CN1527734A - 无线电控制玩具车用通讯系统 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种用来从遥控器(210)传送控制信号到玩具车的通讯系统。该遥控器包括控制开关、一个编码器及一个发射器(224)，而该玩具车根据接收到的控制信号来控制玩具车操作。该编码器可产生由控制信号信息包(100)构成的连续的数据流(102)，每个信息包(100)包括预定数量的双相位编码位节。每个双相位编码位节具有为50％工作周期的相同预定宽度并且包含两个传送元件。在一种二进制状态，两个传送元件是相同的，而在另一种二进制状态，两个传送元件是相反的。每个信息包(100)均包含第一预定数量的旗标位节(104)、第二预定数量的数据位节(108)及至少一个核对和位节(106)。

Description

无线电控制玩具车用通讯系统
相关申请的说明
本专利申请是根据于2001年2月8日提出申请、名为“无线电控制玩具车的通讯方案”的美国专利申请案号60/267,247来提出专利申请，该美国专利申请的主要发明内容在此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种无线电控制玩具车，尤其是涉及用来控制这种玩具车的通讯系统。
背景技术
目前已经开发出了多种可用来遥控玩具车操作的通讯系统，在其中的一种通讯系统中，控制数据信息包是通过连续的数据流的形式将无线电信号从遥控装置传送到玩具车。每种数据信息包包括标记位节(W2)和数据位节(W1)两种位节。现有的通讯系统中所采用的典型数据信息包的实例在图6中示出。如图6所示，每个标记位节具有75％工作周期，而且每个标记位节在上升缘之间比具有50％工作周期的数据位节要长两倍。每一个数据信息包包括四个位于前列的标记位节，之后则是不定数量的数据位节，而信息包中数据位节的数量取决于所要传送的控制信号。用来控制玩具车操作的数据是编码在信息包中的数据位节里的。例如，一个信息包中10个数据位节可能是使玩具车前进的指令，一个信息包中28个数据位节可能是使玩具车前进并左转的指令，而一个信息包中34个数据位节可能是使玩具车前进并右转的指令等。每个数据位节的宽度都相同，并且用于各个玩具车命令信号的数据位节与用于任何其他命令信号的数据位节以至少6个位节间隔开来，以便于解码及信息包位准错误的检查。例如，接收到的一个有11个数据位节的信息包可能会被玩具车中的接收/解码器解读为一项错误。
虽然现有通讯系统所使用的数据编码方案已足以控制具备有限可控特征的玩具车，但随着玩具车可控特征数量的增加，这些现有的编码方案中所需要的信息包长度也变得越来越长而令人难以接受。例如，在具有基本四项功能的玩具车控制器中使用上述现有编码方案时，所传送的最长命令为64位数据位节，当与四个标记位节连用时，则形成总共144个传送元件(每个位节有2个传送元件)。由于在现有编码方案中，每个传送元件长度为315微秒，四项功能玩具车控制器的最长信息包将因此大约有45毫秒。据统计，与较短的信息包相比，这种冗长的数据信息包将更容易受到间歇性电波杂音的干扰，尤其是所控制的玩具车处在无线电发射器/接收器通讯范围限定的距离之内时。
采用现有技术中每个可能的命令使用特定数量的数据位节的编码方案来控制一辆具有更多功能的玩具车时显得更无法令人接受。例如，较新型玩具车包括一个用于转向功能的7位置控制器、一个用于驱动功能的7位置控制器及高达三项的额外控制功能(称为“技巧”(twist)功能)。控制这种玩具车需要高达147中单个的命令编码(7×7×3)，而如果实行以6个数据位节来分隔命令的现有的编码方案，最长的命令将会有大约900个数据位节，这需要500毫秒以上的时间来传输。这种冗长的命令信号将会过分地限制这种玩具车的敏感度及范围从而使得其游戏价值降低。
