红外遥控器将功成身退

红外遥控有二十五年的历史了，它很容易设计，是控制电子设备的一种经济有效的方法。但是对消费电子产品来讲，它该功成身退了。随着“多媒体中心”、互动电视、视频点播这类消费电子产品的出现、浏览复杂的菜单成了家常便饭，对于红外技术来说，则难以实现，而RF遥控则更能满足数字时代的需要。

在今天，很多中国消费者把挣来的钱花在家用娱乐设备上。数字音乐播放机、录象机、“多媒体中心”、大屏幕电视和游戏机纷纷从零售商飞到消费者家中。

这些家用电器大多数是用红外无线通讯技术，很容易设计，结实，制造起来费用不高，这样做出来的遥控器使用两节或者四节1.5伏AAA电池，可以用几个月。不过红外摇控器是在上世纪七十年代未设计的，用来取代超声波遥控器(见附文“摇控器简史”)，现在开始显得老态龙钟了。例如，在浏览复杂的多层菜单(在今天数字电子设备中这是常见的)时，红外遥控使用起来就很不方便。

而且，使用者必须要把摇控器对准所要控制设备上的红外接收器，这就是，摇控器与设备之间不可以有人、家俱和墙壁阻挡。红外线是单方向的通讯技术(实现双向通讯是可能的，但价钱很高而且容易受其他光源的干扰)。对于八十年代的消费者来讲，用它来改变电视频道或者调节音量是够了。但是，在2007年，消费者要求在遥控器中增加用户界面，并提供关于他们要听的或者观看的指令和信息。

幸好出现了新一代的射频(RF)遥控器，它和红外遥控器同样方便─也就是说，设计简单，成本低，电池的寿命长─而且消费者可以用它进行无线连接，支持更先进的菜单式浏览─这在家用娱乐设备中现在是很普通的了。

更重要的是，半导体厂商提供成熟的收发器，并提供参考设计，针对用户的协议以及射频方面的专业知识，帮助缺乏经验的设计人员，在简化传统的射频设计过程方面，向前迈出了一大步。

红外技术简况

红外线是一种电磁(EM)辐射，波长比可见光长，但是比射频短，在750 nm到1 mm之间。红外数据协会，简称IrDA，建议使用红外线，只要红外摇控器产品符合该组织的标准，就能兼容。

红外遥控器使用红外发光二极管(IR LED)产生红外线，用一个塑料透镜将它聚焦成很窄的光束。用光束调制的方法把数据编码，这样它不会受其他红外光源(例如荧光灯)的影响。接收器使用硅光电二极管把红外线转换成电流，然后接收器中的MCU对它解码(见图1)。红外线不能穿透墙壁，然而墙壁和天花板会反射红外线，但是，一般不会对相邻房间中的其他设备造成干扰。

图1　红外调制和解调的原理图

简单的红外遥控器由键盘、谐振器、8位MCU和红外发光二极管组成。键盘用于输入指令，谐振器产生可靠的时基信号，8位MCU检测键盘上按键的状态，并对红外信号进行调制，发光二极管产生红外线。

调制方法有很多种，但是在几种基本的调制方法中用得最多的是频率的变化或者波形的变化。调幅、调频或者脉冲调制是其中的一些例子。例如，对于脉冲间距编码，脉冲的高度不变，但是脉冲之间的距离或长或短，分别代表“0”或者“1”(见图2)。许多消费电子产品公司都使用8位地址和8位数据，并且传送两次来提高可靠性。

图2　红外遥控器中按脉冲间距进行编码

在这个例子中，在数据之前是一串9 ms的脉冲，接着是4.5 ms的标记，然后是54 ms的地址和命令。红外通讯一般是单方向的。这就是说，遥控器并不知道它发出去的信号是否被收到。只要按下按钮，遥控器就无声地重复发出命令。在这个例子中，按协议，每隔110 ms就重复一次，这表示，在把按键按下半秒的时间内，红外控制器也许传送90 ms(见图3)。例如，每一天遥控器按下按键五十次，那么占空比大约是0.005%。

图3　用脉冲间距对整个序列进行编码

当工作在2V时，遥控器吸收大约100mW的功率。摇控器在“待命状态”时，它吸收的功率可以勿略。两节AAA电池接成串联，每节电池的电能是900mAh，总电能是2×1.5V×900mAh=2700mWh。假定没有使用直流-直流转换器(为了降低成本)，不考虑电池使用时电压的下降，那么电池的寿命是2700mWh/100mW=27小时。不过，在占空比为0.005%的情况下，很多个月甚至几年都用不着更换电池。

然而，红外遥控器虽然简单，成本低，功耗小，应用广泛，但是这项技术并不是没有缺点。

试想一下用户想改变空调机温度是时，要么试图让红外线从墙壁或者天花板反射，要么把遥控器转来转去，让红外遥控器的发射器对准空调机上的接收器。如果不论接收器在什么位置，只要按下按键，就能保证通讯的进行，这样不是容易得多?

