制的操作装置，在从端实现复杂控制功能以及自定义工作流程自主控制功能等。

此时从端还具有自诊断安全控制功能，为远程遥控提供了可靠的保证。

随着工业自动化水平和经济发展需求的不断提高，世界各发达国家都非常重视用于各种目的、不同场合机器人遥控系统的研究开发工作。

国内对遥控技术的研究起步相对于国外来说晚了些，总体发展水平也落后于西方发达国家。

经过多年努力，在航空航天、海洋开发、核工业已经以及国防军事、工程机械等领域也取得了不少研究成果。

我国的无线遥控小车研究开发工作始于20世纪70年代末，在国家“863”、“973”、“九五攻关”等高技术发展计划的重点支持下，取得了重大发展。

从上世纪80年代开始，国内已开始大范围地进行有关无线遥控小车的研究。

经过20多年的发展，国内在应用、研究方面已经发展得比较好。

但是，跟发达国家相比，还存在一定的差距。

1.3无线技术课题意义

无线遥控小车是上世纪提出的一种新型小车，由于在军事侦察、反恐、防暴、防核化及污染等危险与恶劣环境作业中有着广阔的应用前景，使其成为一个重要的研究热点。

无线遥控小车具有体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点。

由于其应用场合特殊，所以特别要求这类小车重量轻、体积小、能耗低、实时性好、操作使用可靠。

对远距离的控制对象发送指令以实施控制的技术，也称指令遥控。

遥控技术是在自动控制技术和通信技术基础上发展起来的。

完成遥控任务的整套设备称遥控系统。

遥控系统既可传送离散的控制信息（例如开关的通断），也可传送连续的控制信息（例如控制发动机油门大小）。

无线遥控小车具有体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点。

由于其应用场合特殊，所以特别要求这类小车重量轻、体积小、能耗低、实时性好、操作使用可靠。

依据无线遥控小车系统的总体结构，整个小车系统由移动平台、车载控制系统、遥控系统和传感检测四大部分组成。

从系统总体来看，无线遥控小车有近端操作人员，远端移动小车和运行环境场所构成，由此构成了人—小车—环境三者相互紧密联系的一个整体。

操作人员在遥控作业端根据作业任务的要求，通过遥控操作平台的人机交互接口，借助反馈信息控制小车完成特定的作业任务。

操作人员依据终端反馈的信息，根据特定作业任务的要求发送操作与控制指令信息，控制无线遥控小车的前进、后退、转向、加速和减速。

1.4本章小结

本章主要讲述无线遥控的研究目的以及国内外的研究现状，并且对无线遥控在各个领域的作用进行了探讨。

第二章总体方案设计

2.1设计任务

本设计要求设计一个无线小车控制器，该控制器通过通用USB接口与上位机（通用计算机）相连，接收由上位机系统传来的控制信息（例如：

前进、后退、左转、右转等），并将该控制信息经过编码和调制之后，通过无线传输技术将控制信号发送出去供小车接收，并作出相应动作。

根据需求本设计应能使遥控小车实现实时控制，包括小车模型的形式状态控制和无线收发接受等功能。

所以，本系统预期要研究的问题有：

1、如何实现控制信息的无线收发；

2、如何实现系统的稳定性、安全性和可靠性；

3、如何实现主机与从机之间的无线通信；

4、如何通过编程实现系统的模块设计；

5、如何实现通信协议的设计

2.2原理描述

本设计主要由USB传输模块、单片机处理模块、无线发射模块和无线接收模块四部分组成。

2.2.1系统原理

系统以EZ-USBFX2单片机CY7C68013作为主控芯片，车载移动平台上的单片机通过连接上位机的USB口接收到控制信息（例如：

前进、后退、左转、右转等），并将该控制信息经过编码和调制之后，通过无线遥控模块采用编码解码芯片PT2262、PT2272实现无线发送、接收操作指令，将控制信号发送出去供小车接收，并作出相应动作。

2.2.2总体方案设计

总体方案设计结构图1-1如下：

图2-1总体方案设计结构图

2.3方案设计与论证

本设计主要由电机USB传输模块、单片机处理模块、无线发射模块和无线接收模块四部分组成。

为了较好的实现各模块的功能，分别设计了几种方案并分别进行了论证。

2.3.1USB传输模块

方案1：

FTDI公司推出的第5代USB-to-UART/FIFO器件FT2232H支持480Mb/s的USB2．0高速规范，并可在各种工业标准的串行或并行接口（例如UART或FIFO）下配置，可提供两种可配置的接口。