此外，现有的编码方案中没有“停止”命令，而是将玩具车设计成在一段预定时间内(约50毫秒)没有接受到命令信号时即会停下来。因此，当游戏者松开所有控制开关以便让玩具车停下来时，控制器不传送信号而玩具车在实际停止前仍然会沿当时的行驶方向多行驶至少50毫秒。而如果玩具车收到其他杂音信号，玩具车还将继续行驶至少50毫秒，因为接受器无法确定一项停止命令(不传送信号)是否已经被提出。
本发明提供了一种具有克服了现有编码方案尤其是用来控制具有多种可控功能的玩具车的数据编码方案的众多问题的通讯系统。在本通讯系统，将使用仅包含16个位节的数据信息包来传输所有控制信号至玩具车。这样，每个数据信息包的时间长度被最小化以便提高敏感度并降低在数据传输过程中产生电波杂音的可能性从而增加了可控范围并仍可提供足够的信息控制玩具车的多个功能。另外，本通讯系统使用的编码方案采用了双相位编码位节(50％工作周期)且被读位节位于每个传送元件中间使得接收距离最大化，从而有效的降低了发生解码瞬变或产生错误数据的可能性。此外，在本发明的通讯系统中，当控制开关位于关闭位置时遥控器将向玩具车传送一个肯定的、与众不同的“停止”信号，从而可以快速有效地使玩具车停下，同时还更好地避免了现有技术中可能发生的接收错误。最后，本发明使用了一种寻找每个传送元件的中点的数位锁相回路从而提供了增强的同步效果，而减少了读取错误数据的可能性。本发明的通讯系统提供了较短的数据信息包，这不仅缩短了反应时间还获得了更大的操作范围并提高了通讯的正确性。
发明内容
简要地来说，本发明提供了一种用来从遥控器传送控制信号至玩具车的通讯系统。该遥控器包括控制开关、一个编码器及一个发射器。该玩具车包括一个接收器、一个解码器及用来根据从遥控器接收到的控制信号来控制该玩具车操作的致动器。在该通讯系统中，编码器将产生一个由控制信号信息包构成的连续的数据流，每个信息包包括预定数量的双相位编码位节，而每个双相位编码位节具有为50％工作周期的相同预定宽度并包括两个传送元件。一种二进制状态被限定为一个位节的两个传送元件是相同的，而另一种二进制状态被限定为一个位节的两个传送元件是相反的。每个数据信息包包括第一预定数量的在所有数据信息包中均相同的旗标位节、第二预定数量的随控制开关的位置变化而变化的数据位节及至少一个核对和位节。
附图说明
结合以下附图可以更容易理解前述的概要说明及下述的本发明优选实施例的详细说明。为了阐述本发明，已经在附图中示出了目前的优选实施例。然而，可以理解的是，本发明并不仅限于所阐述的特定配置及部件。在附图中：
图1图解示出了本发明中优选的控制信号信息包；
图2是优选的遥控器的各主要功能组件的功能性示意框图；
图3是优选的玩具车的接收/解码器的各主要功能组件的功能性示意框图；
图4是说明遥控器编码部分运行方式的功能性流程图；
图5A-1、图5A-2、图5B-1及图5B-2共同构成了说明解码器运行方式的功能性流程图；而
图6图解示出了现有技术中的控制信号信息包。
具体实施方式
请参阅附图，相同的元件标号用来表示所有附图中相同的元件。在图1中示出了本发明的优选实施例中的一个控制信号信息包100的图解。在优选实施例中，一个最好是基于微处理器的编码器(图1中未示出)被用来产生一个如图1所示的由控制信号信息包100构成的连续的数据流102。数据流102中的每一个信息包100包括有预定数量的位节，虽然可以根据需要使用较多或较少数量的位节，但在本实施例中是16位节。在本实施例中，所使用的每个双相位编码位节具有预定的相同宽度并且使用每个编码位节包括两个传送元件的50％工作周期。也可以使用另一种编码方式及/或其他不同的工作周期。在本实施例中，一种二进制状态，即二进制的“0”，被限定为每个位节中的两个传送元件是相同的，而另一种二进制状态，即二进制的“1”被限定为每个位节中的两个传送元件是相反的。使用这种双相位编码方案的优点是它可通过读取每个传送元件的中心部分来读取位节的状态。因此，当一个位节里的两个传送元件的中心部分是相同的时(即均是“开”或均是“关”)，相应的位节则被解码为二进制的“0”，而如果一个位节里的两个传送元件的中心部分是相反的时(即一个是“开”，另一个是“关”)，相应的位节则被解码为二进制的“1”。
