基于nRF9E5和火線的單線制射頻遙控開關(guān)設(shè)計(jì)

摘要 首先介紹51兼容的射頻SoC（片上系統(tǒng)）nRF9E5模塊和火線處理的獨(dú)特電路；然后闡述該控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)符合電工安全規(guī)范的單線制射頻遙控開關(guān)；最后論述該方案在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞 nRF9E5 火線 單線制 開關(guān)

引言

　　傳統(tǒng)的機(jī)械式墻壁開關(guān)，是一開一關(guān)的簡(jiǎn)單控制方式，且大多是在86型暗盒上實(shí)現(xiàn)的。要想在86×86×50的暗盒里實(shí)現(xiàn)射頻遙控開關(guān)，就必須考慮到幾個(gè)因素：86型暗盒的空間；只有1根火線，無零線，不能再布線；不能影響被控電器原功能的使用；1個(gè)遙控器（即上位機(jī)中央集成控制系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)開關(guān)終端控制（一對(duì)多），并且與其他遙控器不能發(fā)生沖突。

　　基于上面必須考慮的幾個(gè)因素，提出一種無線射頻解決方案，采用內(nèi)置增強(qiáng)型51兼容的單片機(jī)集成一體化射頻芯片nRF9E5[1]來實(shí)現(xiàn)一對(duì)多功能；在單一火線上實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制和為控制系統(tǒng)提供電源，構(gòu)成一個(gè)低成本、適合裝入86型暗盒，無須任何改裝，無須附加任何外圍器件的單線制射頻遙控開關(guān)系統(tǒng)。圖1所示的主框圖，突破了傳統(tǒng)電工產(chǎn)品單線制（即無零線）供電方式的限制，所有射頻遙控開關(guān)都是按照電工安全規(guī)范布線（即零線不入開關(guān)）[2]，徹底解決了單線制接入技術(shù)。

圖1 單線制射頻遙控開關(guān)主框圖

1  控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1  nRF9E5功能介紹

　　nRF9E5是Nordic VLSI公司推出的系統(tǒng)級(jí)RF芯片，內(nèi)置增強(qiáng)型8051兼容微控制器、433/868/915 MHz的nRF905射頻收發(fā)器和4路輸入10位80 kbps A/D轉(zhuǎn)換器。芯片嵌入了電壓調(diào)整模塊，最大限度地抑制噪聲，可工作在1.9 V～3.6 V的單電源上，待機(jī)功耗為2 μA，QFN5×5封裝。由于nRF9E5集成度高，功能強(qiáng)，功耗低，很適合用于小型化和低壓場(chǎng)所的射頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.1.1  增強(qiáng)型51內(nèi)核微控制器

　　nRF9E5的片內(nèi)微控制器與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容，指令時(shí)序與標(biāo)準(zhǔn)的8051稍有不同：nRF9E5的內(nèi)置微控制器的指令周期為4～20個(gè)指令周期。中斷控制器支持5個(gè)擴(kuò)展中斷源：ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時(shí)器中斷。微處理器除了256B的數(shù)據(jù)外，還擴(kuò)展了512B的ROM和4 KB的RAM，并擴(kuò)展了2個(gè)數(shù)據(jù)指針，以便從XRAM區(qū)讀取數(shù)據(jù)。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后，處理器自動(dòng)執(zhí)行ROM引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶表1nRF9E5工作模式TRX_CETX_EN工作模式0×待機(jī)模式10射頻接收模式11射頻發(fā)送模式程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從EEPROM加載到4 KB的RAM中。如果應(yīng)用中不用內(nèi)含ROM的nRF9E5，則程序代碼必須從外部加載，比較常見的是通過SPI接口連接型號(hào)為25320的EEPROM。而SPI接口引腳是MISO、SCK、MOSI和EECSN，其中MSIO、SCK和MOSI與P1口的低3位復(fù)用，通過寄存器SPI_CTRL來控制功能間的切換。

　　nRF9E5內(nèi)置有10位ADC，A/D轉(zhuǎn)換參考電壓可通過軟件設(shè)置在AREF和1.22 V之間（內(nèi)部參考電壓）。A/D轉(zhuǎn)換器的4個(gè)輸入可通過軟件進(jìn)行選擇，默認(rèn)工作于10位方式，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。nRF9E5 還增加了CKLF時(shí)鐘、RTC喚醒定時(shí)器、GPIO喚醒和WTD，以及一些特殊功能寄存器。更多的功能擴(kuò)展可查詢參考文獻(xiàn)[1]。