此外，还可配置为双F1245FIFO、主机总线仿真模式、CPU接口FIFO模式或光隔离串行接口模式。

内部集成有USB协议引擎，控制通用收发宏单元接口（UTMI）可处理USB2．0高速接口所有方面：

内部集成有+1．8V低压差（LDO）稳压器和12～480MHz的PLL；每个接口4KBTX和RX数据缓冲；内部有效集成整个USB协议，无需任何固件；多协议的同步连续的发动机（MPSSE）的速度可达30Mbit／s，提供灵活的同步接口配置。

方案2：

Cypress公司的EZ-USBFX2单片机CY7C68013是一款性能较高的USB2.0控制器。

在芯片上集成了USB和C51内核两个模块，由USB收发模块进行数据字节传输，功能强大的USB内核自动完成USB协议的转换，大大简化了8051代码。

芯片集成了USB外设接口的硬件，包括非易失存储器（EPROM、EEPROM、FLASH、ROM）、微处理器、RAM、SIE（串口接口引擎）、DMA等全部功能模块。

集成工业标准的8051内核，具有以下增强特性：

高达48MHz的时钟；每条指令四个时钟周期；两个USART；三个计数器/定时器；扩展的中断系统；两个数据指针；3.3V电源；矢量USB中断；8051可工作在48MHz、24MHz、12MHz三种时钟频率；四个集成FIFO，可以同16位总线进行自动转换；可工作在主/从模式；FIFO可使用外部提供的时钟或异步选通信号；为ASIC和DSP提供方便的接口；为FIFO和GPIF设计的专门自动中断矢量；最多可有40个通用目的I/O。

改进增强的8051内核，性能可达到标准8051的5-10倍，指令系统与8051完全兼容。

USB内核为USB设备开发者完成协议中大部分的通信工作，使开发者不需要深入了解USB的低级协议即可顺利开发出所需要的USB设备。

综上所述：

方案2可以大大简化设计，所以采用方案2

2.3.2单片机处理模块

方案1：

8051是在8031的基础上，片内又集成有4KBROM，作为程序存储器，是1个程序不超过4KB的小系统。

ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。

所以8051应用在程序已定，且大批量生产的单片机产品中，8051是具有MCS-51内核的各种型号单片机的基础，也是各种增强型，扩展型等衍生品种的核心，使用简单，可以根据自己的需要扩展外部接口，但扩展太多则电路复杂。

方案2：

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，三级程序存储器锁定，全静态工作：

0Hz-24MHz，128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

方案3：

Cypress公司的EZ-USBFX2单片机CY7C68013是一款性能较高的USB2.0控制器。

在芯片上集成了USB和C51内核两个模块，由USB收发模块进行数据字节传输，功能强大的USB内核自动完成USB协议的转换，大大简化了8051代码。

芯片集成了USB外设接口的硬件，包括非易失存储器（EPROM、EEPROM、FLASH、ROM）、微处理器、RAM、SIE（串口接口引擎）、DMA等全部功能模块。

集成工业标准的8051内核，具有以下增强特性：

改进增强的8051内核，性能可达到标准8051的5-10倍，指令系统与8051完全兼容。

USB内核为USB设备开发者完成协议中大部分的通信工作，使开发者不需要深入了解USB的低级协议即可顺利开发出所需要的USB设备。

综上所述：

方案3可以大大简化电路，所以采用方案3。

USB传输模块与单片机处理模块合成一个模块。

2.3.3无线控制模块

方案1：

采用红外发射、接收头，以及编码芯片PT2262、解码芯片PT2272组成红外的遥控模块，但是此红外遥控模块发射和接收之间的距离短，它的通讯距离一般在0到10米之间，传输速率最快可达16Mbps，通讯介质为波长为900纳米左右的近红外线。

特点：

小角度（30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强，传输速率较高，但由于红外发射器的发射功率较小，而且信号采用红外线进行传输，易受外界影响，导致红外接收器的信号很弱。

而且不能在有障碍物的情况下实现遥控，遥控性能差。

方案2：

蓝牙（Bluetooth）是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数据通讯技术标准。

它能够在10米的半径范围内实现单点对多点的无线数据和声音传输，其数据传输带宽可达1Mbps。

通讯介质为频率在2.402GHz到2.480GHz之间的电磁波。

蓝牙工作在全球开放的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段；使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频信道（hopchannel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信道；数据传输速率可达1Mbit/s；低功耗、通讯安全性好；在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求；支持语音传输。