如图1所示，在本实施例中，每个信号信息包100包括有16个位节，而位于前列的6个位节是作为旗标位节104。用来控制特定玩具车的每个控制信号信息包100的旗标位节104最好是相同的，例如是“011111”，以便于玩具车上的接收器的解码器能容易地辨别出每个信息包100的开始或前列位置。如果需要，也可采用其他数量或其他组态的旗标位节104。
在信号信息包100中接在旗标位节104之后的2个位节是核对和位节106(C0和C1)，在本实施里中核对和位节106是通过加总信息包100中的数据位节108中所有的“1”并取总和的最低两位作为核对和位节106而确定的。根据需要，也可用更多或更少数量的位节作为核对和位节106或者也可取消核对和位节106。此外，也可以采用其他方式来确定核对和位节106。
在信号信息包100中接在核对和位节106之后的8个位节是用来控制玩具车实际操作的数据位节108。其中，前三个数据位节110(D0、D1及D2)是作为玩具车不同的驱动命令，紧接的三个数据位节112(S0、S1及S2)是作为玩具车的转向命令而最后两个数据位节114(T0和T1)可能被指定为与遥控器上的特技按钮相对应的“技巧”(twist)位节。通过将数据位节108分为三个二进制编码的十进制字段110、112及114，从而可以在一个16位节的信号信息包100中传送包括多达7个不同的驱动命令、多达7个不同的转向命令及多达3个不同的“技巧”(twist)命令的控制信号。每一个传送元件大约为315微秒，因而一个信号信息包100的总长度将大约为10毫秒，这比现有通讯方案中所采用的最短的命令信号还要短的多。这种相当短的信号信息包100可以更容易地被玩具车接收，还不会产生电波杂音干扰，从而提供了更远的控制范围。即使是使用同样的传送及接收设备，这种较短的信号信息包100还是能提高敏感度而获得最大的可接收距离。
本实施例的另一项特征是使用了“停止”信号信息包100，在遥控器(图1中未示出)的控制开关被松开以表示游戏者希望玩具车停止时，这种“停止”信号信息包100将被自动编码并传送。在图1中示出了目前优选的“停止”命令的信号信息包。在任何没有控制开关被致动或压下的时候使用一个明确的停止命令使得玩具车上的接收器能够立刻做出反应而不会如现有通讯方案中那样出现一个实际上的缓冲期，在现有通讯方案中，玩具车仍将继续按照之前收到的命令信号行驶直至接收器意识到不会再有进一步的命令(即停止状态)。在本实施例中，停止命令是驱动数据位节110及转向命令112均等于“3”而“技巧”(twist)位节114等于“0”，这分别代表速度控制开关处于停止位置、转向开关处于中间位置、没有“技巧”(twist)按钮被按下。数据位节中有四个“1”，核对和位节当然就如图所示地均为“0”。
图2是优选的遥控器210的各主要功能组件的功能性示意框图。在图2中所示的遥控器210是一种为本领域普通技术人员所熟知的、用来控制无线电控制的玩具车操作的典型的遥控器。相应地，虽然在图2中示出了一个目前优选的遥控器210，但本领域普通技术人员应当了解，上述的通讯系统或方案也可以采用其他任何合适的遥控器。
遥控器210包括一个具有微处理器212的编码部分，其功能是控制遥控器210的其他组件的运行并产生如前所述的信号信息包100。微处理器212最好是本领域普通技术人员熟知的类型。微处理器212的具体结构和功能已被本领域普通技术人员所熟知，在此不再详细说明。遥控器210最好是由电池供电，而该电池最好是可充电型或不可充电型的9伏电池214。电池214的电力将通过一个电压调节器输入至微处理器中212，在本实施例中采用的是4.3伏的电压调节器216。使用一个实际输出电压比电池的峰值电压低的电压调节器216使得即使电池214的输出电压下降仍可以操作遥控器210。电压调节器216最好是本领域普通技术人员熟知的并能从市场上购得的类型。后述的遥控器210的其他组件也是由电池214供电的。使用一个发光二极管(LED)与电池214相连以便向游戏者指示电池剩余的电量。
