一种无信号线控制器的设计

沈周锋

(漳州职业技术学院电子工程学院，福建 漳州 363000)

0 引 言

目前，智能家电进入人们生活中，极大地方便人们的生活。电灯、风扇、风暖、空调等设备均引入了遥控器控制，用户家中遥控器数量众多，管理起来较为烦琐。主机设备外接控制器的方式，目前仍然是主流趋势，如空调和热水器等家用电器普遍采用外接控制器的方式。传统设备采用地线、电源线、若干信号线实现主机设备和控制器间通信，线材对于普通安装人员来说较为特殊，且有线序的要求。普通水电安装人员未经家电生产商专门培训，无法胜任此类家电安装的技能要求。而且不同的电器所需线材长度不同，线材较难获得。因此，需要设计一种控制器，安装线路简单，最好只有电源线和地线，且无线序要求。一方面线材可以采用随手可得的家用输电线材，另一方面连接简单，无需复杂的专业培训，两个端子连接上即可正常工作。

笔者采用单片机技术、设计了一种安装方便、具有双向通信功能的控制器。控制器改变工作电流，主机设备检测控制器工作电流的变化，解码为码流信息。主机设备改变供电电压，控制器检测供电电压变化，解码为码流信息。通过电流电压传送方式，实现半双工的通信。硬件连接只需要两条线，供应电源的同时传送码流，经过特殊的硬件设计，使两条线无线序要求，在实现控制、显示功能的同时，极大地方便了安装和维护。开发者还可扩展命令列表，方便地添加显示、按键等新功能。

1 基本原理

传统设备通信方式如图1所示。采用电源和地线为控制器供电，通信码流通过信号线传输。若用单个信号线通信，可采用类似DHT11传感器的通信方式[1]。码流在信号线中传输，通过计算高低脉冲的时间宽度，判断码元的逻辑电平，可实现较慢速的半双工方式。也可采用多条信号线的通信方式，类似的通信协议有SPI、RS232等[2-3]。不同传输方向的码流在不同信号线中传输，可以实现较快速的半双工或者全双工通信。但是，上述通信方式存在抗干扰性能低的问题。电源线和地线电流传输方向相反，电流大小基本一致，可采用双绞线解决电磁损耗问题，减小线路衰减。信号线电流大小和方向随机，无法采用双绞线方式解决损耗问题，线路加长时，稳定性大打折扣。USB通信协议采用四线通信协议，除了地线和电源线，还有D+和D-两条信号线，传输相差180°的两路信号[4]。因此D+和D-可用一对双绞线解决衰减和干扰问题。但是仍然存在线材较为特殊，线序颠倒后无法正常使用的问题，且协议复杂成本较高。

图1 传统设备的通信方式

无信号线通信方式电路框图如图2所示。虚线框将电路分为主机设备和控制器两部分。主机设备中，单片机作为控制核心，控制外围功能单元的运行。采用工作电压调节电路发送主机码流。当有码流需要发送至控制器时，工作电压在+12～+11 V之间变化。例如+12 V表示逻辑1，+11 V表示逻辑0。每个码元时间片内，使工作电压处于既定值，控制器利用电源电压检测电路，即可解码出码流。控制器的工作电流调节电路，改变控制器工作电流在两个不同值之间跳动，即可将逻辑0和逻辑1发送至主机设备。主机设备工作电流检测电路检测电流值跳动，即可解码出码流。工作电压的跳动，会影响控制器的工作电流值，因此笔者采用半双工的通信方式进行设计。

图2 无信号线通信方式电路框图

由于用户随时可能按动控制器键盘，突发事件较多，为了使整机能快速响应键盘事件，因此由控制器负责发起通信。主机设备将工作电压控制在+11 V，控制器周期性发起通信，首先将12位码流发送至主机设备。前3位固定为“101”，便于通信两端实现位同步。第4～11位为控制字，发送键盘事件等信息对应的控制字，第12位奇偶校验位。随后主机设备调节工作电压，发送9位码流信息。前8位码流为控制字，第9位为奇偶校验位。控制器不管有无键盘事件，每隔一段时间发起一次通信，以便接收主机设备信息。

