Điều khiển từ xa: Mã hóa và truyền tín hiệu

Hệ thống điều khiển từ xa được mô tả gồm ba phần chính: thiết bị phát, đường truyền và thiết bị thu. Thiết bị phát có chức năng biến đổi lệnh điều khiển thành tín hiệu và phát đi. Đường truyền đóng vai trò trung gian, đưa tín hiệu từ thiết bị phát đến thiết bị thu. Thiết bị thu nhận tín hiệu từ đường truyền, qua các quá trình biến đổi và dịch mã, tái tạo lại lệnh điều khiển và truyền đến các thiết bị thực thi. Sự hoạt động trơn tru và hiệu quả của cả ba phần này quyết định hiệu năng tổng thể của hệ thống điều khiển từ xa. Mỗi thành phần đều đóng vai trò quan trọng trong chu trình truyền và nhận tín hiệu, từ việc chuyển đổi lệnh điều khiển thành tín hiệu điện tử đến việc giải mã tín hiệu và thực thi các lệnh tương ứng. Độ tin cậy của toàn bộ hệ thống phụ thuộc vào sự hoạt động chính xác của từng bộ phận.

Độ tin cậy của việc truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống điều khiển từ xa phụ thuộc rất nhiều vào kết cấu tin tức. Kết cấu tin tức bao gồm hai khía cạnh chính: lượng và chất. Về lượng, cần xác định cách biến đổi lượng điều khiển thành các loại xung phù hợp, và lựa chọn phương pháp hợp nhất các xung này để đạt được dung lượng lớn nhất và tốc độ truyền dẫn nhanh nhất. Về chất, cần xem xét các dạng sai sót có thể xảy ra trong quá trình truyền. Một trong những loại sai số được đề cập là sai số độc lập, trong đó một hoặc nhiều ký hiệu trong tổ hợp mã có thể bị sai lệch mà không liên quan đến nhau. Hiểu rõ và tối ưu hóa cả hai khía cạnh này là chìa khóa để xây dựng một hệ thống điều khiển từ xa hiệu quả và đáng tin cậy. Việc lựa chọn phương pháp mã hóa và điều chế tín hiệu phù hợp sẽ giúp giảm thiểu sai số và tối đa hóa hiệu suất truyền dẫn.

Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc hoặc liên tục (đã được rời rạc hóa), tín hiệu cần được biến đổi thành số (thường là nhị phân), mã hóa, và phát đi từ máy phát. Tại máy thu, tín hiệu trải qua quá trình giải mã và liên tục hóa. Mục đích của mã hóa tín hiệu là nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điều khiển từ xa, cụ thể là tăng tốc độ truyền và khả năng chống nhiễu. Các hệ thống điều khiển từ xa thường sử dụng mã nhị phân với hai phần tử [0] và [1]. Điều chế tín hiệu, hay mã hóa tín hiệu, là bước cần thiết để truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu. Điều chế tín hiệu dạng xung có nhiều ưu điểm, đặc biệt là khi sử dụng linh kiện kỹ thuật số, giúp cho linh kiện gọn nhẹ, công suất tiêu tán nhỏ và khả năng chống nhiễu cao. Các phương pháp điều chế như PPM, PWM, PAM và PCM được đề cập đến, trong đó PCM được đánh giá là phương pháp chính xác và hiệu quả nhất.

Điều chế mã xung (PCM) là một phương pháp mã hóa tín hiệu quan trọng trong hệ thống điều khiển từ xa. Trong PCM, mỗi mẫu biên độ của tín hiệu điều chế được biểu diễn bằng một số nhị phân, được thể hiện bằng nhóm xung. Sự hiện diện của một xung tương ứng với [1] và sự vắng mặt của xung là [0]. Tuy nhiên, với mã 4 bit, PCM chỉ có thể biểu diễn 16 biên độ khác nhau, dẫn đến độ chính xác không cao. Độ chính xác có thể được cải thiện bằng cách tăng số bit. Trong thực tế, tần số lấy mẫu cao hơn sẽ cho thời gian lấy mẫu nhỏ hơn, dẫn đến độ chính xác cao hơn nhưng đòi hỏi linh kiện có tốc độ xử lý cao. Các phương pháp điều chế xung khác như PPM, PWM, PAM cũng được đề cập đến, nhưng chúng có sự khác biệt về cách thay đổi biên độ, độ rộng, và vị trí xung. PCM cho kết quả tốt nhất do chỉ cần xác định sự hiện diện hoặc vắng mặt của xung.

