描述

介紹

該項目作為德州儀器 2020 年夏季項目的一部分完成。該項目基于TI-RSLK MAX機器人平臺，其中包括作為 MCU 的MSP432P401R MCU LaunchPad? 開發套件，并與BoosterPack生態系統兼容。BoosterPack 是擴展板，可連接到 LaunchPad 頂部的兩個 20 針接頭，為 MCU 提供傳感、通信和其他附加功能。該項目的目標是為 TI-RSLK MAX 設計一個 BoosterPack 模塊并對其進行原型設計，以獲得電路設計、PCB 設計和嵌入式固件開發方面的經驗，并創建一個 BoosterPack 模塊，可用于教授初級工程專業學生的關鍵知識概念。

創意和設計目標

我的想法是創建一個 BoosterPack，允許多個機器人或 MCU 之間進行 IR 通信。BoosterPack 將包含 4 個紅外接收器和 4 個紅外發射器，以允許在各個方向發送和接收信號。

我選擇設計一個 IR 發射器和接收器模塊，因為我覺得 IR 通信可以用來教授工程學生多個重要概念，包括 PWM、信號調制和實時系統編程。此外，我認為用于機器人之間 IR 通信的 BoosterPack 將是對現有 BoosterPack 選擇的獨特補充。

什么是紅外通信？

IR 代表“紅外”，表示使用紅外光脈沖來實現設備之間在短視距內的數字通信。本項目使用的 TSAL6200 發射器發出的紅外光波長為 940nm，因此人眼不可見。人類經常使用光來相互通信（如汽車上的轉向燈）或與機器（如交通信號燈）進行通信，人們可以設想一種通信方案，其中紅外光用于向 TI-RSLK MAX 發送消息。

由于我們正在處理脈沖，因此人們可能會想到另一種自 1800 年代以來一直存在的數字通信方法，即摩爾斯電碼。摩爾斯電碼用不同長度的聲音或光來表示不同的字母，稱為“點”和“破折號”。但是，在我們的系統中，我們只需要發送兩個字符：1 或 0。使用這兩個字符和計算的二進制語言，理論上可以發送任何消息。對于我們的通信方案，我們將 0 稱為“點”或短脈沖，將 1 稱為“破折號”或長脈沖。

與摩爾斯電碼不同，我們的信息不需要由人類解碼，因此紅外光對人眼不可見這一事實不是問題。這也意味著我們可以比發送摩爾斯電碼消息更快地發送消息，因為 TI-RSLK MAX（TI 的 MSP432）上的微處理器可以以 48MHz 運行，使其處理信息的速度比人類快得多. 我們將以微秒為單位工作，長脈沖為 2000 微秒長，短脈沖為 500 微秒長。

然而，我們設想的通信方案存在一個問題，即超過 50%到達地球表面的陽光是紅外光！就好像我們試圖在搖滾音樂會的前排進行對話，或者更具體地說，就好像我們試圖在光天化日之下使用手電筒發送摩爾斯電碼。就像由于明亮的陽光，其他人幾乎無法區分手電筒何時打開或關閉一樣，TI-RSLK MAX 也幾乎不可能解碼通過 IR 光發送的信息。環境中有這么多額外的紅外光。

為了解決這個問題，我們需要在我們的系統中再添加一個復雜功能。我們將利用調制將我們的信號與環境中存在的紅外光的背景噪聲區分開來。這意味著，我們不會在我們想要傳輸某些東西的時候打開我們的 IR 發射器，而是會以 38kHz 的頻率非常快速地打開和關閉它。該頻率稱為“載波頻率”，我們的 IR 接收器只會檢測此頻率的信號，只要接收到此頻率的信號，就會將其輸出引腳拉低。

?

?