该遥控器210包括多个可由游戏者启动以控制玩具车的操作的控制开关(图未示出)。典型地，其中一个控制开关(可能是控制杆型开关)用来决定玩具车在朝前或朝后行驶时的速度(驱动控制开关)，第二个控制开关(也可能是控制杆型开关)用来控制玩具车的转向(左转、右转或直线行驶)，还有一个或多个控制开关(可能是按钮开关)用来提供玩具车的“技巧”(twist)功能，如发出声音、闪光、使玩具车翻转等。游戏者控制开关可以是控制杆型开关、按钮、游戏摇杆等形式。不管控制开关是何种形式，每个控制开关的各个位置将可产生作为微处理器212的输入信号220、222的控制信号。微处理器212接收到这些从控制开关传来的输入信号并通过产生相应的数据位节108而对控制信号编码，这些数据位节108均编在每个信号信息包100内。微处理器212实际上还同时计算出同样编在相应的每个信号信息包100内的核对和位节106。最后，微处理器212产生旗标位节104，正如前面所述，一辆特定的玩具车的旗标位节104总是相同的。微处理器212将以如图1所示的方式串起旗标位节104、核对和位节106及数据位节108而形成一个16位节的控制信号信息包100以便传送至玩具车。微处理器产生各个控制信号信息包100的后续基本步骤在图4中以流程图410示出。只要控制开关保持在同一位置，微处理器212将持续产生同样的控制信号信息包100而形成一个连续的数据流102。如果任何一个控制开关的位置发生了改变，微处理器212感应到这一改变并产生一系列的新的控制信号信息包100，并且将持续的产生直到微处理器212感应到控制开关的位置再次发生改变。
遥控器210还包括一个发射器部分224，该发射器部分224包括一个无线电频率振荡器226，该无线电频率振荡器226最好是一个晶体控制的振荡器并包括一个晶体228。在本优选实施例中，晶体228是一个振荡频率为49.860MHz的晶体。然而，本领域普通技术人员应当意识到可以替换成具有其他频率的一些晶体，以及振荡器226也未必一定是晶体控制振荡器。
来自振荡器226的输出信号将通过无线电频率输出放大器230进行放大。无线电频率输出放大器230也接收来自微处理器212的控制信号信息包100并用该控制信号信息包100来调制从振荡器226接收到的无线电频率载波信号。无线电频率输出放大器230的输出信号将通过一个天线匹配网络232输入至一个适当的天线234以便发射信号。该无线电频率输出放大器230、天线匹配网络232及天线234均是无线电控制玩具车领域的普通技术人员所熟知的类型。该领域的普通技术人员应当意识到，如果需要，也可使用其他传送微处理器212产生的控制信号信息包100的方法来代替。同样地，遥控器210也可以使用微处理器212以外的其他结构来将游戏者输入开关的信号220、222编码位控制信号信息包100。
图3示出了一辆用图2中所示的遥控器210控制的玩具车的优选的接收/解码器310的功能性示意框图。该接收/解码器310包括一个用来接收并解调来自遥控器210的信号的接收部件。该接收部件包括一个天线312、一个接收/解调器314及一个高增益差分放大器316。该天线312是玩具车领域的普通技术人员所熟知的类型。接收/解调器314最好是超再生型的并且可调整为遥控器210发射器部分224的频率。在本实施例中，传送及接收频率为49.860MHz。然而，本领域的普通技术人员应当意识到，可以用任何其他合适的频率来替代。接收/解调器314的具体结构是本领域的普通技术人员所熟知的，在此不再详细说明。应当理解，可以用任何其他适当类型的接收器来替代。接收/解调器314的解调输出信号将输入至高增益差分放大器316，而高增益差分放大器316以本领域普通技术人员所熟知的方式放大该信号。
