描述

介紹

該項(xiàng)目作為德州儀器 2020 年夏季項(xiàng)目的一部分完成。該項(xiàng)目基于TI-RSLK MAX機(jī)器人平臺(tái)，其中包括作為 MCU 的MSP432P401R MCU LaunchPad? 開(kāi)發(fā)套件，并與BoosterPack生態(tài)系統(tǒng)兼容。BoosterPack 是擴(kuò)展板，可連接到 LaunchPad 頂部的兩個(gè) 20 針接頭，為 MCU 提供傳感、通信和其他附加功能。該項(xiàng)目的目標(biāo)是為 TI-RSLK MAX 設(shè)計(jì)一個(gè) BoosterPack 模塊并對(duì)其進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，以獲得電路設(shè)計(jì)、PCB 設(shè)計(jì)和嵌入式固件開(kāi)發(fā)方面的經(jīng)驗(yàn)，并創(chuàng)建一個(gè) BoosterPack 模塊，可用于教授初級(jí)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的關(guān)鍵知識(shí)概念。

創(chuàng)意和設(shè)計(jì)目標(biāo)

我的想法是創(chuàng)建一個(gè) BoosterPack，允許多個(gè)機(jī)器人或 MCU 之間進(jìn)行 IR 通信。BoosterPack 將包含 4 個(gè)紅外接收器和 4 個(gè)紅外發(fā)射器，以允許在各個(gè)方向發(fā)送和接收信號(hào)。

我選擇設(shè)計(jì)一個(gè) IR 發(fā)射器和接收器模塊，因?yàn)槲矣X(jué)得 IR 通信可以用來(lái)教授工程學(xué)生多個(gè)重要概念，包括 PWM、信號(hào)調(diào)制和實(shí)時(shí)系統(tǒng)編程。此外，我認(rèn)為用于機(jī)器人之間 IR 通信的 BoosterPack 將是對(duì)現(xiàn)有 BoosterPack 選擇的獨(dú)特補(bǔ)充。

什么是紅外通信？

IR 代表“紅外”，表示使用紅外光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間在短視距內(nèi)的數(shù)字通信。本項(xiàng)目使用的 TSAL6200 發(fā)射器發(fā)出的紅外光波長(zhǎng)為 940nm，因此人眼不可見(jiàn)。人類(lèi)經(jīng)常使用光來(lái)相互通信（如汽車(chē)上的轉(zhuǎn)向燈）或與機(jī)器（如交通信號(hào)燈）進(jìn)行通信，人們可以設(shè)想一種通信方案，其中紅外光用于向 TI-RSLK MAX 發(fā)送消息。

由于我們正在處理脈沖，因此人們可能會(huì)想到另一種自 1800 年代以來(lái)一直存在的數(shù)字通信方法，即摩爾斯電碼。摩爾斯電碼用不同長(zhǎng)度的聲音或光來(lái)表示不同的字母，稱(chēng)為“點(diǎn)”和“破折號(hào)”。但是，在我們的系統(tǒng)中，我們只需要發(fā)送兩個(gè)字符：1 或 0。使用這兩個(gè)字符和計(jì)算的二進(jìn)制語(yǔ)言，理論上可以發(fā)送任何消息。對(duì)于我們的通信方案，我們將 0 稱(chēng)為“點(diǎn)”或短脈沖，將 1 稱(chēng)為“破折號(hào)”或長(zhǎng)脈沖。

與摩爾斯電碼不同，我們的信息不需要由人類(lèi)解碼，因此紅外光對(duì)人眼不可見(jiàn)這一事實(shí)不是問(wèn)題。這也意味著我們可以比發(fā)送摩爾斯電碼消息更快地發(fā)送消息，因?yàn)?TI-RSLK MAX（TI 的 MSP432）上的微處理器可以以 48MHz 運(yùn)行，使其處理信息的速度比人類(lèi)快得多. 我們將以微秒為單位工作，長(zhǎng)脈沖為 2000 微秒長(zhǎng)，短脈沖為 500 微秒長(zhǎng)。

