紅外遙控器將功成身退

紅外遙控有二十五年的歷史了，它很容易設計，是控制電子設備的一種經濟有效的方法。但是對消費電子產品來講，它該功成身退了。隨著“多媒體中心”、互動電視、視頻點播這類消費電子產品的出現、瀏覽復雜的菜單成了家常便飯，對于紅外技術來說，則難以實現，而RE遙控則更能滿足數字時代的需要。

在今天，很多中國消費者把掙來的錢花在家用娛樂設備上。數字音樂播放機、錄像機、“多媒體中心”、大屏幕電視和游戲機紛紛從零售商飛到消費者家中。

這些家用電器大多數是用紅外無線通訊技術，很容易設計，結實，制造起來費用不高，這樣做出來的遙控器使用兩節或者四節1.5伏AAA電池，可以用幾個月。不過紅外遙控器是在上世紀七十年代末設計的，用來取代超聲波遙控器，現在開始顯得老態龍鐘了。例如，在瀏覽復雜的多層菜單(在今天數字電子設備中這是常見的)時，紅外遙控使用起來就很不方便。

而且，使用者必須要把遙控器對準所要控制設備上的紅外接收器，這就是，遙控器與設備之間不可以有人、家俱和墻壁阻擋。紅外線是單方向的通訊技術(實現雙向通訊是可能的，但價錢很高而且容易受其他光源的干擾)。對于八十年代的消費者來講，用它來改變電視頻道或者調節音量是夠了。但是，在2007年，消費者要求在遙控器中增加用戶界面，并提供關于他們要聽的或者觀看的指令和信息。

幸好出現了新一代的射頻(RF3遙控器，它和紅外遙控器同樣方便一也就是說，設計簡單，成本低，電池的壽命長——而且消費者可以用它進行無線連接，支持更先進的菜單式瀏覽——這在家用娛樂設備中現在是很普通的了。

更重要的是，半導體廠商提供成熟的收發器，并提供參考設計，針對用戶的協議以及射頻方面的專業知識，幫助缺乏經驗的設計人員，在簡化傳統的射頻設計過程方面，向前邁出了一大步。

紅外技本簡況

紅外線是一種電磁(EM)輻射，波長比可見光長，但是比射頻短，在750 nm到1mm之間。紅外數據協會，簡稱IrDA，建議使用紅外線，只要紅外遙控器產品符合該組織的標準，就能兼容。

紅外遙控器使用紅外發光二極管(IR LED)產生紅外線，用一個塑料透鏡將它聚焦成很窄的光束。用光束調制的方法把數據編碼，這樣它不會受其他紅外光源(例如熒光燈)的影響。接收器使用硅光電二極管把紅外線轉換成電流，然后接收器中的MCU對它解碼(見圖1)。紅外線不能穿透墻壁，然而墻壁和天花板會反射紅外線，但是，一般不會對相鄰房間中的其他設備造成干擾。

簡單的紅外遙控器由鍵盤、諧振器、8位MCU和紅外發光二極管組成。鍵盤用于輸入指令，諧振器產生可靠的時基信號，8位MCU檢測鍵盤上按鍵的狀態，并對紅外信號進行調制，發光二極管產生紅外線。

調制方法有很多種，但是在幾種基本的調制方法中用得最多的是頻率的變化或者波形的變化。調幅、調頻或者脈沖調制是其中的一些例子。例如，對于脈沖間距編碼，脈沖的高度不變，但是脈沖之間的距離或長或短，分別代表“0”或者“1”(見圖2)。許多消費電子產品公司都使用8位地址和8位數據，并且傳送兩次來提高可靠性。

在這個例子中，在數據之前是一串9 ms的脈沖，接著是4.5ms的標記，然后是54ms的地址和命令。紅外通訊一般是單方向的。這就是說，遙控器并不知道它發出去的信號是否被收到。只要按下按鈕，遙控器就無聲地重復發出命令。在這個例子中，按協議，每隔110ms就重復一次，這表示，在把按鍵按下半秒的時間內，紅外控制器也許傳送90ms(見圖3)。例如，每一天遙控器按下按鍵五十次，那么占空比大約是0.005％。

當工作在2V時，遙控器吸收大約100mW的功率。遙控器在“待命狀態”時，它吸收的功率可以勿略。兩節AAA電池接成串聯，每節電池的電能是900mAh，總電能是2×1.5V×900mAh=2700mWh。假定沒有使用直流一直流轉換器(為了降低成本)，不考慮電池使用時電壓的下降，那么電池的壽命是2700mWh／100mW=27小時。不過，在占空比為0.005％的情況下，很多個月甚至幾年都用不著更換電池。

然而，紅外遙控器雖然簡單，成本低，功耗小，應用廣泛，但是這項技術并不是沒有缺點。

試想一下用戶想改變空調機溫度是時，要么試圖讓紅外線從墻壁或者天花板反射，要么把遙控器轉來轉去，讓紅外遙控器的發射器對準空調機上的接收器。如果不論接收器在什么位置，只要按下按鍵，就能保證通訊的進行，這樣不是容易得多?

