崔光杰，李卓然，金永鎬

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

引言

直流電的三線控制方式由于線路簡(jiǎn)單、成本低，廣泛用于各種照明系統(tǒng)的控制場(chǎng)合[1，2]，但交流系統(tǒng)中無法提供穩(wěn)定的參考點(diǎn)[3]，實(shí)際應(yīng)用中通常使用電力線載波通信方式或無線通信方式進(jìn)行控制，因此存在電路復(fù)雜、可靠性低、待機(jī)功耗較大、維護(hù)難等問題[4]。

為此，本文提出與交流電50 Hz同步方式工作的教室燈光控制系統(tǒng)，這種電路采用三線工作方式，分別為2根220 V交流電源線和一根公用信號(hào)線，主機(jī)和分機(jī)只通過一根公用信號(hào)線傳送信號(hào)。

1 通信電路工作原理設(shè)計(jì)

交流220V同步方式工作的通信電路由一個(gè)主機(jī)和N個(gè)分機(jī)組成，可進(jìn)行雙向通信，主機(jī)呼叫分機(jī)后發(fā)送各種操作命令，分機(jī)響應(yīng)后發(fā)送本機(jī)的狀態(tài)。

1.1 主機(jī)和分機(jī)的參考點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖1為主機(jī)和分機(jī)之間形成參考地的電路示意圖。

圖1 參考地的形成電路

R0為線路的等效電阻，R1和R2保證交流電的整個(gè)周期中整流橋D1、D2始終處于微導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)正半周時(shí)L線為正極性N線為負(fù)極性，整流橋D1的D11、D13導(dǎo)通，整流橋D2的D21、D23導(dǎo)通，A點(diǎn)經(jīng)過D13、R0、D23連接到B點(diǎn)，當(dāng)負(fù)半周時(shí)L線為負(fù)極性N線為正極性，整流橋D1的D12、D14導(dǎo)通，整流橋D2的D22、D24導(dǎo)通，A點(diǎn)經(jīng)過D14、R0、D24連接到B點(diǎn)。

因此不管是正半周還是負(fù)半周A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的電壓UAB取決于式(1)，式中i為線上的交流電流，UD為整流橋中每個(gè)二極管的正向壓降。

UBA=|iR0+UD|-UD=|iR0|

(1)

可知整流橋D1、D2導(dǎo)通時(shí)壓降互相抵消。由于每個(gè)集中控制區(qū)的線路電阻較小，電流分布也是離散方式，因此最遠(yuǎn)的2個(gè)裝置之間的電壓UBA可以控制在30 V以內(nèi)。信號(hào)線上的脈沖信號(hào)與UBA和交流電中的其他尖脈沖干擾疊加在一起傳送，因此為了便于檢測(cè)脈沖信號(hào)，脈沖電壓幅度應(yīng)大于30 V，脈沖信號(hào)幅度越大抗干擾能力越強(qiáng)，但交流電的每個(gè)半周中傳送信號(hào)的時(shí)間變短。

如果系統(tǒng)的工作電壓范圍設(shè)定在170～250 V，則傳送信息的時(shí)間與信號(hào)電壓幅值之間的關(guān)系如圖2所示?？芍?dāng)使用50 V左右的信號(hào)電壓時(shí)，在170～250 V輸入范圍內(nèi)，傳送時(shí)間的變化不大，最大能使用的信號(hào)傳送時(shí)間t約為8.6 ms。如果采用100 V的信號(hào)電壓則能提高抗干擾能力，但發(fā)送時(shí)R3的功率損耗增加且t變小，約為7.2 ms。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用約為50 V的電壓傳送信息，則可以準(zhǔn)確地傳送信息。

圖2 傳送時(shí)間與信號(hào)電壓之間的關(guān)系

主機(jī)提供信號(hào)線上的電壓必須與交流電的電壓同步，否則分機(jī)發(fā)送信息時(shí)無法保證D1始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)無法工作。

因此在圖1中，通信用電源取決于D1整流后經(jīng)過R3、D3穩(wěn)壓后提供給信號(hào)線。同時(shí)整流橋D1、D2的輸出端連接到電容負(fù)載時(shí)必須用二極管D4、D5隔離，以保證整流橋D1、D2始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。

1.2 通信格式的設(shè)計(jì)

圖3為一幀通信格式示意圖，由10位分機(jī)號(hào)、4位命令位、10位分機(jī)信息位，以及2個(gè)同步位，共30.5位組成。發(fā)送每位的時(shí)間為T,交流電限幅50 V后可得到約為8.6 ms的平坦區(qū)，如果T=240 μs則發(fā)送30.5位所需要的時(shí)間為7.32 ms，剩余的時(shí)間備用。圖中陰影部分為1T的高電平。