然而，我們?cè)O(shè)想的通信方案存在一個(gè)問(wèn)題，即超過(guò) 50%到達(dá)地球表面的陽(yáng)光是紅外光！就好像我們?cè)噲D在搖滾音樂(lè)會(huì)的前排進(jìn)行對(duì)話，或者更具體地說(shuō)，就好像我們?cè)噲D在光天化日之下使用手電筒發(fā)送摩爾斯電碼。就像由于明亮的陽(yáng)光，其他人幾乎無(wú)法區(qū)分手電筒何時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉一樣，TI-RSLK MAX 也幾乎不可能解碼通過(guò) IR 光發(fā)送的信息。環(huán)境中有這么多額外的紅外光。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要在我們的系統(tǒng)中再添加一個(gè)復(fù)雜功能。我們將利用調(diào)制將我們的信號(hào)與環(huán)境中存在的紅外光的背景噪聲區(qū)分開(kāi)來(lái)。這意味著，我們不會(huì)在我們想要傳輸某些東西的時(shí)候打開(kāi)我們的 IR 發(fā)射器，而是會(huì)以 38kHz 的頻率非?？焖俚卮蜷_(kāi)和關(guān)閉它。該頻率稱(chēng)為“載波頻率”，我們的 IR 接收器只會(huì)檢測(cè)此頻率的信號(hào)，只要接收到此頻率的信號(hào)，就會(huì)將其輸出引腳拉低。

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解決了最后一個(gè)問(wèn)題后，我們開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單的 IR 通信方案。當(dāng)我們想要發(fā)送 1 時(shí)，我們將以 38kHz 的頻率使 IR 發(fā)射器脈沖 2000 微秒，而當(dāng)我們想要發(fā)送 0 時(shí)，我們將以 38kHz 的頻率使 IR 發(fā)射器脈沖 500 微秒。在接收端，1 看起來(lái)像接收器輸出引腳上的 2000 微秒長(zhǎng)的低脈沖，0 看起來(lái)像 500 微秒長(zhǎng)的低脈沖。我們剛剛描述了一組設(shè)備之間通信的規(guī)則，也稱(chēng)為協(xié)議。

值得注意的是，有許多設(shè)備使用 IR 進(jìn)行通信，包括大多數(shù)電視和其他帶有遙控器的設(shè)備。雖然這些設(shè)備通常使用更復(fù)雜的協(xié)議（本網(wǎng)站詳細(xì)描述了一些常見(jiàn)協(xié)議），但了解上述簡(jiǎn)單協(xié)議為人們提供了一個(gè)框架，以便在需要時(shí)了解更多關(guān)于其他協(xié)議的信息。有了這些知識(shí)，這個(gè)項(xiàng)目可以擴(kuò)展到發(fā)送必要的 IR 代碼來(lái)控制電視或其他設(shè)備。

電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)低成本、易于組裝且功能強(qiáng)大的電路來(lái)發(fā)送和接收 IR 信號(hào)。選擇組件時(shí)考慮了這些目標(biāo)，主要是為了使用完全通孔的組件，使電路無(wú)需專(zhuān)門(mén)工具即可輕松組裝。

該電路由 Launchpad 的 3.3 V 電源供電，并包括一個(gè)用于每個(gè) IR 發(fā)射器的限流電阻器。IR 發(fā)射器通過(guò)邏輯電平 MOSFET 驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槊總€(gè)發(fā)射器可以拉出高達(dá) 100 mA 的電流，這將超過(guò) Launchpad 上 GPIO 引腳的 20 mA 限制。MOSFET的柵極上有一個(gè)限流電阻，還有一個(gè)電阻保證MOSFET在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)柵極電容放電。IR 接收器直接連接到 Launchpad 上的模擬引腳。

PCB設(shè)計(jì)

