基于nRF9E5和火線(xiàn)的單線(xiàn)制射頻遙控開(kāi)關(guān)設計

　　引 言

　　傳統的機械式墻壁開(kāi)關(guān)，是一開(kāi)一關(guān)的簡(jiǎn)單控制方式，且大多是在86型暗盒上實(shí)現的。要想在 86×86×50的暗盒里實(shí)現射頻遙控開(kāi)關(guān)，就必須考慮到幾個(gè)因素：86型暗盒的空間;只有l根火線(xiàn)，無(wú)零線(xiàn)，不能再布線(xiàn);不能影響被控電器原功能的使用;1個(gè)遙控器(即上位機中央集成控制系統)實(shí)現對多個(gè)開(kāi)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(gè)因素，提出一種無(wú)線(xiàn)射頻解決方案，采用內置增強型51兼容的單片機集成一體化射頻芯片nRF9E5來(lái)實(shí)現一對多功能;在單一火線(xiàn)上實(shí)現開(kāi)關(guān)控制和為控制系統提供電源，構成一個(gè)低成本、適合裝入86型暗盒，無(wú)須任何改裝，無(wú)須附加任何外圍器件的單線(xiàn)制射頻遙控開(kāi)關(guān)系統。圖l所示的主框圖，突破了傳統電工產(chǎn)品單線(xiàn)制(即無(wú)零線(xiàn))供電方式的限制，所有射頻遙控開(kāi)關(guān)都是按照電工安全規范布線(xiàn)(即零線(xiàn)不入開(kāi)關(guān))，徹底解決了單線(xiàn)制接入技術(shù)。

　　1 控制系統硬件設計

　　1.1 nRF9E5功能介紹

　　nRF9E5是NordIC VLSI公司推出的系統級RF芯片，內置增強型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轉換器。芯片嵌入了電壓調整模塊，最大限度地抑制噪聲，可工作在1.9 V～3.6V的單電源上，待機功耗為2μA，QFN5×5封裝。由于nRF9E5集成度高，功能強，功耗低，很適合用于小型化和低壓場(chǎng)所的射頻控制系統的設計。

　　1.1.1 增強型51內核微控制器

　　nRF9E5的片內微控制器與標準805l兼容，指令時(shí)序與標準的805l稍有不同：nRF9E5的內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)擴展中斷源：ADC中斷、SPI中斷、 RADI0l中斷、RADIO2中斷和喚醒定時(shí)器中斷。微處理器除了256B的數據外，還擴展了512B的ROM和4KB的RAM，并擴展了2個(gè)數據指針，以便從XRAM區讀取數據。上電復位或軟件復位后，處理器自動(dòng)執行ROM引導區中的代碼。用戶(hù)程序通常是在引導區的引導下，從EEPROM加載到4 KB的RAM中。如果應用中不用內含ROM的nRF9E5，則程序代碼必須從外部加載，比較常見(jiàn)的是通過(guò)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位復用，通過(guò)寄存器SPI_CTRL來(lái)控制功能間的切換。

　　nRF9E5內置有lO位ADC，A/D轉換參考電壓可通過(guò)軟件設置在A(yíng)REF和1.22V之間(內部參考電壓)。A/D轉換器的4個(gè)輸入可通過(guò)軟件進(jìn)行選擇，默認工作于10位方式，可通過(guò)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。更多的功能擴展可查詢(xún)參考文獻。

　　1.1.2 nRF9E5收發(fā)模塊

　　nRF9E5收發(fā)器通過(guò)內部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：載波監測輸出CD，可避免空間無(wú)線(xiàn)通信碰撞;地址匹配輸出AR，易于實(shí)現點(diǎn)對多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信設計;數據接收就緒DR，便于節能設計，滿(mǎn)足低功耗設計要求。內置完整的通信協(xié)議和CRC效驗，只需通過(guò)SPI即可完成所有的無(wú)線(xiàn)收發(fā)傳輸。輸出功率、頻道和其他射頻參數可通過(guò)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)行內置微處理器與無(wú)線(xiàn)模塊間的數據傳輸。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(jiàn)表l。