第二個例子是媒介中心的廣泛使用。媒介中心就是使用PC的娛樂設備，它提供音樂、視像和其他數字文檔。用戶在另外一個房間，那里有衛星電視、揚聲器或者監視器，他要改變音量、頻道或者網址。傳統的紅外遙控器是靠發射器和接收器對準的方法(至少是直接的反射)進行遙控的，工作范圍限制在幾公尺之內。

消費者越來越需要雙向通訊。在理論上，用紅外技術實現雙向通訊是可能的，但是由于環境光線的干擾和數據傳送速度低這些實際問題，紅外雙向通訊系統的性能很差。而且，把雙向通訊加進去會使遙控器的設計變得很復雜，增加成本，消耗電池的電力，把紅外遙控器設計本身的優點都抵消了。

射頻連接解決了這個問題。我們再以媒介中心作為例子。試想一下用戶坐在書房里聽音樂，這時他聽到一個不熟悉但是悅耳的樂曲，在用射頻連接的情況下，使用者看一眼遙控器上的LCD顯示器，就可以知道是什么音樂。她也可以選擇“下一個”樂曲，或者簡地用“重復”功能。所有這些都可以通過遙控制器來做到。

射頻方案

有一段時間，射頻是遙控器的其中一個選擇。但是直到現在，這項技術的費用仍然相對較高，設計復雜，功耗大，因而在大多數應用中無法與紅外線競爭。然而，新一代低功耗射頻收發器的研制成功，改變了這一切。

最有名的低功耗射頻技術是Bluetooth技術，但它不適合遙控器使用(見本文附文“用于射頻遙控時Bluetooth技術與專用技術的比較”)。

用于射頻遙控的更好辦法是超低功耗射頻技術，針對用戶要求用實現簡化的協議。它能讓設計人員設計更為可靠的射頻系統，電池的使用壽命與紅外設計相當，甚至更長。一個例子是Nordic Semiconductor公司的功耗超低而且價錢合理的nRF24L01型2.4 GHz收發器，它使用一種專用的遙控協議。

使用nRF24L01射頻遙控制，可以在幾十米的距離實現無線連接。24L01在許多消費產品中已取得成功，例如無線鼠標器和無線鍵盤。但是只要提到射頻設計往往會把大家都嚇跑——除了那些最有自信心的設計人員。射頻設計并不簡單，這話不假，但Nordic Semicon-ductor公司在這方面下了很大功夫，使射頻不再只是射頻專家的領域了。有了高度集成的收發器，開發工具和參考設計，任何一位電子設計工程師都能把無線硬件用到他們設計中。

不過，射頻技術和硬件本身只是解決辦法的一部份。在擁擠的2.4 GHz頻帶環境下，要建立一個射頻連接，牢靠的射頻協議是極為重要的。因此，要實現優良的射頻解決辦法，不僅需要好的硬件，也需要很好地掌握無線協議設計的知識。

為了使設計更加容易，Nordic Semiconduc－tot推出了射頻遙控器參考設計nRD24H1。nRD24H1的發射器是做成硬件模塊，裝在有六個按鍵遙控器的電路板上。這個模塊中包含PCB天線、2.4 GHz收發器(nRF24L01)，8位MCU(見圖4)。nRF24L01最多可以接49個按鍵輸入以及指示狀態的發光二極管。nRF24L01也可以改為另一種設計，它有較少的輸入鍵，但支援各種串口與顯示設備連接。

nR224L01參考設計的接收器已經可以直接用于生產，它是全速的USB傳輸接收器，支持HID(人機界面器件)備有Windows Vista規定的描述符，用于所有的指令。nRF24L01已取得USB認證和USB.org的測試ID。這表示，只要按照這個設計，就能夠符合USB標準的要求。

由于這個參考設計已經將所有重要功能整合，要開發各種不同種類的遙控器是非常容易的。在完成硬件設計和最優化后，設計人員就可把精力放在應用功能上，把遙控器設計得比競爭對手的好。

