低成本无线电子教鞭解决方案设计

涂志健 程刘胜

【摘要】针对多媒体教学的普及，设计了低成本无线射频电子教鞭的发射和接收设备，能够使教师从电脑面前走出来，更好地实现互动教学。硬件电路中设计了遥控信号的编解码电路，ASK调制与解调电路以及USB从设备接口电路。软件部分完成了HID类设备识别程序以及相应键值数据上传。实验表明，方案成本低，功耗小，现场效果非常理想。

【关键词】电子教鞭;无线射频;调制与解调;HID

引言

随着教育电教化的普及，全国大多数学校都采用多媒体教学，其中PPT、Word、PDF文档和图片是最常使用多媒体讲稿。讲授进度通过鼠标或者键盘来控制，这带来的缺点就是教师被束缚在电脑跟前，空间相比于整个讲台小了很多，行动上受到限制，肢体语言施展不开，课堂气氛不活跃，教学质量大打折扣。

要把授课教师从电脑前面彻底解放出来！秉持这一初衷，本文提出一套低成本无线教鞭设计方案，让教师不再受空间限制，真正实现“自由移动讲课”，系统由无线发送设备和无线接收设备两大部分组成。工作频段为433MHz无线射频，因此发射和接收不存在角度问题且符合工信部的《微功率（短距离）无线电设备管理暂行规定》。接收设备插上PC机USB接口，Windows98以上操作系统，为HID（人机接口设备）类设备提供了通用的驱动程序，符合即插即用的要求。

1.系统总体设计方案

系统中无线发送设备由编码电路和发送电路组成，完成遥控信号的编码以及ASK调制;接收设备由接收电路，解码电路完成射频信号解调解码，还原出相应的遥控信号指示HID类USB设备电路实现“上翻”和“下翻”动作。在器件选型中不仅考虑了性能参数，同时成本也是考虑的重点，使得设备商品化时成本较低。图1是系统的功能框图。

图1 系统级框图

2.无线教鞭硬件电路设计

2.1 发送端硬件电路

编解码电路的作用一是区分不同的遥控指示信号;二是为了防止多个收发设备同时工作时相互之间干扰。编码解码芯片选用Princeton的PT2260和PT2270。PT2260/2270最多可提供310地址码和4位数据端，设定的地址码和数据码以及同步码从15脚串行输出，每次发射时至少发射4组字码[1]。PT2270只有在连续两次检测到相同的地址码才置位相应的数据引脚和VT端。外接电阻阻值越大振荡频率越慢，码宽越大，发一组码的时间越长。常用振荡电阻选用PT2260/820KΩ和PT2270/1MΩ组合，适应的电压范围较宽[2]。由高频管和声表面波谐振器组成的433.92MHz高频发射电路，外围器件少，成本低，电路工作非常稳定，发射频率不会漂移[3]。图2是发送端电路图。

2.2 接收设备电路

接收电路将接收到的调制信号通过放大，混频，中放，以及ASK解调，还原成编码后的信号，输出给解码电路解码，最后由HID类USB设备电路根据遥控信号完成“上翻”和“下翻”键值的上传。PT4316是一款工作在甚高频低功耗超外差式无线接收IC，它内部集成低噪声放大器，混频器，基于声表面波的振荡器，片上等值低通滤波器，中频限幅放大器以及模拟基带数据恢复电路，接收灵敏度可达-103dBm[4]。它的应用需要注意外接的声表谐振器和天线设计。接收端电路图如图3所示。由于PT4316中频链路的-3dB带宽是从250KHz到3.1MHz，其中最适宜的值大约为1.2MHz，公式（1）是用来计算合适的振荡器频率的。例如发送端声表谐振器的频率为433.92MHz，则PT4316应用电路才用435.1MHz声表谐振器比较合适。