1.1.2  nRF9E5收發(fā)模塊

　　nRF9E5收發(fā)器通過內(nèi)部SPI口與其他模塊進(jìn)行通信，具有同單片射頻收發(fā)器nRF905相同的功能：載波監(jiān)測(cè)輸出CD，可避免空間無線通信碰撞；地址匹配輸出AR，易于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線通信設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)接收就緒DR，便于節(jié)能設(shè)計(jì)，滿足低功耗設(shè)計(jì)要求。內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC效驗(yàn)，只需通過SPI即可完成所有的無線收發(fā)傳輸。輸出功率、頻道和其他射頻參數(shù)可通過對(duì)特殊功能寄存器RADIO(0xA0)編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式下，射頻電流消耗為11 mA，接收模式下為12.5 mA。

　　nRF9E5使用SPI接口進(jìn)行內(nèi)置微處理器與無線模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。nRF9E5的收發(fā)器有3種工作方式： ShockBurst接收(RX)方式、ShockBurst發(fā)送(TX)方式和空閑方式。nRF9E5收發(fā)器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE和 TX_EN決定，詳見表1。

表1  nRF9E5工作模式

1.2  火線開關(guān)和火線取電電路設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的機(jī)械式墻壁開關(guān)，大多是裝在86型暗盒上的，一般可以通過10 A的額定電流，是一個(gè)功率器件控制開關(guān)。要設(shè)計(jì)能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式墻壁開關(guān)的控制系統(tǒng)，首先要從功率上考慮，選擇能控制大于10 A電流的功率器件；然后是功能的實(shí)現(xiàn)，即為負(fù)載提供的火線開通和切斷，并能為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定續(xù)流的電源；最后是電子元器件體積的選擇。

　　為了簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，火線開通和切斷選用5 V直流控制繼電器，最大通過15 A的220 V交流電壓即可。在繼電器開通時(shí)，選用IRL3803S[3]大功率場(chǎng)效應(yīng)管，其內(nèi)置的穩(wěn)壓二極管，既可為系統(tǒng)提供電源，也可為負(fù)載提供通路。因其額定工作電流ID=140 A，故可以不帶散熱片直接使用，在86型暗盒里特別有效。在繼電器斷開時(shí)，市網(wǎng)電壓主要落在控制系統(tǒng)上，而控制系統(tǒng)只需6 V直流電源，因控制系統(tǒng)功耗低，故主要壓降可由1/4 W的金屬膜電阻來承擔(dān)；同時(shí)，選用BVCBO≥600 V的硅NPN 大功率晶體管13002作為控制系統(tǒng)電源的調(diào)整管。

　　由圖1主框圖可知，控制系統(tǒng)是串聯(lián)在被控電器的前端，用來代替86型墻面機(jī)械開關(guān)的。由于沒有零線，加之又不能重新布線，因此只能在火線上考慮如何保留開關(guān)功能和如何為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的續(xù)流電源。圖2所示的火線開關(guān)和火線取電電路，分為繼電器斷開和繼電器閉合兩部分。顯然，場(chǎng)效應(yīng)管 IRL3803S、晶體管13002、6 V直流控制繼電器、R1和R2金屬膜電阻為關(guān)鍵元器件。

圖2  火線開關(guān)和火線取電電路原理

圖3  nRF9E5外圍電路原理圖

　　市網(wǎng)電壓220 V剛來時(shí)，或者是微控制器發(fā)送關(guān)斷信號(hào)時(shí)，繼電器J1斷開，220 V交流電壓主要落在控制系統(tǒng)上。交流電壓經(jīng)過D3半波整流，R2降壓，經(jīng)Q4與Q5組成一個(gè)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，提供6 V電壓。由于整個(gè)系統(tǒng)功耗較小，經(jīng)過計(jì)算，金屬膜電阻R2的阻值為20 kΩ，功率為1/4 W，可為控制系統(tǒng)提供在繼電器斷開時(shí)的主要壓降。

