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(fā)套件，并與BoosterPack生態(tài)系統(tǒng)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(biāo)是為 TI-RSLK MAX 設(shè)計一個 BoosterPack 模塊并對其進行原型設(shè)計，以獲得電路設(shè)計、PCB 設(shè)計和嵌入式固件開發(fā)方面的經(jīng)驗，并創(chuàng)建一個 BoosterPack 模塊，可用于教授初級工程專業(yè)學(xué)生的關(guān)鍵知識概念。

創(chuàng)意和設(shè)計目標(biāo)

我的想法是創(chuàng)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(fā)射器，以允許在各個方向發(fā)送和接收信號。

我選擇設(shè)計一個 IR 發(fā)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(xué)生多個重要概念，包括 PWM、信號調(diào)制和實時系統(tǒng)編程。此外，我認為用于機器人之間 IR 通信的 BoosterPack 將是對現(xiàn)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(xiàn)設(shè)備之間在短視距內(nèi)的數(shù)字通信。本項目使用的 TSAL6200 發(fā)射器發(fā)出的紅外光波長為 940nm，因此人眼不可見。人類經(jīng)常使用光來相互通信（如汽車上的轉(zhuǎn)向燈）或與機器（如交通信號燈）進行通信，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，因此人們可能會想到另一種自 1800 年代以來一直存在的數(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(tǒng)中，我們只需要發(fā)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(fā)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(fā)送摩爾斯電碼消息更快地發(fā)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(shè)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(fā)送摩爾斯電碼。就像由于明亮的陽光，其他人幾乎無法區(qū)分手電筒何時打開或關(guān)閉一樣，TI-RSLK MAX 也幾乎不可能解碼通過 IR 光發(fā)送的信息。環(huán)境中有這么多額外的紅外光。

為了解決這個問題，我們需要在我們的系統(tǒng)中再添加一個復(fù)雜功能。我們將利用調(diào)制將我們的信號與環(huán)境中存在的紅外光的背景噪聲區(qū)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(fā)射器，而是會以 38kHz 的頻率非常快速地打開和關(guān)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。

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解決了最后一個問題后，我們開發(fā)了簡單的 IR 通信方案。當(dāng)我們想要發(fā)送 1 時，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，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(shè)備之間通信的規(guī)則，也稱為協(xié)議。

值得注意的是，有許多設(shè)備使用 IR 進行通信，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)站詳細描述了一些常見協(xié)議），但了解上述簡單協(xié)議為人們提供了一個框架，以便在需要時了解更多關(guān)于其他協(xié)議的信息。有了這些知識，這個項目可以擴展到發(fā)送必要的 IR 代碼來控制電視或其他設(shè)備。

電路設(shè)計

電路設(shè)計的目標(biāo)是創(chuàng)建一個低成本、易于組裝且功能強大的電路來發(fā)送和接收 IR 信號。選擇組件時考慮了這些目標(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(fā)射器的限流電阻器。IR 發(fā)射器通過邏輯電平 MOSFET 驅(qū)動，因為每個發(fā)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(guān)斷狀態(tài)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(shè)計

PCB 的設(shè)計考慮了三個主要目標(biāo)：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(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)射的信號的程度，并允許發(fā)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(biāo)準(zhǔn)。

PCB設(shè)計（上）

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組裝電路板

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固件

該固件被設(shè)計為設(shè)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(fā)更復(fù)雜的程序奠定了基礎(chǔ)。提供的兩個程序演示了兩個 MSP432 之間的簡單通信協(xié)議，實現(xiàn)了上一節(jié)中描述的協(xié)議。一個程序發(fā)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(tǒng)。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(wù)。

結(jié)論

通過這個項目，我學(xué)到了很多關(guān)于工程設(shè)計過程的知識，如果我再次做這個項目，我會應(yīng)用這些知識并對我設(shè)計和執(zhí)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(shù)據(jù)表。在電路設(shè)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(shù)據(jù)表后，我發(fā)現(xiàn)這是不必要的，因為它們輸出的是數(shù)字脈沖，而不是模擬信號。在固件開發(fā)階段，我了解到測量這種脈沖持續(xù)時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(shè)的捕獲功能的引腳。這將大大簡化編程。

除了那些設(shè)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(yù)期運行。我會測量有效的傳輸和接收距離，并確定設(shè)備的功耗。其次，我會花更多時間為項目構(gòu)建更強大的固件基礎(chǔ)，可能會開發(fā)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(shè)備進行通信。

總之，這是一個成功的項目，我從中學(xué)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(wù)必查看TI-RSLK MAX ！

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

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