为家庭娱乐产品设计RF遥控装置

作者： Ryan Kelly, Victor Berrios

飞思卡尔半导体公司

RF娱乐控制网络的历史

在电视遥控单元的短暂历史中，人们尝试了若干不同的方案。上世纪50年代早期的例子是采用有线、单束光线和超声波来改变频道和控制音量，这些方法显然都存在局限性。例如，在光束中的光电单元无法告知闪电与普通的桌面灯或甚至日光的区别，这可能导致一些无秩序的电视观看。

到上世纪80年代初，电视行业转向采用红外遥控(IR)，从那时候起，红外遥控就成了事实标准。它工作得非常好，只要你的遥控在视野的限制之内，你就有清楚的视线(LOS)并且你对仅仅采用单向通信的控制器遥控受控的设备(电视、DVD、AVR等等)感到满意。在现代的家庭中，在墙壁后面可能隐藏着组件，或者，成打或许多遥控电子设备分布在住宅的每一个房间之中，因此，红外遥控的缺陷就显而易见。问题不仅仅是因为你必须保管多个红外遥控器，而且因为红外线无法为先进的系统级控制开发一种成熟的电子家庭环境。

RF的因素

与IR通信相比，射频(RF)家庭娱乐通信具备若干优势。遥控器不受有限的视野的制约，并且不存在LOS要求。然而，RF解决方案超越IR之处在于它具有执行双向通信的能力。RF遥控不仅仅对受控设备通信，而且受控设备现在可以跟遥控器通信。此外，RF技术容许受控设备彼此之间通信，正是这些多通信路径把家庭娱乐控制从“点和推”的世界带入全系统级控制的领域。

基于IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz RF家庭娱乐控制系统所提供的功能超越了手持遥控器所具备的几条简单指令。它能够成为娱乐系统赖以通信的新标准，从而完全改变我们利用我们的家庭娱乐系统观看、倾听和互动的方式。

2.4 GHz是一种无须授权的全球频率，因而使之成为非常有成本效益的选项。然而，实际上每一个人都在使用该频率，如在无绳电话、婴儿监护器和蓝牙设备中。许多家庭可能配备若干工作在2.4 GHz频段的设备，每一个设备都有自己的工作循环及其它针对特殊应用的要求。当构建RF家庭娱乐网络时，我们要确信这些设备不会干扰我们的网络，我们的网络也不会干扰它们的工作。

通过在802.15.4上构建娱乐控制网络，我们利用该标准的内建属性来避免在拥挤的2.4 GHz环境中出现信号干扰问题。这些802.15.4干扰规避功能包括直接序列扩频(DSSS)、或信号扩频及载波侦听多路访问(CSMA)。与未扩频的方法相比，DSSS发射数据的速率更快，因为它把信号扩展到更大的频带(802.15.4具有2 MHz宽的信道)，以便干扰仅仅影响信号的一部分。CSMA的原则是“在你讲前先听”。在802.15.4射频发射之前，它首先听信道，看是否存在其它正在发射的节点。 如果该信道空闲，它就继续进行发射；如果它听到某些声音，它就返回并监听一段随机的时间。当我们在802.15.4上构建我们的娱乐控制网络时，我们可以内建更多的干扰规避功能。这些功能包括：低延迟发射和信道捷变性(在三个802.15.4信道上工作)。信道捷变性容许每一个节点在需要的时候从网络中的一个节点向另一个节点平静地转移。根据环境的情况，所有三个信道都可以同时由不同的节点使用。

因采用2.4 GHz频段不需要相关的许可费且全球都熟悉802.15.4标准，所以，这种方案就是如图1所示的娱乐控制网络的有吸引力的组合。

图1：娱乐控制网络的软件架构

此外，它能够作为标准的RF家庭娱乐控制系统支持广泛的采用。

RF遥控器的组成

该娱乐控制网络由一个或多个控制器节点(遥控)及任何数量的受控节点组成，其中，也可能包含通常与家庭娱乐网络无关的项目。除了电子娱乐系统之外，在网络中可以包含诸如电视、DVD播放机、机顶盒、数字视频刻录机、灯光变光开关、吊顶风扇和自动调温器及其它应用。

开始时，控制器节点必须被引入或与每一个受控节点“配对”。遥控器的配对请求以非常低的功率发射，所以，它必须非常接近目标受控节点，如电视机，以便它接收到足够的信号强度。这就确保该目标受控电视是唯一接收配对请求的设备，并且它是唯一作出响应的设备。在请求期间，电视机接收遥控信号，以其独一无二的地址作出回答，所以，遥控器可以直接与它进行后续通信。设备配对包括对平台版本的支持、卖家ID、产品ID、版本交换和设备性能信息交换，如控制指令等。一旦配对完成，控制器不再需要搜索巨大的查找表，因为它已经提供了所有的电视机已支持的指令。