圖3 通信格式示意圖

2 燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)通信電路的設(shè)計(jì)

圖4為主機(jī)電路，D4起隔離作用，隔離高壓充電用電容C1和D3的輸出端，防止C1電壓影響D3的導(dǎo)通狀態(tài)。

圖4 主機(jī)電路

整流后的電壓經(jīng)過R5在D5、D6兩端形成約為55 V的電壓，經(jīng)過Q1組成的射極跟隨器后輸出約為52 V的電壓提供給R6、Q2組成的脈沖發(fā)生器，當(dāng)Q2按照單片機(jī)U1的TR輸出端信號(hào)進(jìn)行開關(guān)時(shí)，在信號(hào)線上可以得到幅度為52 V的脈沖信號(hào)。

D6、R8的作用是檢測(cè)大于55 V的輸入電壓狀態(tài)提供同步信號(hào)，以便主機(jī)以同步方式呼叫分機(jī)。當(dāng)輸入電壓幅值超過55 V時(shí)在D6兩端產(chǎn)生約為5 V的電壓，供U1的SV輸入端，一旦檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)則U1開始進(jìn)行開關(guān)控制Q2發(fā)送信息。

信號(hào)線的電壓經(jīng)過Q3、R9組成的射極跟隨器后，在D7兩端產(chǎn)生5 V的脈沖電壓提供給U1的RE端進(jìn)行分析處理。

2.2 分機(jī)通信電路的設(shè)計(jì)

圖5為分機(jī)電路，由于分機(jī)數(shù)量較多且長(zhǎng)期處于待機(jī)狀態(tài)，為了減少待機(jī)功耗采用Q10、R22組成恒流源，不管輸入電壓怎樣變化，提供恒定的電流使D15總是導(dǎo)通。通過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)流經(jīng)D15的電流大于20 μA時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，因此取30 μA的電流，電流值由式(2)決定。

(2)

這種恒流源當(dāng)D15的輸出電壓低于3 V時(shí)恒流源不工作，但由于電壓很小不影響系統(tǒng)正常工作。

圖5中D13隔離電容C11和D15的輸出端，防止C11電壓影響D15的導(dǎo)通狀態(tài)。發(fā)送時(shí)單片機(jī)控制Q11進(jìn)行開關(guān)，接收時(shí)信號(hào)線上的電壓經(jīng)過Q9、R21組成的射極跟隨器后，在D16兩端產(chǎn)生5 V的脈沖電壓提供給U3的RE端進(jìn)行分析處理。

2.3 分機(jī)的低功耗電源設(shè)計(jì)

為了減少分機(jī)待機(jī)功耗，采用MK6A12低功耗單片機(jī)，并降低頻率和工作電壓運(yùn)行使工作電流小于0.1 mA，并利用HV9910芯片建立的7.5 V工作電壓，經(jīng)過微功耗三端穩(wěn)壓器HT1033穩(wěn)壓后提供3.3 V給單片機(jī)，因此無需設(shè)計(jì)獨(dú)立的工作電源。

MK7A23和MK6A12都是一種性能價(jià)格比很高的單片機(jī)，內(nèi)含4 MHz的RC振蕩器(通過外部電阻設(shè)定工作頻率)、WDT(看門狗)及復(fù)位電路，工作電壓為2.5～5 V，而且價(jià)格低廉，非常適合于各種工業(yè)使用的控制器[5，6]。HV9910芯片在6腳輸出約7.5 V工作電壓，最大的輸出的電流為1 mA[7]。為了減少單片機(jī)的電流工作電壓取3.3 V。

圖5 分機(jī)電路

表1為MK6A12的工作電壓為3.3 V，低電壓復(fù)位電路開啟，WDT關(guān)閉，定時(shí)器TM0工作時(shí),實(shí)測(cè)的工作頻率與電流及外接電阻R7之間的關(guān)系。當(dāng)R7=100 kΩ時(shí)工作頻率為1 MHz，工作電流為90 μA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 mA(HV9910芯片6腳輸出電流值)。

表1 頻率與工作電流及外接電阻的關(guān)系

為了減輕U1的電壓負(fù)擔(dān)，整流后的電壓經(jīng)過D14(PK6E200A)降壓200 V后提供給HV9910。通過這種設(shè)計(jì)實(shí)測(cè)的分機(jī)的待機(jī)功耗小于0.1 W。

2.4 分機(jī)的LED燈組驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖5中Q12、C13、D17、L1和HV9910組成40 W的LED燈組驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)通過PA1引腳控制PWMD引腳，當(dāng)PA1高電平時(shí)，電路工作點(diǎn)亮LED燈組。根據(jù)主機(jī)的命令可進(jìn)行全部點(diǎn)亮，或者選擇方式點(diǎn)亮，如果對(duì)電路進(jìn)行修改也可進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。

