摘要：射频无线遥控由于其能实现非接触式的远距离控制功能且具有便携、成本低的优点，在工业及日常生活的电子产品中被广泛应用。但在使用过程中经常出现遥控不稳定、失灵等问题，如何判断遥控的性能好坏成为备受困扰的问题。通过对315、433、2.4 G三种常用的不同频率遥控进行研究，设计了一种基于单片机控制的检测系统。采用GD32单片机作为主控制器，同时采样电路使用主控制器的GPIO口模拟SPI传输信号与外部遥控接收器信号端连接，通过单片机软件配置不同模式协议，实现3种不同遥控信号采样；通过交流220 V变压和稳压控制为各功能器件提供直流5 V和3.3 V电源；结合晶体管驱动双路继电器实现直流电机正反转。实验过程中通过外接示波器、逻辑分析仪观测不同频率射频遥控的性能，实现了在电机控制应用过程中3种不同射频遥控性能的快速检测。

　　关键词：射频；无线遥控；电机控制；单片机；检测

　　0引言

　　近年来，随着智能家居、人工智能、物联网、无线通信等新技术的逐渐成熟，进一步推动无线遥控器行业规模的持续扩大。据统计，2017年我国无线遥控器的产量为9.37亿只，2021年达到13.75亿只，年度复合增长率10%，非接触式的无线遥控系统被广泛应用于航空航天、工业控制、新能源汽车、智能家居家电等众多领域，其相对于有线连接的优点在于安装成本低，可减少施工布线和节省大量线缆，使用方便。无线遥控按传输信号不同，主要分为红外遥控、无线电遥控、超声波遥控[1]。另外，随着近年来通信技术的不断发展，出现了蓝牙、Zigbee、NB、WiFi、5G等新型通信技术，也可以实现无线遥控的功能，但这些无线技术主要用于通信传输与智能设备组网用途。射频无线遥控是无线电遥控的一种，由于其体积小，发射和接收系统可独立工作，相比红外遥控不受方向限制，对比WiFi等无线网络遥控性价比更高，适用于短距离遥控控制。但是市面上的射频无线遥控种类很多，特别是在电机控制系统中，无线遥控接收器通常会受到电机的磁场信号干扰，如何快速有效检测不同频率射频遥控的适用性能就成为困扰很多用户的突出问题。通常判断射频遥控好坏的测试方法有比较遥控的传输方向性和传输距离[2]，但是这些测试方法有一定局限性，无法测试传输信号编码是否丢失、传输是否受到外部干扰，只能测试其中一种频率的射频遥控等，不能满足测试要求。本文通过对3种常用不同频率的遥控进行了研究，并设计了一种新的测试系统，使用同一套系统就能够快速检测不同频率射频遥控的性能，实验过程中通过外接示波器观测接收的信号波形，直观监测无线遥控的信号传输误码率等动态数据，精确测量了无线射频遥控的信号，特别是在电机控制等复杂电磁环境中，为遥控的失效分析、稳定性和适应性判断提供了科学依据，为解决无线遥控选型困难问题，提供了较好的方案[3]。

　　1硬件设计

　　本文以GD32F350单片机控制整个系统，根据电机控制用异频RF（Radio Freqency）无线遥控测试系统所需实现的目标功能，搭建单片机的控制电路与各个外设模块的基本电路，硬件电路主要由电源电路、主控制器电路、输入检测电路、电机驱动电路、通信及外围接口电路组成[4]。电源电路主要为主电路提供+3.3 V电压，为继电器和电机提供12 V和5 V电压。主电路则是通过单片机对遥控接收器信号进行采样，单片机收到采集到的数据以后，进行分析和一定的算法计算处理，控制电机进行运转。其硬件系统组成如图1所示。

　　1.1电源电路

　　电源电路输入端采用220 V交流电，经过变压器后接入由4个二极管组成桥式整流电路，再经过电容滤波，得到的电压源接入XL1509系列的12 V、5 V和3.3 V稳压芯片，分别得到直流12 V、5 V和3.3 V，在电压的输出端分别接入稳压二极管、滤波电容和隔离电感，为继电器驱动提供12 V电源，给电机驱动和遥控接收器输入端提供5 V电源，为主控制器电路和外围控制单元提供3.3 V电源[5]，电源电路组成如图2所示。