2 硬件电路设计

2.1 控制器电源电路

控制器电源电路如图3所示。J1为控制器与主机设备连接的端子。由于通信的要求，J1接口的电压值具有一定纹波，隔离不恰当容易导致控制器无法正常工作。因此采用两级稳压电路。电源线和地线接入J1后，经过整流桥D1整流后，送入Q1三极管。Q1、R1至R3、D2和C1组成DC-DC电路，将电压稳定在9 V。当电压大于9 V时，R2和R3分压所得电压值大于2.5 V，反馈回D2并使其AK两极导通，Q1三极管截止，迫使+9 V节点电压下降。当电压小于9 V时，R2和R3分压所得电压值小于2.5 V，D2的AK两极截止，Q1三极管由于R1的上拉作用而导通，迫使+9 V节点电压升高。合理选择R2和R3的分压比，即可稳定输出电压。C1的作用是稳定反馈电压，减小电路扰动和外界工频干扰对+9 V节点的影响。U1采用AMS1117三端稳压器，将电压稳定在+5 V为控制器中的其他部件供电。C2和C3采用电解电容，作为U1的输入输出端去耦电容。另外，整流桥D1的整流作用，使控制器和主机设备连接无线序要求，极大方便了安装和维护。

图3 控制器电源电路

2.2 控制器接收和发射电路

控制器采用改变工作电流方式发送码流，设置一个电流值固定且受控于单片机的电流负载电路，即可完成码流发送。如图4所示，R9、R10和Q2组成发送电路。R9与Q2的基极串联，起到限制基极电流的作用。Tx连接单片机普通IO口，当电位拉高时，Q2饱和，电流从V1流出经过R10和Q2集电极发射极流入地线。发射电路工作电流变化范围应该远大于控制键盘中的其他部件，才能有效地避免其他部件带来的干扰，防止主机设备误判。控制键盘中单片机、键盘和显示电路工作电流基本在10 mA以下。发送电流变化范围控制在0～150 mA，可有效防止误判。根据V1的电压值将R10电阻设置为80 Ω，可得工作电流变化范围为0～150 mA。

图4 控制器接收和发射电路

控制器接收电路以U2运放为核心组成迟滞比较电路[5]，比较电源电压和参考电压大小，输出0～5 V的数字信号供单片机读取。采用R7和R8分压后，送入运放反相输入端。当V1为12 V时，分压得到3.84 V；当V1为11 V时，分压得到3.52 V。变化范围约320 mV，远大于运放的输入失调电压，可以稳定可靠的进行电压比较。R4至R6、D3、C4、C5组成参考电位发生电路。+5 V电源通过R6为D3供电。R4和R5对Vref分压，送入D3的参考电位端。分压电压大于2.5 V时D3导通，迫使Vref电位下降；反之，分压电压小于2.5 V时，D3截止，迫使Vref电位上升。闭环负反馈环路，将Vref电压稳定在固定值：

(1)

R11，R12和U2组成迟滞比较电路。当V1过低，导致U2输出高电平5 V时，通过正反馈电阻R12，将同相输入端电位拉高，比较阈值变为3.683 V。当V1过高，导致U2输出低电平0 V时，R12将同相输入端电位拉低，比较阈值变为3.639 V。R12正反馈的引入，避免了V1电位处于临界值时，比较器异常翻转，Rx信号产生毛刺。Rx节点连接单片机普通IO口，即可读取接收码流。

2.3 主机设备接收和发射电路

主机设备接收和发射电路如图5所示。发射电路除了发射码流，还需要给控制器提供电源，因此以U3 TPS560430电源芯片为核心[6-7]。该芯片是一款同步降压DC-DC转换器，输入端耐压达到36 V，输出电压最大为24 V，输出电流最大600 mA。+24 V电源经过C7去耦后，输入VIN引脚。开关引脚SW连接功率电容L1给C9充电，提供电源VCC。VCC通过R13和R14分压后，反馈回FB。U3对比FB的电压，控制SW占空比，将VCC稳定在特定值。合理控制R13和R14的阻值，VCC可保持在12 V附近。FB引脚外接R15电阻，连接单片机IO口作为发射引脚。当Tx1节点高电平时，U3减小占空比，VCC电压下降；当Tx1节点低电平时，U3增大占空比，VCC电压上升。合理配比R13至R15电阻值，即可令Tx1=5 V时，VCC=11 V；Tx1=0 V时，VCC=12 V。

图5 主机设备接收和发射电路

J2为主机设备与控制键盘连接的接口，引脚2返回的电流，经过分流电阻R16后流入地线。R16取2 Ω阻值，将控制器工作电流信号转化为电压RxSig。接收电路利用放大器处理RxSig电压波形，得到数字信号Rx1。假设控制器工作电流在10～160 mA之间变化，则RxSig电压为20～320 mV。U4A、R17至R19组成同相比例放大电路，对RxSig进行同相放大，放大倍数为11倍，生成220 mV至3.52 V的波形。U4B、R21和R22组成迟滞比较器，用于对比放大后的电流信号与参考电压。R20和D4组成2.5 V参考电压发生电路。单片机读取Rx1方波信号，即可得到控制键盘发出的码流。R17和R23为阻抗平衡电阻，平衡U4的同相反相输入端的阻抗。C10为电源去耦电容，减少电源纹波对运放的干扰。