PCB 的設(shè)計(jì)考慮了三個(gè)主要目標(biāo)：IR 信號(hào)的無(wú)阻礙傳輸和接收、易于組裝以及遵守 BoosterPack 格式。為了讓信號(hào)的傳輸和接收暢通無(wú)阻，接收器模塊被放置在發(fā)射器后面的電路板中間。這最大限度地減少了電路板接收自身發(fā)射的信號(hào)的程度，并允許發(fā)射器暢通無(wú)阻地傳輸信號(hào)。注意提供足夠的間隙以便于焊接，并使用PCB 模板來(lái)確保正確的尺寸以滿足 BoosterPack 標(biāo)準(zhǔn)。

PCB設(shè)計(jì)（上）

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組裝電路板

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固件

該固件被設(shè)計(jì)為設(shè)備的概念驗(yàn)證，由于這是我第一次使用 MSP432 編程，因此可以通過(guò)更多時(shí)間進(jìn)行改進(jìn)。但是，固件提供了硬件演示，并為利用 IR-RX/TX BoosterPack 開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的程序奠定了基礎(chǔ)。提供的兩個(gè)程序演示了兩個(gè) MSP432 之間的簡(jiǎn)單通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了上一節(jié)中描述的協(xié)議。一個(gè)程序發(fā)送所需的 IR 代碼，而另一個(gè)程序接收并解碼它。這些程序可以很容易地組合成一個(gè)可以雙向通信的系統(tǒng)。接收代碼利用中斷，允許 MSP432 在沒(méi)有接收到 IR 代碼時(shí)運(yùn)行其他任務(wù)。

結(jié)論

通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，我學(xué)到了很多關(guān)于工程設(shè)計(jì)過(guò)程的知識(shí)，如果我再次做這個(gè)項(xiàng)目，我會(huì)應(yīng)用這些知識(shí)并對(duì)我設(shè)計(jì)和執(zhí)行項(xiàng)目的方式進(jìn)行一些改變。最重要的是，在決定引腳分配之前，我會(huì)確保充分閱讀并理解所涉及組件的所有數(shù)據(jù)表。在電路設(shè)計(jì)階段，我決定將 IR 接收器的輸出引腳分配給 MSP432 上的模擬引腳。然而，在更好地了解 IR 接收器的數(shù)據(jù)表后，我發(fā)現(xiàn)這是不必要的，因?yàn)樗鼈冚敵龅氖菙?shù)字脈沖，而不是模擬信號(hào)。在固件開(kāi)發(fā)階段，我了解到測(cè)量這種脈沖持續(xù)時(shí)間的理想方法是使用微控制器上 TimerA 外設(shè)的捕獲功能。如果我在電路設(shè)計(jì)階段更熟悉 MSP432，我會(huì)決定將 IR 接收器的輸出連接到能夠利用 TimerA 外設(shè)的捕獲功能的引腳。這將大大簡(jiǎn)化編程。

除了那些設(shè)計(jì)更改之外，如果有更多的時(shí)間，我會(huì)對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行更多改進(jìn)。首先，我會(huì)進(jìn)行定量測(cè)試以確定硬件是否按預(yù)期運(yùn)行。我會(huì)測(cè)量有效的傳輸和接收距離，并確定設(shè)備的功耗。其次，我會(huì)花更多時(shí)間為項(xiàng)目構(gòu)建更強(qiáng)大的固件基礎(chǔ)，可能會(huì)開(kāi)發(fā)一個(gè)庫(kù)以便于編程。最后，我將探索該項(xiàng)目的其他可能性，包括使用硬件與電視等消費(fèi)設(shè)備進(jìn)行通信。

總之，這是一個(gè)成功的項(xiàng)目，我從中學(xué)到了很多。

我要特別感謝德州儀器在整個(gè)項(xiàng)目中提供的資源和支持。

請(qǐng)務(wù)必查看TI-RSLK MAX ！

已連接 IR-RX/TX BoosterPack 的 TI-RSLK MAX

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