2.5 通信電路的抗干擾能力分析

在圖1中發(fā)送信息時(shí)以主機(jī)的A點(diǎn)為參考點(diǎn)，則信號(hào)線上的電壓USA可用式(3)表示。當(dāng)Q2飽和時(shí)USA=|UAB|而不是0 V，這是線路壓降形成的干擾影響，線路壓降越大影響越大。當(dāng)Q2截止時(shí)USA=UD1=51 V，不受干擾。

USA=UQ2+|UAB|

(3)

圖6為加入線路壓降后發(fā)送信息時(shí)以主機(jī)的A點(diǎn)為參考點(diǎn)實(shí)測(cè)的信號(hào)線的波形。可見主機(jī)發(fā)送時(shí)不受干擾電壓的影響，而分機(jī)發(fā)送時(shí)低電平受干擾電壓的影響，因此主機(jī)的比較點(diǎn)設(shè)置在電壓高的地方為宜。

圖6 主機(jī)的A點(diǎn)為參考點(diǎn)實(shí)測(cè)的波形

圖7 分機(jī)的B點(diǎn)為參考點(diǎn)實(shí)測(cè)的波形

同樣在圖1中以分機(jī)的B點(diǎn)為參考點(diǎn)，則信號(hào)線上的電壓USB可用式(4)表示。當(dāng)Q1飽和時(shí)USB=-|UAB|，當(dāng)Q1截止時(shí)UQ1=UD1=51 V，則USB=UD1-|UAB|，可見脈沖的高低電平都受干擾的影響。

USB=UQ1-|UAB|

(4)

圖7為加入線路壓降后發(fā)送信息時(shí)以分機(jī)的B點(diǎn)為參考點(diǎn)實(shí)測(cè)的信號(hào)線的波形。可見分機(jī)的B點(diǎn)為參考點(diǎn)時(shí)，脈沖的高低電平都受干擾的影響，因此分機(jī)的比較點(diǎn)設(shè)置在電壓低的地方為宜。

為了便于檢測(cè)在主機(jī)和分機(jī)中采用限幅5 V的方式，這樣只要脈沖幅度大于5 V以上可檢測(cè)出脈沖波形，考慮到交流電的其他脈沖干擾，如果脈沖幅度采用50 V，則大大提高抗干擾能力。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖8是主機(jī)呼叫154H分機(jī)，而分機(jī)無應(yīng)答時(shí)信號(hào)線的實(shí)測(cè)波形。10位分機(jī)號(hào)以D10～D1組成，則154H的排列為0101010 100B，從D10開始依次發(fā)送到D1。在t1點(diǎn)檢測(cè)高電平后發(fā)送2.5T的低電平，t2點(diǎn)發(fā)送1T的高平后，t3～t16點(diǎn)開始發(fā)送主機(jī)呼叫信息以及4位命令信息，t17～t18點(diǎn)再次發(fā)送同步位；t19開始分機(jī)信息位，為了準(zhǔn)確接收，在每位信息傳送時(shí)間T的1/2處作為讀入點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。因此t19后延遲0.5T后在t20～t29點(diǎn)接收10位分機(jī)信息。

圖8 主機(jī)呼叫分機(jī)，分機(jī)無應(yīng)答時(shí)波形

圖9為主機(jī)呼叫154H分機(jī)，分機(jī)應(yīng)答156H時(shí)信號(hào)線上的波形。

圖9 主機(jī)呼叫分機(jī)，分機(jī)應(yīng)答時(shí)波形

在t1點(diǎn)檢測(cè)下降沿t2點(diǎn)開檢測(cè)上升沿，判斷是否是2.5T低電平后，延遲1.5T開始檢測(cè)主機(jī)信息，在t3～t12點(diǎn)接收10位主機(jī)呼叫的154H分機(jī)號(hào)。當(dāng)主機(jī)呼叫的分機(jī)號(hào)與本機(jī)號(hào)相同時(shí)，則在t13～t16點(diǎn)接收命令信息。在t17點(diǎn)檢測(cè)到同步位的上升沿后，利用t18～t27點(diǎn)發(fā)送156H信息(0101010110B)。t28～t32可作為待開發(fā)信息位。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，工作波形穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的電路可進(jìn)行雙向通信，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、待機(jī)功耗小、容易擴(kuò)展分機(jī)數(shù)量、可傳送工作頻率為1～50 kHz的脈沖的特點(diǎn)，根據(jù)主機(jī)的命令可進(jìn)行全部點(diǎn)亮燈、選擇方式點(diǎn)亮燈、調(diào)節(jié)燈光的亮度，也可以無需改變電路實(shí)現(xiàn)多地的控制，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。