為了做到這點，nRD24H1中還有實現遙控器所需要的所有固件。固件的關鍵元件是用于遙控器的雙向射頻協議堆棧(RFpmtoc stack)。nRD24H1將這個協議堆棧是做成獨立的軟件組件，向應用層提供的應用軟件界面(API)。在協議堆棧的頂部，是一個簡單的應用層實例，它是用于六個按鍵的應用板。于是，設計人員不需要了解RF協議堆棧的細節，而專心處理應用層。參考設計的所有固件是開放源的ANSI-C源代碼，每個人可以直接使用，或者把它連接到他們自己的微控制器平臺上。

協議堆棧方面，nRF24L01使用了一個可以實現的功耗特別低的雙向通訊，它具有跳頻的功能，稱作(FAP)。這就是說，可以實現單向或者雙向遙控器，不必擔心RF鏈接、同步、同時有其他RF系統在使用或者協議功率管理等問題。在微控制器中，它的代碼只需要3.5KB的空間，而Bluetooth技術需要的很大協議堆棧(250KB)，相比之下，它是極為經濟的。

這個協議有兩種模式：低延遲模式和低功耗模式。

在低延遲模式，當按下按鍵時，遙控器接通電源，把輸入命令傳送給主機(USB傳輸接收器)，如果接到主機發來的請求命令，接收送來的數據。這個過程需要500微秒。如果第一次通訊沒有成功，協議利用nRF24L01的自動應答和再次傳送的功能，用幾種頻率再試一次。在Nordic的實驗室中進行的測試說明，在家居的典型環境，系統需要重新發送4到5次，從按下按鍵到USB傳輸接收器確認收到的平均延遲時間(包括接通電源和鏈接的時間)是2.5 ms。如果遙控器是在很強的Wi-Fi(802.11g或者802.11n)環境下工作，延遲時間平均會增加到3.5ms。

在這種低延遲模式，主機(即USB傳輸接收器)中的nRF24L01是一直處于電源開啟狀態的(射頻消耗的電流是12.5 mA)。如果接收設備是由市電供給電源的話(例如電視機或者電腦)，消耗這些電流一般不是問題。不過，如果主機是由電池供電，或者由于其他的原因限制了功耗，那么可以把設備設置在低功耗模式(見圖5b)。

在低功耗模式，延遲加大了，這是為了減少主機消耗的平均電流。工作在這個模式可以滿足對功耗的要求，例如USB總線(在nRD24H1中的)的“暫停模式”，或者滿足其他遙控設備的ECO要求，例如電視機或者立體聲設備。消耗的平均電流(因而延遲時間)可以利用輸入到協議堆棧的參數很容易地控制，延遲時間可以從低延遲模式的幾毫秒增加到低功耗模式的30至50毫秒。對于設計達到ECO要求(Iaverage為2到4mA)，這是有利的，喚醒暫停的USB總線所需要的時間不到一秒(USB傳輸接收器的總電流Iaverage<0.5mA)。

換言之，我們可以根據設計要求來選擇延遲時間，但是不論是哪一種情形，射頻遙控器的通訊速度一定是比相應的紅外遙控器快很多。在低延遲時間模式，延遲時間大約是2.5ms，在低功耗模式，延遲時間則增加到30到50ms。紅外遙控器一般需要用70 ms時間來傳送第一個測試序列，相比之下，射頻遙控器的時間延遲小很多。假定由于干擾或者阻斷一這種情況很可能出現——紅外接收器沒有收到這個命令，最小延遲時間就會超過110ms例重復第一幀所用的時間。

如果只是考慮傳送今天使用的基本遙控命令，快速通訊的優點也許不是很重要，但是隨著要傳送的信息增加，它的重要性越來越大。裝有顯示器的遙控器就是一個很好的例子。在這種情況下，遙控器發給主機的命令即短又簡單，但是主機的回答所包含的內容就很多，它是用來更新遙控器的顯示內容。如果射頻系統的時間延遲小，就能夠經常更新顯示器的內容，消費者使用時的感覺會很好。

無線連接無處不在

即使目前紅外技術是遙控器使用的主要技術，它有一些缺點，例如工作范圍受到限制，不能進行雙向通訊，使用時遙控器要對準接收器等等。

射頻遙控器解決了紅外遙控器存在的所有這些問題：不需要把遙控器對準受控設備，通訊是雙向的，能夠無線鏈接擴大到另一個房間，不會因為家俱、人、室內墻壁的阻擋而受到影響。

最新的射頻收發器專用方案經濟、功耗極低，用它實現無線連接很簡單，因為有參考設計和針對客戶的專用協議可以使用，射頻設計也變得簡單。

如果很快轉到使用射頻無線連接，有很多好處。設計人員發現，一旦他們掌握了這項技術，就會想到把射頻無線連接用到他們將來的所有設計中。