（1）

图2 发送端电路图

若采用印制天线，确保没有任何元器件在天线的背面，也不能有地线层。对于FR4材质PCB（=4.7），线宽为30mil，天线长度计算公式如（2）所示：

（2）

式中，L（cm）为天线长度，f（MHz）为工作频率，c为光速，3*1010cm/s。

图3 接收设备电路图

HID类设备电路由Silicon公司的带USB控制器的C8051F321单片机来完成，其集成的全速/低速USB功能控制器和收发器符合通用串行总线规范2.0版。相对于传统的由单片机和USB接口芯片组成HID类设备电路，节约了很多PCB空间（C8051F321是MLP28封装，只有5mm*5mm大小），成本也降低了一半。同时利用其集成内部可编程振荡器，省去外部晶振，减小了时钟频率的倍频对射频接收电路的干扰，提高接收灵敏度。

3.系统软件设计

3.1 HID类设备识别过程

HID类设备需要遵从USB启动流程：设备插入→总线复位→设备枚举→数据接收/传送。流程中的設备枚举就是告知PC设备描述类型。当插入USB设备后，主机会向设备请求各种描述符来识别设备。为了把一个设备识别为HID类别，设备在定义描述符的时候必须遵守HID规范，因此除了USB标准定义的一些描述符外，HID设备还必须定义HID描述符。每个描述符都有固定的格式和含义，USB HID设备是通过报告来给传送数据的，报告是一个数据包，里面包含的是所要传送的数据，USB HOST可以分析出报告里面的数据所表示的意思，通过发送相应的描述符。主机通过识别描述符从而认识设备，认识设备数据通信格式，从而才能正常进行数据传送和接收[6]。图4是枚举设备描述符调试中2种状态截图的合并图。

图4 调试过程2种状态截图

图5 主程序流程图

3.2 单片机本地端主程序

从图3的硬件电路原理图上可以看出，C8051F321单片机的P1口以及P2.0、P2.1是与PT2270的地址端连接在一起的，可以通过软件来设置接收设备的地址码，一改传统硬件方式设置地址码。P2.2和P2.3引脚信号来自发送端的遥控信号，用于指示单片机上传相应的键值。单片机本地端主程序可参照图5流程编写代码。单片机初始化包括IO端口初始化和时钟振荡器初始化，注意设置内部振荡器的基频12MHz为系统时钟，USB工作在低速方式，时钟必须为6MHz，因此将内部振荡器二分频即可得到。USB控制器初始化包括工作方式选择（低速）和中断寄存器使能等功能配置和控制操作。

USB中断子程序包括公共中断，端点0的IN/OUT/SETUP中断以及端点1、2、3的IN/OUT中断。在数据被成功发送或接收后处理器产生USB中断，USB控制器中的串行接口引擎（SIE）执行所有低层USB协议。当接收数据时，SIE在接收完一个完整的数据包后中断处理器，相应的握手信号由SIE自动产生。当发送数据时，SIE在发送完一个完整的数据包并且收到相应的握手信号后中断处理器。当收到损坏/错误的数据包时，SIE不中断处理器[5]。 中断程序编写需要参考C8051F321数据手册和HID类设备用法列表。

HID类设备描述符枚举成功后，PC机识别为USB人体输入学设备。此时单片机根据图3中所示的遥控指示信号PU（P2.3脚）和PD（P2.2脚）电平高低，通过端点1发送USB键盘相应的键值给PC机，PageUp或者PageDown键值需要放在第三个字节上。AT-101键盘上PageUp和PageDown两个键的键值0x4B和0x4E[7]，例如：0x00，0x00，0x4B，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，这八个字节作为一组上传。当按下某个键，同时也要及时释放，即在中断程序端点1上传成功子程序里面上传八个0，PC端就知道释放该键。

4.结论

低成本无线电子教鞭方案从实际应用角度提出来的。经实验和现场应用，设备性能稳定可靠，灵敏度高，手持端功耗极低，室内40m教师任意角度和方位使用，均能发挥自如。接收端即插即用，Windows98以上操作系统，提供了通用的驱动程序，极大程度上方便了教师使用。

参考文献

[1]Princeton.PT2260/2270 Datasheet[EB/OL].2007，10：4-6.

[2]陌尘.编码解码芯片PT2262/PT2272工作原理[J].电子制作，2004（08）：44.

[3]余宏生.声表面波谐振器在高频无线电遥控电路中的应用[J].湖北师范学院学报（自然科学版），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]涂晓强，周洪利.基于HID类的USB人机接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用，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，主要从事煤矿环境参数监测产品研究。