如图3所示，接收/解码器310有一个电池318供电，在本实施例中，使用的是7.2伏镍镉TMH电池。本领域的普通技术人员应当意识到，可以用其他类型的具有相同或不同的电压的电池来替代。该接收/解调器314及高增益差分放大器316也是由该电池318通过一个调节电路320来供电的，该调节电路320是以本领域的普通技术人员所熟知的方式运行来提供一个调节的输出电压。调节电路320的具体结构及操作对本发明并不重要，在此不再叙述。不管电池318的电压级别为多少，该调节电路320运行来提供一个预定级别的调节的直流输出电压就足够了。
接收/解码器310的核心部分是一个微处理器322(MCU)。该微处理器322也是由调节电路320通过一个电力供应过滤器324来供电的。微处理器322将接收来自高增益差分放大器316的经解调放大的数字信号，并在预先安装的软件程序的基础上读取并解码所接收到的信号，然后利用已解码的数据产生控制信号以便于根据已解码的控制信号来控制玩具车的马达的运转。一个电阻程序化振荡器326被用来向微处理器322提供时钟信号。微处理器322的一个输出控制信号将输入到包括有一个高能驱动马达H形桥接器328第一致动器以便控制两个驱动马达(M1和M4)330。一个热阻器332被用来感应驱动马达330的温度并通过一个热阻电路334提供反馈信息给微处理器322。这样，微处理器322可以运行以防止任意一个驱动马达330过热。微处理器322的另一个输出控制信号将输入到包括有一个中能转向马达H形桥接器336的第二致动器以便控制转向马达(M3)338。该转向马达338包括一个转向接触电刷反馈/印刷电路板340，该转向接触电刷反馈/印刷电路板340可以向微处理器322提供一个编码的反馈信号以便微处理器322可以持续地知道转向马达338的位置。微处理器322的第三输出控制信号将输入到包括有一个中能车身马达H形桥接器342的第三致动器以便控制“技巧”(twist)马达(M2)344。一个与“技巧”(twist)马达344相连的车身接触电刷反馈/印刷电路板346根据“技巧”(twist)马达344的位置提供一个编码的反馈信号给微处理器322。
本领域的普通技术人员应当意识到，虽然在本实施例中使用了一个微处理器322来解码所接收到的控制信号并产生控制玩具车的不同马达330、338、344的控制信号，但是也可用本领域普通技术人员所熟知的任何其他适合的控制方案来替代。
图5A-1、图5A-2、图5B-1及图5B-2共同构成了一个功能性流程图以说明微处理器322为控制不同的玩具车马达330、338、344的操作而所采用的软件或固件的运行流程。本领域的普通技术人员应当意识到，微处理器322可以以不同于流程图510中所示的方式来运行。因此，流程图510应当仅被视为控制程序可能运行的多种方法中的一个例子。
如上所述，在本优选实施例中，由微处理器322进行的对所接收到的控制信号解码过程并不是通过查看位节的边界进行的，而是通过查看每个双相位位节的传送元件的中点来进行的。通过这种方式，只要信号在传送元件的中点是其应当的状态即可，而不管在信号线上是否还有其他额外的杂音点。如果杂音点位于一个传送元件的中点，微处理器322必须具有鉴别该数据信息包是否被掺杂了的能力。为此，微处理器322的存储部分的固件中配置有一个数字锁相回路(digital phase-locked loop，DPLL)。该DPLL寻找每个位节中段的边界以便于同步化。如果边界出现在该DPLL所期望的位置，则DPLL将保持其当前的同步时钟而在相位上不会发生移位。如果直到该DPLL所期望发生的时间之后数个时钟单位后才出现边界，DPLL将稍稍延迟其时钟几个单位以减少相位差异。但不会以移相位来与接收到的信号完全匹配，因为那样的话将使得DPLL的时钟跳动。而是以DPLL仅朝进入信号方向移动一部分来替代。这样，一个新的数据流将需要一些时间来与DPLL同步，但是一旦数据流进行流动，DPLL就具有更好的机会来保持同步。DPLL因此提供了具吸引力的、简单的方式来获得并保持与数据流的同步，而不会受到一个位节延迟的边界或一个杂音位节的制约。此外，通过以信息包之间没有延迟的连续的数据流102来传送信号信息包100，数据流102的相位不会改变而且DPLL可以更有效的进行同步化。