在网络中的所有节点都被配对之后，遥控器可以根据地址对地址的方式发送指令，所以，每一个受控节点都将知道如何作出响应，或者，是否它应该作出响应。各种指令也可以被广播出去，因此，一条指令可以针对多个设备，从而降低了空中的数据流量，延长电池的寿命并避免可能的干扰。此外，在跟所有的节点配对之后，控制器能够在受控设备之间建立通信，从而让它们彼此之间对话。

娱乐控制网络指令被分为三类：网络指令、公共指令和制造商特定指令。网络指令—如配对—容许控制器网络层与另一个设备的网络层通信。公共指令被定义为对所有的网络用户都可用的标准指令。这些指令是你希望每一个设备执行“打开、关闭、上调音量、下调音量”的功能。因为关于“打开”功能或音量控制不存在私有性，标准化将简化对控制器和受控设备两者的存储器的要求。

制造商特定指令让卖家能够生成只有它们的设备才能解读的专有指令或只有它们指定的一台设备才能解读的指令。这些指令有助于保护卖家的知识产权，并赋予它们限制访问若干功能的自由度，并容许来自相同的制造商的设备具有特殊的功能和交互作用。

在飞思卡尔的方案中，我们为公共指令保留了16K指令标识符、为制造商特定指令保留了16K指令标识符且为网络指令保留了32K指令标识符。当开发娱乐控制网络时，这提供了相当多的灵活性。例如，我们已经确定了600多条常见的公共指令，让诸如“开”这样的对任何组件或制造商都一样的基本控制功能成为可能，此外，还有其它功能。从标准化的观点看，像这样的公共指令集驱动互操作性。

有别于你的典型遥控器

目前，采用IR遥控器，如果你想改变你的电视色彩饱和度或调节任何其它的视频参数，当你调节屏幕上的控制滑块时，大快的黑盒会占据大部分屏幕。为了看见全屏幕的效果，你不得不退出配置功能；如果你对第一调节不满意的话，就要再次调节。

采用RF遥控器，这一切都将发生变化。利用双向通信性能的优势，你的遥控器可以集成一个小型LCD屏幕，让你拥有多屏幕观看能力。视频控制过程中的“黑盒”可以在遥控器上观看，与此同时，你的电视机的图像继续正常地显示，并且任何图像的调节都可以全屏幕和实时地观看。

遥控器也可以被用于取代画中画的观看。或者，观看者可以用它来滚动浏览有线电视节目指南，与此同时，不干扰电视的图像。RF遥控器可以为任何它控制的受控设备添加相当大的效用，因为遥控器不仅仅能够显示和实现电视机控制器，而且能够显示对卫星接收机、MP3播放机的控制或播放表以及甚至对空调的控制。给遥控器增加简单的功能，可以增加用户的体验，如利用RF双向的性能，如果孩子们把遥控器藏起来的话，按以下电视机上的按钮，遥控器发出的“劈劈”声有助于用户找到它。

超越遥控器的功能

如上所述，RF遥控器能够对受孔设备编程以便彼此之间对话。在受控设备与受控设备之间建立了通信之后，一个操作—如把DVD碟插入到DVD播放机之中—就能触发各种各样的动作。DVD播放机然后能够命令电视机打开，切换到正确的模式并调节音频。它还能调节光线的亮度，并且甚至把空调的温度调节到你观看影片时喜欢的温度。当影片播放完时，DVD碟退出，DVD播放机自动地命令所有的组件回到它们的原始设置。所有的人类行为控制都被限制在最多按两个按钮。

这就是双向RF娱乐控制网络的潜力，它对视野或直接视线没有要求。此外，标准兼容测试能够创建一种确保不同的组件和制造商之间实现互操作性的基础架构。构建在2.4 GHz 802.15.4标准之上，有助于简化创建一个全球RF娱乐控制网络标准的过程，并为用户带来真正全系统的控制。

通过娱乐中心进一步发展，RF娱乐控制网络能够被扩展到与其它非娱乐设备接口，并桥接其它的无线网络，如家庭中的ZigBee网络。一个遥控器就能够控制联网家庭的方方面面，并能被定制以满足不同的需求。RF娱乐控制网络的最终目标不仅仅是取代IR遥控器。它要构建使一个遥控器就能够控制每一个电子设备及下一代数字家庭环境中所有电子系统的基础。

作者简介

Ryan Kelly是飞思卡尔半导体公司运输和标准产品组的无线连接性市场营销和应用经理。他的研究重点在于创建和促进世界级的802.15.4和ZigBee平台。

Victor Berrios是飞思卡尔微控制器部门负责无线连接性运营的全球平台开发经理。

可以通过电子邮件mari_melguizo@lpp.com与作者联系。