　　1.2 火線(xiàn)開(kāi)關(guān)和火線(xiàn)取電電路設計

　　傳統的機械式墻壁開(kāi)關(guān)，大多是裝在86型暗盒上的，一般可以通過(guò)10A的額定電流，是一個(gè)功率器件控制開(kāi)關(guān)。要設計能代替傳統的機械式墻壁開(kāi)關(guān)的控制系統，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，即為負載提供的火線(xiàn)開(kāi)通和切斷，并能為控制系統提供穩定續流的電源;最后是電子元器件體積的選擇。

　　為了簡(jiǎn)化電路的設計，火線(xiàn)開(kāi)通和切斷選用5V直流控制繼電器，最大通過(guò)15A的220V交流電壓即可。在繼電器開(kāi)通時(shí)，選用IRL3803S大功率場(chǎng)效應管，其內置的穩壓二極管，既可為系統提供電源，也可為負載提供通路。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(kāi)時(shí)，市網(wǎng)電壓主 要落在控制系統上，而控制系統只需6V直流電源，因控制系統功耗低，故主要壓降可由1/4W的金屬膜電阻來(lái)承擔;同時(shí)，選用BVCBO≥600V的硅NPN大功率晶體管l3002作為控制系統電源的調整管。

　　由圖l主框圖可知，控制系統是串聯(lián)在被控電器的前端，用來(lái)代替86型墻面機械開(kāi)關(guān)的。由于沒(méi)有零線(xiàn)，加之又不能重新布線(xiàn)，因此只能在火線(xiàn)上考慮如何保留開(kāi)關(guān)功能和如何為控制系統提供穩定的續流電源。圖2所示的火線(xiàn)開(kāi)關(guān)和火線(xiàn)取電電路，分為繼電器斷開(kāi)和繼電器閉合兩部分。顯然，場(chǎng)效應管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(lái)時(shí)，或者是微控制器發(fā)送關(guān)斷信號時(shí)，繼電器J1斷開(kāi)，220V交流電壓主要落在控制系統上。交流電壓經(jīng)過(guò)D3半波整流，R2降壓，經(jīng) Q4與Q5組成一個(gè)串聯(lián)型穩壓電源，提供6 V電壓。由于整個(gè)系統功耗較小，經(jīng)過(guò)計算，金屬膜電阻R2的阻值為20 kΩ，功率為1/4W，可為控制系統提供在繼電器斷開(kāi)時(shí)的主要壓降。

　　當要求被控電器工作時(shí)，微控制器提供開(kāi)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的取電由IRL3803S來(lái)提供，其內置一個(gè)30V的單向穩壓管，在IRL3803S 未開(kāi)通時(shí)，可提供最大30V的單向交流電壓。經(jīng)Dl整流，Z1、Z2為不同的穩壓值，Q1、Q2、Q3配合下組成不同的控制信號，使IRL3803S導通或斷開(kāi);一為負載提供通路，二為控制系統提供續流6V的穩壓電源。

　　在此環(huán)境下，建議不使用開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源電路復雜，輸出電壓波紋系數大，電路干擾大，在86型暗合空間里不易設計抗干擾電路，而且容易使nRF9E5接收數據時(shí)發(fā)生混亂。

　　1.3 nRF9E5外圍電路設計

　　根據單線(xiàn)制火線(xiàn)開(kāi)關(guān)的實(shí)際需要，nRF9E5的外圍電路設計如圖3所示。

　　由圖3可知，nRF9E5的專(zhuān)有外圍電路——9.5mm×9.5mm環(huán)形天線(xiàn)電路(868 MHz)、25XX320 EEPROM電路、TPS70630電源轉換電路，就可完成nRF9E5控制數據的射頻接收和發(fā)送?；鹁€(xiàn)開(kāi)通和切斷由nRF9E5的P0.1來(lái)控制，開(kāi)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轉換為數據DATA。綠指示燈閃爍頻率f=Data*Pre(Pre為取樣取整參數，使f=0.5 Hz～16 Hz)，表示被控電器的負載輕重;另一方面當負載過(guò)重或有短路現象時(shí)，R1輸出③使1 V穩壓管擊穿，Q6飽和，Q8、Q9截止，Jl切斷;同時(shí)使P0.3觸發(fā)INTO中斷(圖3未畫(huà)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(kāi)關(guān)，與外面板連在一起，保留原機械開(kāi)關(guān)的手動(dòng)功能。當按動(dòng)開(kāi)關(guān)K1時(shí)，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(kāi)通還是斷開(kāi)。