　　當(dāng)要求被控電器工作時(shí)，微控制器提供開通信號(hào)，使J1合上，并使220 V市網(wǎng)電壓主要落在被控電器上，不影響被控電器的正常工作?？刂葡到y(tǒng)的取電由IRL3803S來提供，其內(nèi)置一個(gè)30 V的單向穩(wěn)壓管，在IRL3803S未開通時(shí)，可提供最大30 V的單向交流電壓。經(jīng)D1整流，Z1、Z2為不同的穩(wěn)壓值，Q1、Q2、Q3配合下組成不同的控制信號(hào)，使IRL3803S導(dǎo)通或斷開；一為負(fù)載提供通路，二為控制系統(tǒng)提供續(xù)流6 V的穩(wěn)壓電源。

　　在此環(huán)境下，建議不使用開關(guān)電源。開關(guān)電源電路復(fù)雜，輸出電壓波紋系數(shù)大，電路干擾大，在86型暗合空間里不易設(shè)計(jì)抗干擾電路，而且容易使nRF9E5接收數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生混亂。

1.3  nRF9E5外圍電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)單線制火線開關(guān)的實(shí)際需要，nRF9E5的外圍電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　由圖3可知，nRF9E5的專有外圍電路——9.5 mm×9.5 mm環(huán)形天線電路（868 MHz）、25XX320 EEPROM電路、TPS70630電源轉(zhuǎn)換電路，就可完成nRF9E5控制數(shù)據(jù)的射頻接收和發(fā)送?；鹁€開通和切斷由nRF9E5的P0.1來控制，開關(guān)工作狀態(tài)紅綠指示燈則由P0.5、P0.6提供。圖2中的取樣電阻R1輸出③經(jīng)10nF電容濾波后，一方面作為模擬電壓送到nRF9E5的AIN0輸入端，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)Data。綠指示燈閃爍頻率f=Data*Pre（Pre為取樣取整參數(shù)，使f=0.5 Hz～16 Hz），表示被控電器的負(fù)載輕重；另一方面當(dāng)負(fù)載過重或有短路現(xiàn)象時(shí)，R1輸出③使1 V穩(wěn)壓管擊穿，Q6飽和，Q8、Q9截止，J1切斷;同時(shí)使P0.3觸發(fā)INT0中斷（圖3未畫出），P0.2輸出1 kHz方波使蜂鳴器報(bào)警，綠指示燈滅，紅指示燈以16 Hz（最高）閃爍。

　　K1為自彈起開關(guān)，與外面板連在一起，保留原機(jī)械開關(guān)的手動(dòng)功能。當(dāng)按動(dòng)開關(guān)K1時(shí)，P0.4（即INT1中斷輸入）為低電平觸發(fā)INT1中斷，進(jìn)入INT1中斷服務(wù)程序，決定J1的開通還是斷開。

　　86型面板最大可裝3個(gè)面板開關(guān)，P0.0和P0.7控制另外2個(gè)同類型的繼電器J2、J3，另外2個(gè)面板K2、K3使用P1口的低2位（圖3未畫出），通過寄存器SPI_CTRL來控制功能間的切換。

1.4  電路板設(shè)計(jì)

　　因整個(gè)控制系統(tǒng)工作在火線上，主印制電路板（PCB）使用2.0 mm厚的雙面板，并按86型暗盒空間來安排強(qiáng)電流大功率元器件和小電流其他小功率貼片元器件。把與功率器件有關(guān)的元器件和系統(tǒng)電源取電電路的元器件安排在暗盒的主板正面上，把火線接頭和與強(qiáng)電流路徑有關(guān)的功率器件安排在一邊走線，與系統(tǒng)電源取電的弱電流有關(guān)的器件安排在另一邊走線；而與nRF9E5射頻有關(guān)的元器件安排在立面的輔助PCB板上，與主板弱電流一邊垂直焊接。

　　按照Nordic VLSI公司推薦nRF9E5的射頻PCB設(shè)計(jì)，輔助PCB使用1.6 mm厚的FR4雙面板，分元件面和底面。PCB底面有一個(gè)連續(xù)的接地網(wǎng)，射頻電路的元件面以nRF9E5為中心，各元器件緊靠其周圍，盡可能減小分布參數(shù)的影響。元件面的接地面保證元件充分接地，通過大量的過孔連接元件面的接地面到底面層的接地網(wǎng)。nRF9E5采用9.5 mm×9.5 mm的PCB差分連接的環(huán)形天線，在天線的下面不設(shè)接地網(wǎng)。

2  軟件程序設(shè)計(jì)

