基于智能马桶应用大功率多模块一体化集成电路板的研究*

赖在斌 黄甲欣 王 军 黄丽敏魏 星 许少骢 黄广成 吴茂炎 林棉洲

(1 佛山市希普科技有限公司 广东 佛山 528000)(2 广东樱井科技有限公司 广东 潮州 521000)

现代智能马桶在制造设计上根据使用功能和延伸服务需求向智能化、科技化不断发展创新,在丰富功能拓展程序使用的同时,对于承载软件系统实现智能科技体验基础的硬件设施提出了更高的要求。传统的智能马桶使用的单向控制电路板硬件是以多功能模块系统对应不同的控制电路,并通过线缆连接传输信号实现控制,随着智能马桶功能模块设置的增加,导致不可避免地出现控制电路繁复、内部结构拥挤、输出功率不足等一系列影响智能马桶使用的技术难题。因此,实现智能马桶软硬件柔性连接一体化,改进优化传统单向控制电路设置模式,提高智能马桶电路硬件接入功率,急需开发制造一种多模块系统集成一体化电路板来解决当前智能马桶控制电路硬件面临的难题。

1 智能马桶控制电路技术现状概述

智能马桶是指运用当代信息技术和机电一体化技术所设计出来的智能坐便器[1]。大部分的智能马桶拥有座圈加热、自动冲洗、自动冲水、即热驱动、自动翻圈翻盖、电源管理等不同功能,并设置多个相关独立功能模块单向控制电路,以线缆连接的按键板控制电路模块实现功能使用。这种单向对应控制电路板在运行使用中容易出现控制电路繁复、内部结构拥挤、输出功率不足且难以扩展功能进行维护检修等缺点。随着智能马桶在日常生活逐渐广泛普遍使用,现代智能马桶制造在市场需求推动下势必朝着信息智能化、数控科技化继续演变创新发展,面对传统智能马桶在制造中应用单向控制模块功能电路板出现的技术缺点,研究开发应用于智能马桶的多功能模块集成电路板是智能卫浴研发生产企业的共同攻坚方向。

2 大功率多功能模块集成电路板技术分析

2.1 多模块集成电路概况分析

集成电路主要是指具备某种功能的微型的电子器件或者电子部件[2],通过晶体管、芯片、感应元件组装连接使信息交互整合,信号整流扩展,结合印制电路板、电子元器件、信号源、电类仪表等构建成的多网孔的多功能电路模块,通过技术集成实现多模块设计功能的控制使用。在此基础上,将多模块集成电路板设计引进智能马桶制造,可以有效解决传统单向控制模块功能电路板存在的控制电路繁复、内部结构拥挤、输出功率不足且难以扩展功能进行维护检修等行业共性技术难题,实现智能马桶大功率多功能模块一体化集成控制,从根本上优化智能马桶内部电路结构设计和信号传输功能使用,促进智能马桶制造向信息科技化、高端人性化发展。

2.2 智能马桶应用大功率多功能模块集成电路板具体实施方式

根据上述对于智能马桶功能模块电路设计的创新优化理念,具体的实施方式为,集中整合智能马桶配置的基础系统模块,包括Bidet喷水系统、温水加热系统、座圈模块、烘干模块、操作显示模块、常规附加模块、Toilet冲水模块、自动翻盖模块、高级附加功能模块和程序配置模块,通过将写入系统功能程序的多芯片模块控制电路多层布线集成印制,实现智能马桶内部线路结构集成一体化,按键板控制电路信息快速交互传输,且利用程序模块配置算法增加扩展匹配程序功能,完成大功率多模块功能一体化集成电路板的研究开发。

所述应用大功率多模块一体化集成电路板智能马桶在结构上通过单块大功率电路板搭载多芯片模块信息交互,以程序配置模块作为控制中心搭载设置由纳米工艺设计程序写入芯片,通过信号广播进行算法认证,建立设备配置承载层,启动控制开关同步完成多模块功能的灵活使用(见图1)。

图1 大功率多模块功能集成电路板硬件结构图

2.2.1 多模块集成电路板接入程序配置模块具体实施方式

以集成电路板上的程序配置模块为例分析,其具体实施工作方式为:

(1)A1,通过设备向外发出广播信号,其中未配置设备发出的是UnprovisionedDeviceBeacon,而已配置设备发出的是SecureBeacon,启动配置设备接收到未配置设备的广播消息时,通过该设备的UUID 值,MAC地址来识别该设备,用户通过启动配置设备启动添加设备到网络,启动配置设备建立配置承载层。

(2)A2,当启动配置设备发现欲配置设备是Unprovisioned Device时,会主动向该设备发送一个配置邀请包发出邀请,配置邀请包仅有一个额外的持续时间字段,用于确定设备的主元素有多长时间使用Attention Timer识别自身,如果配置承载层停止,设备应该设置主元素的Attention Timer状态为0x00(off),Unprovisioned Device收到邀请后会回应配置能力包,用于回复本身具备哪些能力。

(3)A3,当启动配置设备知道new Device所具备的能力后,根据其发送的配置能力包中选择一种加密算法进行公钥交换,如果启动配置设备不支持配置能力包中提供的加密算法,启动配置设备会选择其所支持的最高加密算法,最后new Device与启动配置设备交换密码散列,完成双方的认证。