第二个例子是媒介中心的广泛使用。媒介中心就是使用PC的娱乐设备，它提供音乐、视像和其他数字文档。用户在另外一个房间，那里有卫星电视、扬声器或者监视器，他要改变音量、频道或者网址。传统的红外摇控器是靠发射器和接收器对准的方法(至少是直接的反射)进行遥控的，工作范围限制在几公尺之内。

消费者越来越需要双向通讯。在理论上，用红外技术实现双向通讯是可能的，但是由于环境光线的干扰和数据传送速度低这些实际问题，红外双向通讯系统的性能很差。而且，把双向通讯加进去会使遥控器的设计变得很复杂，增加成本，消耗电池的电力，把红外遥控器设计本身的优点都抵消了。

射频连接解决了这个问题。我们再以媒介中心作为例子。试想一下用户坐在书房里听音乐，这时他听到一个不熟悉但是悦耳的乐曲，在用射频连接的情况下，使用者看一眼遥控器上的LCD显示器，就可以知道是什么音乐。她也可以选择“下一个”乐曲，或者简地用“重复”功能。所有这些都可以通过遥控制器来做到。

射频方案

有一段时间，射频是遥控器的其中一个选择。但是直到现在，这项技术的费用仍然相对较高，设计复杂，功耗大，因而在大多数应用中无法与红外线竞争。然而，新一代低功耗射频收发器的研制成功，改变了这一切。

最有名的低功耗射频技术是Bluetooth技术，但它不适合遥控器使用(见本文附文“用于射频遥控时Bluetooth技术与专用技术的比较”)。

用于射频遥控的更好办法是超低功耗射频技术，针对用户要求用实现简化的协议。它能让设计人员设计更为可靠的射频系统，电池的使用寿命与红外设计相当，甚至更长。一个例子是Nordic Semiconductor公司的功耗超低而且价钱合理的nRF24L01 型2.4 GHz收发器，它使用一种专用的遥控协议(见附文)。

使用nRF24L01射频遥控制，可以在几十米的距离实现无线连接。24L01在许多消费产品中已取得成功，例如无线鼠标器和无线键盘。但是只要提到射频设计往往会把大家都吓跑──除了那些最有自信心的设计人员。射频设计并不简单，这话不假，但Nordic Semiconductor公司在这方面下了很大功夫，使射频不再只是射频专家的领域了。有了高度集成的收发器，开发工具和参考设计，任何一位电子设计工程师都能把无线硬件用到他们设计中。

不过，射频技术和硬件本身只是解决办法的一部份。在拥挤的2.4 GHz频带环境下，要建立一个射频连接，牢靠的射频协议是极为重要的。因此，要实现优良的射频解决办法，不仅需要好的硬件，也需要很好地掌握无线协议设计的知识。

为了使设计更加容易，Nordic Semiconductor推出了射频遥控器参考设计nRD24H1。nRD24H1的发射器是做成硬件模块，装在有六个按键遥控器的电路板上。这个模块中包含PCB天线、2.4 GHz 收发器(nRF24L01)，8位MCU(见图4)。nRF24L01最多可以接49个按键输入以及指示状态的发光二极管。nRF24L01也可以改为另一种设计，它有较少的输入键，但支援各种串口与显示设备连接。

图4　射频遥控器的开发工具

nRF24L01参考设计的接收器已经可以直接用于生产，它是全速的USB传输接收器，支持HID(人机界面器件))备有Windows Vista规定的描述符，用于所有的指令。nRF24L01已取得USB认证和USB.org的测试ID。这表示，只要按照这个设计，就能够符合USB标准的要求。

由于这个参考设计已经将所有重要功能整合，要开发各种不同种类的遥控器是非常容易的。在完成硬件设计和最优化后，设计人员就可把精力放在应用功能上，把遥控器设计得比竞争对手的好。