3 软件部分设计

通信时序图如图6所示。信道空闲时，控制器Tx节点为低电平，主机设备Tx1节点为高电平，减少电能消耗。控制器周期性的发起通信，先发“101”3个bit作为同步头，主机设备Rx1节点在接收同步头期间检测每个bit的时长，自适应的选取最佳采样时刻。同步头发送结束后，控制器继续发送8个bit数据+1个bit奇偶校验位。主机设备在最佳采样时刻读取Rx1节点电压，奇偶校验后检索命令列表，即可解码出相应命令。从T13至T21时刻，控制器Tx节点恢复低电平，主机设备根据同步头检测到的bit时长，发送8个bit的数据+1个bit奇偶校验位，供控制器接收。在命令集中，以0x00作为空指令，周期性的通信时若无需发送数据，收发两端互发0x00即可避免误解码。奇偶校验位用于验证码流是否发生误码。当奇偶校验失败时，控制器可适当加长bit时长，提高通信的可靠性[8]。主机设备根据同步头脉宽，检测比特时长，跟随控制器修改bit时长。

图6 通信时序图

控制器主循环的流程图如图7所示。单片机上电启动后，先进行内部单元初始化，检测按键事件，生成按键动作标志。当定时通信时刻到来或者按键有动作，则发起通信。先根据按键动作标志编写码流数据，再开启负责通信的定时器。然后接收缓存寄存器不为空时，进行奇偶校验，若校验正确，则执行响应动作；若校验失败，则修改bit时长寄存器，进行下一轮的死循环。

图7 控制器主循环流程图

负责通信的定时器每隔一段时间进入中断程序入口，读写Tx和Rx引脚，进行发送和接收，流程图如图8所示。首先判断是否处于T1至T3时刻，若是则依次发送同步头“101”，每次进入中断发送一个bit。当时间进入T4至T12时刻，改变Tx引脚的电平，发送主循环中生成的码流数据，每次发送一个bit，高位先发送，奇偶校验位最后发送。进入T13至T21时刻，Tx引脚返回低电平，单片机将定时器中断响应时间点推后半个bit的时间，定时读取Rx引脚电平，按位存入接收缓存，得到接收码流。主循环中检测到接收缓存已满时，对码流进行奇偶校验和解析，执行相应动作。主机设备的程序流程图与控制键盘类似。主要不同点在于，通信发起初期，利用引脚外部中断功能，检测Rx1引脚跳变沿，根据3个跳边沿时间计算出每bit时长和最佳采样点。然后再开启负责通信的定时器，接收和发送码流信息。主机设备利用同步头，能够跟随控制器修改bit时长。

图8 控制器通信定时中断流程图

4 整机测试

采用10 m长双绞线，对收发两端进行测试。任意对调线路，对通信无影响。bit时长由5～100 ms之间自适应调整。周围无强电线路时，5 ms的bit时长，误码率为0。人为地将交流电线路紧贴双绞线时，由于强电场和强磁场干扰误码率有所上升。控制器能自适应增大bit时长，当bit时长大于50 ms时，误码率基本为0。对控制器各种状态下的工作电流进行测试，如表1所示。信道空闲、控制器发送逻辑“0”时刻、主机设备发送逻辑“1”时刻，Tx=0且Tx1=1，测得工作电流6.1 mA。该时刻，控制器电源电压为11 V，工作电流用于维持收发电路、单片机、LCD屏幕和屏幕背光灯运行。控制器发送逻辑“1”时刻，Tx=1且Tx1=1，测得工作电流140.6 mA。由于发送控制器中R10电阻接通，导致控制器工作电流上升约134.5 mA。主机设备发送逻辑“0”时刻，由于控制器电源升至12 V，工作电流相比情况一有所上升，变为6.2 mA。假设T4至T21时刻，数据码流逻辑“0”和逻辑“1”分别占50%，容易得到通信期间平均工作电流约为47.8 mA，平均功率约为0.53 W。

表1 控制器工作电流

通信波特率为200～10 bit/s之间自适应切换，通信速率较低，适用于电器外接控制器这类低速率数据通信的场合，稳定可靠。平均功耗适中，对于家电设备基本可忽略不计。其优点在于安装方便，线材随手可得，无线序要求，大大降低了安装和维护的门槛。

5 研究结论与展望

利用单片机加模拟电路的形式，设计了一种能够进行低速率码流通信的控制器。该控制器无需信号线，只需电源线和地线，且无任何线序要求。该技术极大地方便了电器安装和维护人员，极大地降低了作业人员的技能门槛和线材选取的要求。功耗适中，对于AC供电设备基本可以忽略不计。其缺点在于通信速率较低，目前仅适用于低速率通信的场合，如何提高通信速率成为未来研究提供了方向。