　　1.2主控制器电路

　　采用GD32F350R8T6作为主控制器，它是一种基于ARM Cortex-M4 RISC内核的32位通用微控制器，最高主频可达到108 MHz，配备了64 KB的大容量Flash及16 KB的SRAM，内核访问闪存高速零等待。还拥有1个16位通用定时器和1个16位基本定时器。并配备了一些基本外设资源，包括2个USART、2个SPI、2个I2C、1个I2S。具有较强处理能力和低功耗特性[6]。遥控接收器的数据信号与主控芯片GD32F350R8T6的PB5口连接，通过采样遥控接收器的输入信号，然后解码实现不同频率遥控接收信号的识别。单片机供电电源为3.3 V，同时并联4个100 nF电容进行滤波，减少干扰。采用外部8 M晶振，为单片机提供精准时钟信号，便于单片机各单元信号保持同步。主控制器电路组成如图3所示。

　　1.3输入采样电路

　　输入采样电路，将遥控接收器的数据信号与主控制器的GPIO端口P1进行连接，并接入上拉电阻保证信号的有效输入，CN2为遥控接收器的输入端口，在这个输入端为遥控接收器提供5 V电源接口、DAT信号输入接口和地线，分别与遥控接收器的电源输入端和信号输入端及地线对应连接，实现外部遥控信号的输入检测[7]。CN1与示波器和逻辑分析仪进行连接，对遥控接收器的信号进行观测。输入采样电路组成如图4所示。

　　1.4电机驱动电路

　　驱动电路由三极管、继电器和永磁直流电机组成，P2、P3与主控制器的GPIO口连接，通过三极管放大提升驱动能力，单片机通过编程实现P3端口控制K2继电器吸合给电机上电，P2控制K1继电器通断，当继电器吸合永磁直流电机正转，当继电器断开永磁直流电机反转[8]。电机驱动电路组成如图5所示。

　　1.5通信及外围接口电路

　　通信电路采用RS232芯片ST3232ECTR与主控制器的串口UART的发射端TXD和接收端RXD进行连接，实现与上位机的调试、观测及通信功能。外围电路包括LED电源指示、信号指示灯等，其中LED4灯一端与3.3 V电源连接，一端与地连接，即电源上电后LED4灯亮起。LED1、LED2、LED3分别与主控制器的GPIO口进行连接，根据单片机的计算控制，LED1、LED2、LED3分别起到遥控采样信号提示、通信提示和电机驱动提示作用，为提升驱动能力，给LED指示灯电路分别接了一个1 kW的上拉电阻。通信及外围接口电路组成如图6所示。

　　1.6无线遥控系统组成

　　选用市面上常用的315、433、2.4 G三种不同频率遥控进行测试，这3种遥控器的共同特点是接收器只需要接4种信号，分别是5 V电源、电源地、信号端、信号公共地，都可以与采样电路的输入接口进行连接，满足硬件连接统一的要求，只需要软件做不同配置和识别处理。

　　其中315遥控发射器型号为H34C-315，发射功率为27 dBm，额定电功率0.5 W，电流40 mA，工作电压4~12 V，模块DATA脚逻辑电平为12 V，315遥控接收器型号为LR33B，灵敏度-110 dBm，工作电流2 mA，调试方式为ASK调幅超外差，工作电压3~5.5 V，接收器模块DAT脚兼容CMOS标准，此脚位直接连接到单片机[9]。

　　433遥控发射器型号为H34C-433，发射功率为27 dBm，额定功率0.5 W，电流40 mA，工作电压4~12 V，模块DATA脚逻辑电平为12 V，晶振采用LR433T2提供433 MHz起振频率[10]，电源采用12 V干电池进行供电，满足远距离移动发射要求。433遥控接收器型号为LR43B，灵敏度-110 dBm，工作电流2.5 mA，调试方式为ASK调幅超外差，工作电压3~5.5 V。