Mã hóa và điều chế tín hiệu đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điều khiển từ xa. Quá trình mã hóa chuyển đổi các lệnh điều khiển thành tín hiệu số, thường là mã nhị phân gồm các phần tử [0] và [1], giúp tăng tốc độ truyền và khả năng chống nhiễu. Điều chế tín hiệu, một khía cạnh quan trọng của mã hóa, biến đổi tín hiệu thành dạng phù hợp để truyền qua kênh truyền dẫn. Trong hệ thống điều khiển từ xa, việc lựa chọn phương pháp điều chế tín hiệu thích hợp là rất quan trọng. Điều chế tín hiệu dạng xung được đề cập đến với ưu điểm là linh kiện gọn nhẹ, công suất tiêu tán nhỏ và khả năng chống nhiễu cao, phù hợp với các thiết bị kỹ thuật số hiện đại. Việc tối ưu hóa quá trình mã hóa và điều chế sẽ giúp tăng cường khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả của toàn bộ hệ thống.

Điều chế tín hiệu dạng xung được ưu tiên sử dụng trong hệ thống điều khiển từ xa do các ưu điểm vượt trội của nó. Với việc sử dụng linh kiện kỹ thuật số, phương pháp này giúp giảm kích thước và trọng lượng thiết bị, đồng thời tiết kiệm năng lượng nhờ công suất tiêu tán nhỏ. Khả năng chống nhiễu cao cũng là một lợi thế đáng kể. Nguyên lý hoạt động của điều chế tín hiệu dạng xung tạo ra các xung có biên độ không đổi, nhưng bề rộng của xung thay đổi tương ứng với biên độ tức thời của tín hiệu điều chế. Xung có độ rộng lớn nhất biểu thị biên độ dương lớn nhất, trong khi xung có độ rộng hẹp nhất thể hiện biên độ âm lớn nhất. Đây là một phương pháp hiệu quả giúp chuyển đổi thông tin analog thành tín hiệu kỹ thuật số để truyền tải một cách chính xác và hiệu quả qua các kênh truyền dẫn.

Điều chế mã xung (PCM) được xem là phương pháp chính xác và hiệu quả nhất trong các phương pháp điều chế xung. Trong PCM, mỗi mẫu biên độ của tín hiệu điều chế được biến đổi thành một số nhị phân, được biểu diễn bằng nhóm xung. Sự hiện diện của một xung thể hiện bằng [1] và sự vắng mặt bằng [0]. Tuy nhiên, độ chính xác của PCM phụ thuộc vào số bit sử dụng: mã 4 bit chỉ có thể biểu thị 16 mức biên độ khác nhau. Để cải thiện độ chính xác, cần tăng số bit, mỗi mã n bit có thể biểu diễn 2n mức riêng biệt. Tần số lấy mẫu cao hơn (thời gian lấy mẫu nhỏ hơn) cho độ chính xác cao hơn nhưng đòi hỏi linh kiện có tốc độ xử lý nhanh. Mặc dù tần số lấy mẫu thấp hơn cho thời gian lấy mẫu rộng hơn, nhưng độ chính xác lại thấp hơn. Thường người ta sử dụng tần số lấy mẫu khoảng 10 lần tín hiệu nhỏ nhất. PCM vượt trội hơn các phương pháp khác như PPM, PWM, PAM vì khả năng lọc nhiễu tốt do chỉ cần xác định sự hiện diện hay vắng mặt của xung.

Thiết bị thu hồng ngoại thường sử dụng các thành phần quang điện để chuyển đổi tín hiệu ánh sáng hồng ngoại thành tín hiệu điện. Các thành phần này bao gồm quang điện trở, phototransistor và photodiode. Quang điện trở, đặc biệt là loại được chế tạo từ Sulfit chì (PbS), có ứng dụng trong việc chỉ thị nhiệt động và trạng thái của vật thể đang được nung nóng ở nhiệt độ tương đối thấp (200ºC ÷ 400ºC), dựa trên đặc tuyến phổ của chúng trong vùng gần bức xạ hồng ngoại (1,8µm đến 2,5µm). Khi chưa chiếu sáng, dòng điện qua quang điện trở nhỏ nhất, gọi là dòng điện tối. Khi có ánh sáng hồng ngoại chiếu vào với bước sóng thích hợp, điện trở của tinh thể bán dẫn giảm đáng kể, tạo ra sự thay đổi dòng điện có thể được đo lường và xử lý. Điện áp trên quang điện trở Sulfit chì thường được giới hạn ở 15V, với công suất vài chục W để tránh phản ứng không thuận nghịch. Việc lựa chọn loại quang điện trở phụ thuộc vào phổ bức xạ của vật thể cần quan sát.