方案3：

采用RF无线发射模块F05V、RF无线接收模块J04V，以及编码芯片PT2262解码芯片PT2272组成的无线遥控模块，F05V是一款采用声表稳频的小体积、低功耗、低电压微功率发射模块，ASK方式调制。

F05V属于微功率发射模块，可以通过FCC认证，适合在短距离数据传输。

与J05V、J04V配套传输外加天线在开阔地的参考距离能达到150米。

发射频率:

315MHz 433MHz，工作电压:

DC3V（2.1~3.5V），发射电流:

10mA/3V（连发），发射功率:

8dBm，而且能够在有障碍物的情况下实现遥控，能够达到此无线遥控小车的性能要求。

综上所述：

方案3兼有方案1和方案2的优点，并且传输距离大大增加，所以采用方案3。

2.4本章小结

本章介绍了总体方案的设计，以及各个模块的设计和方案的选择。

第三章控制器模块设计

控制器模块分为主机模块和从机模块。

主机模块主要的是控制器单片机处理模块，是无线遥控小车的上位机与控制器接口部分。

它完成的主要工作包括：

接收上位机发送小车运行状态的控制命令；通过无线发射信号。

主机模块主要由以下部分电路构成：

控制电路；无线遥控发送电路。

从机模块就是一个无线遥控接受模块，接受单片机发送的信号然后解码，指挥小车的走向。

下面将对整个控制器模块进行详细介绍。

3.1USB控制模块设计

通过主控芯片CY7C68013自带的USB接口接收上位机传送的信号，自动解码，编码，并通过无线发射将信号发送给小车的接收器。

3.1.1主控芯片CY7C68013

CYPRESS公司的EZ-USBFX2系列芯片是世界上第一个集成USB2.0协议的微处理器，它支持12Mb/s的全速传输和480Mb/s高速传输，可使用4种USB传输方式：

控制传输、中断传输、块传输和同步传输；完全使用USB2.0，并向下兼容USB1.1。

该系列芯片的典型应用是无线局域网、移动硬盘、DSL调制解调器和SATA接口设备。

表3-1CY7C68013A-56PVC各个管脚的功能

管脚号

管脚名称

类型

功能

AVCC

电源

为芯片的模拟组建提供电路

AGND

电源

模拟地

15,16

DPLUS,DMINUS

I/O/Z

USBD+和D-数据线

RESET#

复位信号线，低电平有效

11,12

XTALIN,XTALOUT

I/O

晶振输入、输出管脚

CLKOUT

O/Z

时钟信号输出端，默认为12MHZ

40-47

PA0-PA7

I/O/Z

I/O口PA，具有第二复用功能

续表3-1

25-32

PB0-PB7（FD0-FD7）

I/O/Z

I/O口PB（双向FIFO/GPIF的低8位数据总线）

52-56，1-3

PD0-PD7（FD8-FD15）

I/O/Z

I/O口PD（双向FIFO/GPIF的高8位数据总线）

RDY0/SLRD

GPIF的输入信号端/从属FIFO的读选送端

RDYA/SLWR

GPIF的输入信号端/从属FIFO的写选送段

36-38

CTL0-CTL2/FLAGA-FLAGC

GPIF的控制输出端/从属FIFO的同步时钟信号

IFCLK

I/O/Z

从属FIFO的同步时钟信号

RESERVED

保留，接地

WAKEUP

USB唤醒输入端

22,23

SCL,SDA

I2C总线的时钟信号线和数据信号线

6,14,18,24,34,39,50

VCC

电源

电源线，接3.3V电源

4,7,17,19,33,35,48

GND

电源

地线

FX2的引脚主要可以分为几类：

电源引脚，包括数字电源地和模拟电源地；系统引脚，如时钟，USB挂起外部唤醒，USB差分数据线，复位引脚，中断，计数器输入，UART通信；通用IO口，包括端口A,B,C,D,E；地址与数据线，可用来扩展RAM；GPIF主模式引脚；FIFO从模式SLAVEFIFO引脚。

EZ-USBFX2中内嵌的增强型8051微处理器带有256B的数据存储器、扩展的中断系统、3个定时/计数器和2个串口UART。

FX2需外接24MHz的晶振，并匹配22pF的电容接地，经过内部振荡电路和索相环（PLL）倍频电路，产生48MHz的增强型8051默认工作频率。

根据需要，用户也

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