　　315遥控和433遥控发射器均采用EV1527进行编码，EV1527发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，其中地址码为20位，可编制1 048 576组内码组合，支持4个按键输入，最多可组合至15个按键。如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射，当发射机没有按键按下时，EV1527不接通电源，这时H34C-315不工作；当有按键按下时，EV1527得电工作，输出经调制的高频串行数据信号[11]。接收器模块均采用弹簧天线接收信号。

　　2.4 G无线遥控型号为CIRF-3，是工作在2.4~2.483 GHz全球通用ISM频段的单片无线收发MCU，是以EPROM作为存储器的8位单片机，采用SIP技术，集成了射频收发器、MCU等功能模块，并且支持一对多组网和带ACK的通信模式。发射模式（2 dBm）时电流19 mA，传输速率最大8 Mb/s，可实现20~50 m的控制距离，电源电压输入范围3.3~5.5 V，发射器采用板载天线[12]。2.4 G无线遥控接收模块型号为CIRR-3，接收灵敏度达-90 dBm，接收模式工作电流15 mA，休眠电流2μA，接收端经接收模块把对应发射模块发出的2.4 G信号转换成红外NEC协议给终端设备，以达到增加遥控距离，避免传统红外遥控器的特定指向性[13]。

　　2软件设计

　　本文使用Keil uVision5软件开发工具对程序进行设计，将单片机的GPIO口模拟SPI的时序和协议，通过控制引脚的电平和时序来模拟SPI的数据传输。分别使用315、433、2.4 G三种不同接收芯片进行无线数据通信，需要单片机对相应接收芯片配置不同模式的协议，并在配置模式下进行初始化配置、发送数据和接收存储数据。发送端和接收端的配置必须匹配，数据包格式包括前缀、地址、有效数据和CRC。发送数据包时发射器单片机只向接收器传送地址和数据，前缀和CRC会在发射器芯片内部自动加进去。接收数据包时，对应接收端检测到相应地址的数据包，检验正确后会自动移去前缀、地址和CRC，将有效数据传送给单片机。单片机分析接收到的指令信息，并进行解码，控制对应GPIO端口输出，驱动继电器通断，使电机执行相应动作[14]。测试系统流程如图7所示。

　　3异频RF无线遥控测试实验

　　3.1测试系统组成

　　测试系统由电源、遥控发射器、遥控接收器、电机控制用异频RF无线遥控测试系统、示波器、逻辑分析仪组成[15]。其中遥控发射器和接收器分别使用了315、433、2.4 G三组不同的射频遥控进行测试，示波器和逻辑分析仪探针与异频RF无线遥控测试模块的检测端口连接，测试遥控的接收信号，测试系统及设备组成如图8所示。

　　3.2测试结果

　　分别对3种遥控进行了20次按键发射信号，通过示波器观察接收端的信号和电机执行情况，并测试最远传输距离，实验结果记录如表1所示，示波器观测结果如图9~11所示。

　　由图9可知，当315遥控没有按下按键时，接收信号为均匀占空比的高频信号；当有按键按下时，出现规则的编码信号。

　　由图10可知，此433遥控信号峰值有一些毛刺现象，受外部干扰较明显，同样在没有按键按下时，接收信号为高频信号；当有按键按下先出现拉低，然后再出现规则的编码信号。

　　由图11可知，2.4 G遥控波形清晰，受外部干扰少，在没有按键按下时，接收信号为低频信号；当有按键按下先出现拉高，然后再出现规则的编码信号。

　　4结束语

　　本文研究了3种不同频率无线遥控的的特点，设计了一种电机用异频RF无线遥控测试系统，该系统包括电源电路、采样电路、主控制器电路、电机驱动电路、通信及外围电路。通过同一套系统实现了对315、433、2.4 G三种不同遥控的信号解码，单片机通过判断接收的信号并控制永磁直流电机运转。测试过程中外接示波器及逻辑分析仪对遥控的接收信号进行了实验观测和记录，验证了3种不同频率遥控在电机工作复杂环境下的传输距离和信号有效性。为电机产品实际应用中不同射频遥控器选型及性能测试，提供了较好的解决方案，降低了产品在使用无线射频遥控过程中失效的风险，提升了产品质量。

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