Diode quang hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi quang điện. Khi có ánh sáng chiếu vào, các điện tích trên mối nối p-n được giải phóng, tạo ra sức điện động trên hai cực của diode và làm xuất hiện dòng điện trong mạch. Diode quang có thể làm việc ở hai chế độ: biến đổi quang điện (đưa vào điện áp 20V, cực đại chọn lọc nằm trong khoảng 0,8µm ÷ 0,85µm) và phát quang. Phototransistor, với ba lớp n-p-n tạo nên hai tiếp giáp p-n, hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự. Một lớp ngoài có kích thước nhỏ để quang thông chiếu vào giữa lớp nền, lớp nền đủ mỏng để đưa lớp hấp thụ lượng tử quang đến gần tiếp giáp p-n. Mối nối BC được phân cực ngược hoạt động như một diode quang. Khi có quang thông chiếu vào, dòng điện được tạo ra sẽ tác động lên transistor, làm tăng dòng Ic nhiều lần so với dòng diode quang. Sự hoạt động của cả diode quang và phototransistor dựa trên sự chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, tạo ra tín hiệu điện tương ứng với cường độ ánh sáng thu được.

Mắt thu hồng ngoại, thường được bọc vỏ sắt, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điều khiển từ xa và ti vi. Để thu nhận hồng ngoại trung bình và xa, ví dụ từ cơ thể người hay vật nóng, người ta có thể sử dụng các detector với vật liệu Lithium titanat hay tấm chất dẻo Polyvinylidene fluoride (PVDF). Cơ thể người phát ra tia hồng ngoại với độ dài sóng từ 8µm đến 10µm. Một ví dụ về cấu tạo mắt thu hồng ngoại bao gồm vỏ chất dẻo có cửa sổ cho ánh sáng chiếu qua, phim thủy tinh với các điện cực hình lược, lớp bán dẫn giữa các điện cực, và lớp sơn trong suốt bảo vệ. Diện tích bề mặt làm việc của quang điện trở có thể thay đổi từ 0,01 đến 0,04 cm². Việc lựa chọn quang điện trở phù hợp phụ thuộc vào phổ bức xạ của vật thể cần quan sát. Ví dụ, quang điện trở Sulfit chì (PbS) được sử dụng để chỉ thị nhiệt độ của vật thể nung nóng ở nhiệt độ tương đối thấp.

Văn bản đề cập đến vi điều khiển MCS-51, với bộ điều khiển đơn chip 8051 của Intel (năm 1980) là sản phẩm đầu tiên. Họ MCS-51 hiện có hơn 250 biến thể khác nhau do nhiều công ty bán dẫn hàng đầu thế giới sản xuất, với sản lượng tiêu thụ trên 4 tỷ mỗi năm. Họ vi điều khiển này có khả năng ứng dụng rộng rãi, được tích hợp trong nhiều sản phẩm dân dụng như máy giặt, máy điều hòa, lò vi sóng, nồi cơm điện, cũng như các thiết bị y tế, viễn thông, và thiết bị đo lường, điều khiển trong công nghiệp. Cấu trúc cơ bản bao gồm CPU, bộ nhớ chương trình (ROM), bộ nhớ dữ liệu (RAM), các khối điều khiển ngắt, điều khiển bus, và mạch tạo xung nhịp. Giao tiếp giữa CPU và các khối bên trong được thực hiện qua bus dữ liệu 8 bit, bus địa chỉ, và các tín hiệu điều khiển khác. Cấu trúc này cho phép xem MCS-51 như một máy tính đơn chip 8 bit. Các chân cổng P0, P2, P3 có chức năng đa dạng, có thể làm cổng vào/ra hoặc thực hiện các chức năng khác như giao tiếp nối tiếp, nhận ngắt ngoài, hay điều khiển bộ nhớ ngoài.

Họ MCS-51 có không gian nhớ riêng cho chương trình và dữ liệu, cả trong và ngoài. Ví dụ với 89S52, miền RAM được định địa chỉ bit có 128 bit (16 byte 8 bit), từ 20h đến 1fh, mỗi bit có địa chỉ riêng. Miền các băng thanh ghi (00h đến 1fh) có 32 byte chia thành 4 băng, mỗi băng có 8 thanh ghi (R0 đến R7). Chỉ một băng thanh ghi được truy cập tại mỗi thời điểm (băng tích cực), được chọn bằng các bit RS0 và RS1 của thanh ghi PSW. Vùng 128 byte thấp của bộ nhớ dữ liệu RAM trong được chia thành 3 miền, trong đó có miền định địa chỉ bit, cho phép truy cập từng bit riêng lẻ bằng các lệnh xử lý bit. Vùng 128 byte cao của bộ nhớ dữ liệu trong (ở 8051) chỉ có các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR), trong khi 8052 có 256 byte RAM, vùng 128 byte cao chỉ truy cập gián tiếp, tránh xung đột với SFR truy cập trực tiếp.