为了做到这点，nRD24H1中还有实现遥控器所需要的所有固件。固件的关键元件是用于遥控器的双向射频协议堆栈(RF protocol stack)。nRD24H1将这个协议堆栈是做成独立的软件组件，向应用层提供的应用软件界面(API)。在协议堆栈的顶部，是一个简单的应用层实例，它是用于六个按键的应用板。于是，设计人员不需要了解RF协议堆栈的细节，而专心处理应用层。参考设计的所有固件是开放源的ANSI-C源代码，每个人可以直接使用，或者把它连接到他们自己的微控制器平台上。

协议堆栈方面，nRF24L01使用了一个可以实现的功耗特别低的双向通讯，它具有跳频的功能，称作(FAP)。这就是说，可以实现单向或者双向遥控器，不必担心RF链接、同步、同时有其 他RF系统在使用或者协议功率管理等问题。在微控制器中，它的代码只需要3.5KB的空间，而Bluetooth技术需要的很大协议堆栈(250KB)，相比之下，它是极为经济的。

这个协议有两种模式：低延迟模式和低功耗模式。

在低延迟模式，当按下按键时，遥控器接通电源，把输入命令传送给主机(USB传输接收器)，如果接到主机发来的请求命令，接收送来的数据。这个过程需要500微秒。如果第一次通讯没有成功，协议利用nRF24L01的自动应答和再次传送的功能，用几种频率再试一次。在Nordic的实验室中进行的测试说明，在家居的典型环境，系统需要重新发送4到5次，从按下按键到USB传输接收器确认收到的平均延迟时间(包括接通电源和链接的时间)是2.5 ms。如果遥控器是在很强的Wi-Fi (802.11g 或者802.11n)环境下工作，延迟时间平均会增加到3.5ms。

在这种低延迟模式，主机(即USB传输接收器)中的nRF24L01是一直处于电源开启状态的(射频消耗的电流是12.5 mA)。如果接收设备是由市电供给电源的话(例如电视机或者电脑)，消耗这些电流一般不是问题。不过，如果主机是由电池供电，或者由于其他的原因限制了功耗，那么可以把设备设置在低功耗模式(见图5b)。

图5a 低延迟模式的FAP

图5b 低功耗模式的FAP

在低功耗模式，延迟加大了，这是为了减少主机消耗的平均电流。工作在这个模式可以满足对功耗的要求，例如USB总线(在nRD24H1中的)的“暂停模式”，或者满足其他摇控设备的ECO要求，例如电视机或者立体声设备。消耗的平均电流(因而延迟时间)可以利用输入到协议堆栈的参数很容易地控制，延迟时间可以从低延迟模式的几毫秒增加到低功耗模式的30至50毫秒。对于设计达到ECO要求(Iaverage 为2到4 mA)，这是有利的，唤醒暂停的USB总线所需要的时间不到一秒(USB传输接收器的总电流Iaverage < 0.5 mA)。

换言之，我们可以根据设计要求来选择延迟时间，但是不论是哪一种情形，射频遥控器的通讯速度一定是比相应的红外遥控器快很多。在低延迟时间模式，延迟时间大约是2.5 ms，在低功耗模式，延迟时间则增加到30到50ms。红外遥控器一般需要用70 ms时间来传送第一个测试序列，相比之下，射频遥控器的时间延迟小很多。假定由于干扰或者阻断-这种情况很可能出现──红外接收器没有收到这个命令，最小延迟时间就会超过110ms(到重复第一帧所用的时间)。

如果只是考虑传送今天使用的基本遥控命令，快速通讯的优点也许不是很重要，但是随着要传送的信息增加，它的重要性越来越大。装有显示器的遥控器就是一个很好的例子。在这种情况下，遥控器发给主机的命令即短又简单，但是主机的回答所包含的内容就很多，它是用来更新遥控器的显示内容。如果射频系统的时间延迟小，就能够经常更新显示器的内容，消费者使用时的感觉会很好。

无线连接无处不在

即使目前红外技术是遥控器使用的主要技术, 它有一些缺点，例如工作范围受到限制，不能进行双向通讯，使用时遥控器要对准接收器等等。

射频遥控器解决了红外遥控器存在的所有这些问题：不需要把遥控器对准受控设备，通讯是双向的，能够无线链接扩大到另一个房间，不会因为家俱、人、室内墙壁的阻挡而受到影响。

最新的射频收发器专用方案经济、功耗极低，用它实现无线连接很简单，因为有参考设计和针对客户的专用协议可以使用，射频设计也变得简单。

如果很快转到使用射频无线连接，有很多好处。设计人员发现，一旦他们掌握了这项技术，就会想到把射频无线连接用到他们将来的所有设计中。