2.1  通信協(xié)議

　　要實(shí)現(xiàn)射頻控制面板開關(guān)功能，就必須完成開關(guān)面板終端和遙控器（即上位機(jī)主收發(fā)器）之間的射頻數(shù)據(jù)通信，需要對(duì)nRF9E5進(jìn)行初始化，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置設(shè)置；對(duì)每一個(gè)射頻遙控控制開關(guān)的通信幀格式進(jìn)行定義，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的功能。各開關(guān)面板的控制數(shù)據(jù)通信幀格式如下：

　　引導(dǎo)碼和校驗(yàn)碼由nRF9E5自動(dòng)加載，其他都由內(nèi)置的微控制器程序產(chǎn)生。識(shí)別碼為本接收機(jī)代號(hào)，與其他的接收機(jī)區(qū)分開來。狀態(tài)字為1位，值為 0時(shí)，表示后面的數(shù)據(jù)為命令字，反之為數(shù)據(jù)字。數(shù)據(jù)1…N根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置字?jǐn)?shù)。填充碼表示本幀在不夠規(guī)定的長(zhǎng)度時(shí)，填若干個(gè)0到達(dá)規(guī)定的幀長(zhǎng)度。接收控制數(shù)據(jù)時(shí)，nRF9E5先接收一幀數(shù)據(jù)包，分別驗(yàn)證引導(dǎo)碼、接收機(jī)地址和校驗(yàn)碼，正確后再將有效負(fù)載數(shù)據(jù)送入微控制器處理；當(dāng)微控制器判斷有效負(fù)載中的識(shí)別碼和本機(jī)識(shí)別碼號(hào)一致時(shí)，繼續(xù)處理后繼數(shù)據(jù)，否則放棄該數(shù)據(jù)包，并要求重發(fā)。當(dāng)nRF9E5處于發(fā)射模式時(shí)，接收機(jī)地址和有效負(fù)載由微控制器按順序送入射頻模塊nRF9E5，引導(dǎo)碼和校驗(yàn)碼由nRF9E5自動(dòng)加載。

2.2  軟件流程

　　要實(shí)現(xiàn)上述控制數(shù)據(jù)幀通信功能，需要對(duì)nRF9E5進(jìn)行初始化配置和用戶程序設(shè)計(jì)。程序采用中斷接收，按需發(fā)送。發(fā)送和接收程序流程如圖4所示。有一個(gè)收發(fā)主程序，市網(wǎng)來電先使nRF9E5配置初始化，再進(jìn)入正常中斷接收、按需發(fā)送工作。有兩個(gè)中斷服務(wù)程序：一個(gè)是當(dāng)取樣電阻壓降過大時(shí)，引起Q6反轉(zhuǎn)，表明負(fù)載過重，切斷繼電器，同時(shí)觸發(fā)INT0中斷服務(wù)程序，蜂鳴器報(bào)警，綠燈滅，紅燈以16 Hz（最高）頻率閃爍，微控制器讀開關(guān)相應(yīng)的工作數(shù)據(jù)，把過載的情況發(fā)送出去，隨后進(jìn)入死循環(huán)，由WDT溢出強(qiáng)制復(fù)位；另一個(gè)中斷服務(wù)程序是手動(dòng)開關(guān)K1 （或K2、K3）引起的觸發(fā)INT1中斷，相當(dāng)于射頻接收到了遙控?cái)?shù)據(jù)，完成射頻接收一樣的工作流程。

圖4  微控制器控制程序流程

結(jié)語(yǔ)

　　在傳統(tǒng)的墻面86型機(jī)械開關(guān)改造過程中，充分考慮到了射頻收發(fā)模塊nRF9E5芯片高度集成的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省了存儲(chǔ)器等外設(shè)，很容易構(gòu)建新的通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀，能使其應(yīng)用于多點(diǎn)射頻控制終端。硬件上選擇符合負(fù)載的功率器件，使得設(shè)計(jì)射頻遙控開關(guān)適合零線不入開關(guān)的電工安全規(guī)范。同時(shí)，基于nRF9E5 和火線的單線制遙控控制有更多的用途，在不易布線而且又要多點(diǎn)控制的地方，就是此種技術(shù)應(yīng)用的地方。

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雷志華（高級(jí)工程師），主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代教育技術(shù)裝備、多媒體網(wǎng)絡(luò)教室教學(xué)軟件開發(fā)；
張會(huì)銘（工程師），主要研究方向?yàn)槎嗝襟w網(wǎng)絡(luò)教室遠(yuǎn)程控制軟件開發(fā)。