解決了最后一個問題后，我們開發了簡單的 IR 通信方案。當我們想要發送 1 時，我們將以 38kHz 的頻率使 IR 發射器脈沖 2000 微秒，而當我們想要發送 0 時，我們將以 38kHz 的頻率使 IR 發射器脈沖 500 微秒。在接收端，1 看起來像接收器輸出引腳上的 2000 微秒長的低脈沖，0 看起來像 500 微秒長的低脈沖。我們剛剛描述了一組設備之間通信的規則，也稱為協議。

值得注意的是，有許多設備使用 IR 進行通信，包括大多數電視和其他帶有遙控器的設備。雖然這些設備通常使用更復雜的協議（本網站詳細描述了一些常見協議），但了解上述簡單協議為人們提供了一個框架，以便在需要時了解更多關于其他協議的信息。有了這些知識，這個項目可以擴展到發送必要的 IR 代碼來控制電視或其他設備。

電路設計

電路設計的目標是創建一個低成本、易于組裝且功能強大的電路來發送和接收 IR 信號。選擇組件時考慮了這些目標，主要是為了使用完全通孔的組件，使電路無需專門工具即可輕松組裝。

該電路由 Launchpad 的 3.3 V 電源供電，并包括一個用于每個 IR 發射器的限流電阻器。IR 發射器通過邏輯電平 MOSFET 驅動，因為每個發射器可以拉出高達 100 mA 的電流，這將超過 Launchpad 上 GPIO 引腳的 20 mA 限制。MOSFET的柵極上有一個限流電阻，還有一個電阻保證MOSFET在關斷狀態時柵極電容放電。IR 接收器直接連接到 Launchpad 上的模擬引腳。

PCB設計

PCB 的設計考慮了三個主要目標：IR 信號的無阻礙傳輸和接收、易于組裝以及遵守 BoosterPack 格式。為了讓信號的傳輸和接收暢通無阻，接收器模塊被放置在發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射的信號的程度，并允許發射器暢通無阻地傳輸信號。注意提供足夠的間隙以便于焊接，并使用PCB 模板來確保正確的尺寸以滿足 BoosterPack 標準。

PCB設計（上）

?

組裝電路板

?

固件

該固件被設計為設備的概念驗證，由于這是我第一次使用 MSP432 編程，因此可以通過更多時間進行改進。但是，固件提供了硬件演示，并為利用 IR-RX/TX BoosterPack 開發更復雜的程序奠定了基礎。提供的兩個程序演示了兩個 MSP432 之間的簡單通信協議，實現了上一節中描述的協議。一個程序發送所需的 IR 代碼，而另一個程序接收并解碼它。這些程序可以很容易地組合成一個可以雙向通信的系統。接收代碼利用中斷，允許 MSP432 在沒有接收到 IR 代碼時運行其他任務。

結論

通過這個項目，我學到了很多關于工程設計過程的知識，如果我再次做這個項目，我會應用這些知識并對我設計和執行項目的方式進行一些改變。最重要的是，在決定引腳分配之前，我會確保充分閱讀并理解所涉及組件的所有數據表。在電路設計階段，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 接收器的數據表后，我發現這是不必要的，因為它們輸出的是數字脈沖，而不是模擬信號。在固件開發階段，我了解到測量這種脈沖持續時間的理想方法是使用微控制器上 TimerA 外設的捕獲功能。如果我在電路設計階段更熟悉 MSP432，我會決定將 IR 接收器的輸出連接到能夠利用 TimerA 外設的捕獲功能的引腳。這將大大簡化編程。

除了那些設計更改之外，如果有更多的時間，我會對該項目進行更多改進。首先，我會進行定量測試以確定硬件是否按預期運行。我會測量有效的傳輸和接收距離，并確定設備的功耗。其次，我會花更多時間為項目構建更強大的固件基礎，可能會開發一個庫以便于編程。最后，我將探索該項目的其他可能性，包括使用硬件與電視等消費設備進行通信。

總之，這是一個成功的項目，我從中學到了很多。

我要特別感謝德州儀器在整個項目中提供的資源和支持。

請務必查看TI-RSLK MAX ！

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

?

?