在本优选实施例中，微处理器322不会以断续的方式运行，相反地，微处理器322将周期性的运行，每个周期的一部分将执行一项确定的功能，包括运行DPLL例行程序、读取所接收到的数据位节、产生控制输出信号等等。然而，本领域的普通技术人员应当意识到，微处理器322也可以根据需要以断续的方式运行，而且，也可使用上述的DPLL以外的同步化方式来替代。
综上所述，可以看出本发明包括一个改进了的用于控制一辆遥控玩具车操作的通讯方案。应当认识到，本领域普通技术人员根据上述实施例所做的变化将不背离本发明的发明思想。因此，应当理解，本发明并不限于上述的具体实施例，并且本发明将包括在所附的权利要求书所限定的实旨及范围内的各种变化。

Claims (12)

1.一种用来从遥控器传送控制信号至玩具车的通讯系统，该遥控器包括控制开关、一个编码器及一个发射器，该玩具车包括一个接收器、一个解码器及用来根据从该遥控器接收到的控制信号来控制该玩具车操作的致动器，其特征在于：
该编码器产生一个由控制信号信息包构成的连续数据流，每个信息包包括一个预定数量的双相位编码位节，而每个双相位编码位节具有为50％工作周期的相同的预定宽度并且包括两个传送元件，其中在一种二进制状态被限定为一个位节的两个传送元件是相同的，而在另一种二进制状态被限定为一个位节的两个传送元件是相反的，每个信息包包括有在所有信息包中均相同的第一预定数量的旗标位节、随着控制开关位置的变化而变化的第二预定数量的数据位节及至少一个核对和位节。
2.如权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：二进制的“0”是限定为一个位节的两个传送元件是相同的，二进制的“1”是限定为一个位节的两个传送元件是相反的。
3.如权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：每个数据信息包均包括16个位节。
4.如权利要求3所述的通讯系统，其特征在于：第一预定数量的旗标位节的数量是6。
5.如权利要求4所述的通讯系统，其特征在于：第二预定数量的数据位节的数量是8。
6.如权利要求5所述的通讯系统，其特征在于：数据位节中有三个位节用来控制玩具车的驱动功能，还有三个位节用来控制玩具车的转向功能。
7.如权利要求6所述的通讯系统，其特征在于：数据位节中其余的两个位节用来控制玩具车额外的功能。
8.如权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：数据信息包包括两个核对和位节，该核对和位节是由加总数据位节里所有的1并取该总和的最低两位作为核对和位节。
9.如权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：旗标位节是在每个数据信息包的前列位置，随后依次是核对和位节及数据位节。
10.如权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：解码器是读取位于数据信息包中的每个位节的每个传送元件的中部的已接收的控制信号。
11.如权利要求10所述的通讯系统，其特征在于：解码器包括一个微处理器。
12.如权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：接收器包括一个使解码器与接收到的数据流同步的数字锁相回路。
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