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(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(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(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,、433／868／915MHz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(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)805l兼容,，指令時(shí)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(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,、 RADI0l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4KB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(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),。

　　1.1.2 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(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(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10A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。

　　為了簡化電路的設(shè)計(jì),，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(shí),，選用IRL3803S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=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(shí),，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(shí),，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(chǎng)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(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，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(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1／4W，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。控制系統(tǒng)的取電由IRL3803S來提供,，其內(nèi)置一個(gè)30V的單向穩(wěn)壓管,，在IRL3803S 未開通時(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(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(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——9．5mm×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(shí)，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(shí)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(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(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.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(jì),，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(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(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)之問的射頻數(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)定的長度時(shí),，填若干個(gè)0到達(dá)規(guī)定的幀長度。接收控制數(shù)據(jù)時(shí),， taRF9E5先接收一幀數(shù)據(jù)包,，分別驗(yàn)汪引導(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)送人微控制器處理,；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) INTO中斷服務(wù)程序,，蜂嗚器報(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)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?cái)?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(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。