基于nRF9E5和火線的單線制射頻遙控開關(guān)設(shè)計

引 言
    傳統(tǒng)的機(jī)械式墻壁開關(guān)，是一開一關(guān)的簡單控制方式，且大多是在86型暗盒上實現(xiàn)的。要想在86×86×50的暗盒里實現(xiàn)射頻遙控開關(guān)，就必須考慮到幾個因素：86型暗盒的空間；只有l(wèi)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個遙控器(即上位機(jī)中央集成控制系統(tǒng))實現(xiàn)對多個開關(guān)終端控制(一對多)，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來實現(xiàn)一對多功能；在單一火線上實現(xiàn)開關(guān)控制和為控制系統(tǒng)提供電源，構(gòu)成一個低成本、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l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))，徹底解決了單線制接入技術(shù)。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
1．1 nRF9E5功能介紹
    nRF9E5是Nordic VLSI公司推出的系統(tǒng)級RF芯片，內(nèi)置增強(qiáng)型8051兼容微控制器、433／868／915MHz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～3．6V的單電源上，待機(jī)功耗為2μA，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所的射頻控制系統(tǒng)的設(shè)計。
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)805l兼容，指令時序與標(biāo)準(zhǔn)的805l稍有不同：nRF9E5的內(nèi)置微控制器的指令周期為4～20個指令周期。中斷控制器支持5個擴(kuò)展中斷源：ADC中斷、SPI中斷、RADI0l中斷、RADIO2中斷和喚醒定時器中斷。微處理器除了256B的數(shù)據(jù)外，還擴(kuò)展了512B的ROM和4KB的RAM，并擴(kuò)展了2個數(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，處理器自動執(zhí)行ROM引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導(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接口連接型號為25320的EEPROM。而SPI接口引腳是MISO、SCK、MOSI和EECSN，其中MSIO、SCK和MOSI與Pl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l(wèi)O位ADC，A／D轉(zhuǎn)換參考電壓可通過軟件設(shè)置在AREF和1．22V之間(內(nèi)部參考電壓)。A／D轉(zhuǎn)換器的4個輸入可通過軟件進(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時鐘、RTC喚醒定時器、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)。
1.1.2 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)測輸出CD，可避免空間無線通信碰撞；地址匹配輸出AR，易于實現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)無線通信設(shè)計；數(shù)據(jù)接收就緒DR，便于節(jié)能設(shè)計，滿足低功耗設(shè)計要求。內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC效驗，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)可通過對特殊功能寄存器RADIO(OxAO)編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式下，射頻電流消耗為11mA，接收模式下為12．5mA。
    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l。

1．2 火線開關(guān)和火線取電電路設(shè)計
    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10A的額定電流，是一個功率器件控制開關(guān)。要設(shè)計能代替?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。
    為了簡化電路的設(shè)計，火線開通和切斷選用5V直流控制繼電器，最大通過15A的220V交流電壓即可。在繼電器開通時，選用IRL3803S大功率場效應(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=140A，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，市網(wǎng)電壓主要落在控制系統(tǒng)上，而控制系統(tǒng)只需6V直流電源，因控制系統(tǒng)功耗低，故主要壓降可由1／4W的金屬膜電阻來承擔(dān)；同時，選用BVCBO≥600V的硅NPN大功率晶體管l3002作為控制系統(tǒng)電源的調(diào)整管。
    由圖l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，場效應(yīng)管IRL3803S、晶體管13002、6V直流控制繼電器、R1和R2金屬膜電阻為關(guān)鍵元器件。
    市網(wǎng)電壓220V剛來時，或者是微控制器發(fā)送關(guān)斷信號時，繼電器J1斷開，220V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組成一個串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，提供6 V電壓。由于整個系統(tǒng)功耗較小，經(jīng)過計算，金屬膜電阻R2的阻值為20 kΩ，功率為1／4W，可為控制系統(tǒng)提供在繼電器斷開時的主要壓降。
    當(dāng)要求被控電器工作時，微控制器提供開通信號，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30V的單向穩(wěn)壓管，在IRL3803S未開通時，可提供最大30V的單向交流電壓。經(jīng)Dl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，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6V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)計抗干擾電路，而且容易使nRF9E5接收數(shù)據(jù)時發(fā)生混亂。
1．3 nRF9E5外圍電路設(shè)計
    根據(jù)單線制火線開關(guān)的實際需要，nRF9E5的外圍電路設(shè)計如圖3所示。

    由圖3可知，nRF9E5的專有外圍電路——9．5mm×9．5mm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，R1輸出③使1 V穩(wěn)壓管擊穿，Q6飽和，Q8、Q9截止，Jl切斷；同時使P0．3觸發(fā)INTO中斷(圖3未畫出)，PO．2輸出1 kHz方波使蜂鳴器報警，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)的手動功能。當(dāng)按動開關(guān)K1時，P0．4(即INTl中斷輸入)為低電平觸發(fā)INTl中斷，進(jìn)入INTl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個面板開關(guān)，P0．0和P0．7控制另外2個同類型的繼電器J2、J3，另外2個面板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
    因整個控制系統(tǒng)工作在火線上，主印制電路板(PCB)使用2.Omm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，輔助PCB使用1.6mm厚的FR-4雙面板，分元件面和底面。PCB底面有一個連續(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×9．5mm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
2.1 通信協(xié)議
    要實現(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)之問的射頻數(shù)據(jù)通信，需要對nRF9E5進(jìn)行初始化，并根據(jù)實際情況進(jìn)行配置設(shè)置；對每一個射頻遙控控制開關(guān)的通信幀格式進(jìn)行定義，實現(xiàn)一對多的功能。各開關(guān)面板的控制數(shù)據(jù)通信幀格式如下：

   
    引導(dǎo)碼和校驗碼由nRF9E5自動加載，其他都由內(nèi)置的微控制器程序產(chǎn)生。識別碼為本接收機(jī)代號，與其他的接收機(jī)區(qū)分開來。狀態(tài)字為1位，值為0時，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)實際情況設(shè)置字?jǐn)?shù)。填充碼表示本幀在不夠規(guī)定的長度時，填若干個0到達(dá)規(guī)定的幀長度。接收控制數(shù)據(jù)時，taRF9E5先接收一幀數(shù)據(jù)包，分別驗汪引導(dǎo)碼、接收機(jī)地址和校驗碼，正確后再將有效負(fù)載數(shù)據(jù)送人微控制器處理；當(dāng)微控制器判斷有效負(fù)載中的識別碼和本機(jī)識別碼號一致時，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，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)碼和校驗碼由nRF9E5自動加載。
2．2 軟件流程
    要實現(xiàn)上述控制數(shù)據(jù)幀通信功能，需要對nRF9E5進(jìn)行初始化配置和用戶程序設(shè)計。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。有兩個中斷服務(wù)程序：一個是當(dāng)取樣電阻壓降過大時，引起Q6反轉(zhuǎn)，表明負(fù)載過重，切斷繼電器，同時觸發(fā)INTO中斷服務(wù)程序，蜂嗚器報警，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；另一個中斷服務(wù)程序是手動開關(guān)Kl(或K2、K3)引起的觸發(fā)INTl中斷，相當(dāng)于射頻接收到了遙控數(shù)據(jù)，完成射頻接收一樣的工作流程。

結(jié)語
    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，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。