　　86型面板最大可裝3個(gè)面板開(kāi)關(guān)，P0.0和P0.7控制另外2個(gè)同類(lèi)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(huà)出).通過(guò)寄存器SPI_CTRL來(lái)控制功能間的切換。

　　1.4 電路板設計

　　因整個(gè)控制系統工作在火線(xiàn)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(lái)安排強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)的元器件和系統電源取電電路的元器件安排在暗盒的主板正面上，把火線(xiàn)接頭和與強電流路徑有關(guān)的功率器件安排在一邊走線(xiàn)，與系統電源取電的弱電流有關(guān)的器件安排在另一邊走線(xiàn);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(gè)連續的接地網(wǎng)，射頻電路的元件面以nRF9E5為中心，各元器件緊靠其周?chē)?，盡可能減小分布參數的影響。元件面的接地面保證元件充分接地，通過(guò)大量的過(guò)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(xiàn)，在天線(xiàn)的下面不設接地網(wǎng)。

　　2 軟件程序設計

　　2.1 通信協(xié)議

　　要實(shí)現射頻控制面板開(kāi)關(guān)功能，就必須完成開(kāi)關(guān)面板終端和遙控器(即上位機主收發(fā)器)之問(wèn)的射頻數據通信，需要對nRF9E5進(jìn)行初始化，并根據實(shí)際情況進(jìn)行配置設置;對每一個(gè)射頻遙控控制開(kāi)關(guān)的通信幀格式進(jìn)行定義，實(shí)現一對多的功能。各開(kāi)關(guān)面板的控制數據通信幀格式如下：

　　引導碼和校驗碼由nRF9E5自動(dòng) 加載，其他都由內置的微控制器程序產(chǎn)生。識別碼為本接收機代號，與其他的接收機區分開(kāi)來(lái)。狀態(tài)字為1位，值為0時(shí)，表示后面的數據為命令字，反之為數據字。數據1…N根據實(shí)際情況設置字數。填充碼表示本幀在不夠規定的長(cháng)度時(shí)，填若干個(gè)0到達規定的幀長(cháng)度。接收控制數據時(shí)， taRF9E5先接收一幀數據包，分別驗汪引導碼、接收機地址和校驗碼，正確后再將有效負載數據送人微控制器處理;當微控制器判斷有效負載中的識別碼和本機識別碼號一致時(shí)，繼續處理后繼數據，否則放棄該數據包，并要求重發(fā)。當nRF9E5處于發(fā)射模式時(shí)，接收機地址和有效負載由微控制器按順序送入射頻模塊 nRF9E5，引導碼和校驗碼由nRF9E5自動(dòng)加載。

　　2.2 軟件流程

　　要實(shí)現上述控制數據幀通信功能，需要對 nRF9E5進(jìn)行初始化配置和用戶(hù)程序設計。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(gè)收發(fā)主程序，市網(wǎng)來(lái)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)是當取樣電阻壓降過(guò)大時(shí)，引起Q6反轉，表明負載過(guò)重，切斷繼電器，同時(shí)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(kāi)關(guān)相應的工作數據，把過(guò)載的情況發(fā)送出去，隨后進(jìn)入死循環(huán)，由WDT溢出強制復位;另一個(gè)中斷服務(wù)程序是手動(dòng)開(kāi)關(guān)Kl (或K2、K3)引起的觸發(fā)INTl中斷，相當于射頻接收到了遙控數據，完成射頻接收一樣的工作流程。

　　結語(yǔ)

　　在傳統的墻面86型機械開(kāi)關(guān)改造過(guò)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)，節省了存儲器等外設，很容易構建新的通信協(xié)議數據幀，能使其應用于多點(diǎn)射頻控制終端。硬件上選擇符合負載的功率器件，使得設計射頻遙控開(kāi)關(guān)適合零線(xiàn)不入開(kāi)關(guān)的電工安全規范。同時(shí)，基于nRF9E5和火線(xiàn)的單線(xiàn)制遙控控制有更多的用途。在不易布線(xiàn)而且又要多點(diǎn)控制的地方，就是此種技術(shù)應用的地方。