Việc lập trình vi điều khiển MCS-51 có thể thực hiện bằng ngôn ngữ Assembler hoặc các ngôn ngữ bậc cao như C, Basic, Forth. Tập lệnh Assembler có 83 lệnh, chia thành 5 nhóm: số học, logic, chuyển dữ liệu, xử lý bit, và rẽ nhánh. Lệnh xử lý bit là điểm mạnh của MCS-51. Điều khiển LED ma trận cần sử dụng phương pháp quét (hiển thị động) thay vì hiển thị tĩnh để tránh hiện tượng nhấp nháy. Trong phương pháp quét, tín hiệu điều khiển được cấp theo dạng xung quét trên các hàng và cột có LED cần hiển thị. Tần số quét tối thiểu là khoảng 20Hz (50ms mỗi chu kỳ) để mắt không nhận thấy sự nhấp nháy. Để hiển thị một LED trên ma trận, cần cấp điện áp cao cho Anode của cột tương ứng và điện áp thấp cho Cathode của hàng tương ứng. Chỉ có LED nằm tại giao điểm của hàng và cột được cấp nguồn sẽ sáng. Các bảng quang báo với số lượng LED lớn hơn cũng được kết nối theo cấu trúc tương tự.

IC PT2248 là một linh kiện phát xạ mã hóa tia hồng ngoại rất thông dụng, được chế tạo bằng công nghệ CMOS quy mô lớn. Điện áp nguồn hoạt động trong khoảng 2,2V đến 5,5V. Do sử dụng công nghệ CMOS, IC PT2248 có công suất tiêu thụ cực thấp, dòng điện trạng thái tĩnh chỉ 10µA. Nó có thể hỗ trợ nhiều tổ hợp phím khác nhau với số lượng linh kiện ngoại vi tối thiểu. Mã số của IC PT2248 tương thích với nhiều quy mô khác nhau. Chỉ cần kết nối thêm linh kiện LC hoặc bộ dao động gốm là có thể tạo ra dao động. Những đặc điểm này làm cho IC PT2248 trở thành một lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng đòi hỏi tiết kiệm năng lượng và độ tin cậy cao, đặc biệt là trong các hệ thống điều khiển từ xa.

IC PT2248 tích hợp bộ đảo pha CMOS, điện trở định thiên, và bộ dao động (có thể sử dụng thạch anh hoặc mạch cộng hưởng). Tần số dao động thiết kế là 455kHz, tạo ra tần số phát xạ sóng mang là 38kHz. Dao động chỉ được tạo ra khi có thao tác nhấn phím, giúp tiết kiệm năng lượng. IC PT2248 có thể tạo ra bàn phím 6x3 theo kiểu ma trận thông qua các chân K1 đến K6 và đầu ra thời gian T1 đến T3. Tại T1, 6 phím có thể được sắp xếp để tạo thành 63 trạng thái tín hiệu liên tục. T2 và T3 chỉ hỗ trợ phím đơn, mỗi lần nhấn phím chỉ phát ra một nhóm xung điều khiển. Nếu nhiều phím cùng hàng được nhấn, ưu tiên sẽ là K1>K2>K3>K4>K5>K6. Tương tự, nếu nhiều phím cùng cột được nhấn, ưu tiên sẽ là T1>T2>T3. IC này rất hiệu quả về mặt năng lượng do chỉ tiêu tốn điện khi có tín hiệu từ phím bấm.

Phần thu nhận được tín hiệu từ IC PT2248, bao gồm đồng thời 5 chức năng, và được trang bị bộ tạo dao động RC. Một bộ lọc số và bộ kiểm tra mã được tích hợp để loại bỏ nhiễu từ các nguồn sáng khác như đèn PL, đảm bảo độ nhạy của mắt thu. Dữ liệu nhận được được lưu vào thanh ghi 12 bit. Dữ liệu đầu tiên được đưa ra bộ đệm ngõ ra nếu mã khớp với mã của phần phát, nếu không khớp, quá trình lặp lại. Khi dữ liệu được xác nhận, ngõ ra chuyển từ mức thấp lên cao. Vi mạch 4013 (chứa hai Flip-Flop D) được sử dụng, với các chân đặt trực tiếp (S0), xóa trực tiếp (CD). Dữ liệu được chấp nhận tại CP ở mức thấp và chuyển đến ngõ ra khi có cạnh dương của xung đồng hồ. Khi CD và S0 cùng ở mức cao, ngõ ra Q và QN đều ở mức cao. Nhấn phím tạo ra chuỗi xung tác động đến phần thu, sau giải mã, tín hiệu tác động đến xung clock (chân 3), mạch chốt hoạt động, dữ liệu được nạp vào ngõ ra Q. Quá trình này lặp lại khi nhấn phím nhiều lần.