(4)A4,启动配置设备通过以上三个步骤已经掌握了new Device的信息、功能,并与其进行了公钥交换与认证方式的选定,启动配置设备向new Device发送消息要求其根据消息做出相应反应,例如:声音、闪烁灯或者在屏幕显示字符,启动配置设备对其反应进行验证。

(5)A5,认证完成后,启动配置设备与new Device通过交换私有密钥与公共密钥生成会话密钥,启动配置设备将通过会话密钥加密过的配置数据发送给new Device,new Device接收并解密配置数据,从而完成启动配置,new Device 成功加入Mesh 网络,成为Mesh网络中的节点。

在电路板设计印制时,由基片表面布置规划形成各大系统模块控制芯片多层互连线,通过程序配置模块向外发出广播信号进行设备配置,通过UUID 值和MAC地址进行身份识别并启动配置设备建立配置承载层,再以加密算法进行公钥交换完成认证,实现功能信息指令的传输控制。

在建立设备配置层完成由程序配置模块写入信息输送指令,整块集成电路板实现由多模块芯片点焊接入线路板实行各模块功能控制开关多层有序互连,自主启动集成配置功能。

集成电路的多功能模块协同工作,除程序配置模块起到进行信息交互控制外,其余主要组成集成电路硬件模块组包括即热模块、机械阀模块、翻盖电机模块、翻圈电机模块和脚踢感应模块也起到了至关重要的作用。不同于程序配置模块通过信号传输和数据处理控制其他模块开关工作,在集成电路上的其他硬件模块皆以底层电子元器件连接形成基本功能电路结构,作为基本功能模块组一同构成大功率多功能一体化集成电路。

2.2.2 多模块集成电路板接入即热模块具体实施方式

以即热模块电路构成为例,如图2所述即热模块由加热接口CN4的一脚连接交流火线ACN,另一脚分别连接电容C18的一端、双向触发二极管TR3的一端和电阻R42的一端,所处线路板上以电容C18的另一端与电阻R46的一端相连,同时电阻R42的另一端与双向输出光电耦合管PC18输出口一端连接,双向输出光电耦合管PC18的阳极连接电阻R44的一端,同层布线设置电阻R44 的另一端与5V 输入电源连接,保证功率输出。

图2 即热模块技术实施结构图

双向输出光电耦合管PC18的阴极连接中央处理器CPU 的Water Heater A 针脚,接收信息处理进行加热工作,双向输出光电耦合管PC18输出口另一端分别连接电容C19的一端、电阻R47的一端和双向触发二极管TR3的另一端,电容C19的另一端、电阻R47的另一端、双向触发二极管TR3的另一端和电阻R46的另一端连接交流零线ACL,其中交流零线ACL 与电容C18之间连通有通讯式即热模块J1,起到信息传输用电安全双重保护作用。所述即热模块还包括接口CN19,其中接口CN19连接电容C12的一端、双向触发二极管TR3 的一端和电阻R22 的一端,电容C12的另一端连接电阻R25的一端,电阻R22的另一端连接双向输出光电耦合管PC1输出口一端,双向输出光电耦合管PC1的阳极连接电阻R24的一端,电阻R24的另一端连接5V 输入电源,双向输出光电耦合管PC4的阴极连接中央处理器CPU 的Water Heater B针脚,双向输出光电耦合管PC4输出口另一端分别连接电容C13的一端、电阻R60的一端和双向触发二极管TR2的另一端,电容C13的另一端、电阻R60的另一端、双向触发二极管TR2的另一端和电阻R25 的另一端连接交流零线ACL,形成双段式即热模块电路,通过并入集成电路板完成功能模块统一控制。

3 大功率多功能模块集成电路板在智能马桶应用中的优势

大功率多功能模块集成电路板将智能马桶配置功能模块控制开关电路集成在一块电路板上,以纳米工艺多芯片点焊接入,实现多层布线集成结构,保证电子元器件及线路工作有序进行,信号交互传输快速清晰,在集成增大功率电源接入的同时缩减体积,做好电路散热后续处理,有效解决现有智能马桶使用单向控制线缆连接电路板存在的控制电路繁复、内部结构拥挤、输出功率不足而且难以扩展功能进行维护检修等技术难题。

智能马桶配置应用大功率多功能模块集成电路板,从根本硬件设施上改进优化智能马桶内部电路结构,实现智能马桶多功能模块集成一体化,利用按键板控制电路开关,通过程序配置模块发送广播信号使信息快速交互传输,且利用程序模块配置算法增加扩展匹配程序功能,从而启动功能设备配置承载层,完成多种功能指令有序同步操作。大功率多功能模块集成电路板在智能马桶制造过程中的应用创新,不仅在结构优化上缩小功能模块体积,有序布线连接使线路板更为紧密,一体化集成设计方便程序模块设置扩展程序功能,同时也便于电路硬件的维护检修,极大地提升了智能马桶的使用质量,延长了智能马桶的使用年限,给予了用户更优质的产品体验。理论创新提供的设备硬件补充支持。在智能马桶制造企业专注于软件功能扩展,着重于智能信息化大方向昂头迈进的同时,基础的设备硬件制造也不能落下,大功率多功能模块集成电路板的开发应用,满足了智能马桶硬件配置优化,实现了智能马桶多功能模块硬件的集成使用,在紧抓智能信息化的同时做好数控科技化硬件基础发展,为未来智能马桶实现人工智能人性化科技发展提供坚实的基础硬件助力。

4 结语

智能马桶内部硬件结构使用大功率多功能模块集成电路板取代传统单向对应线缆连接电路设置模式,是对现今智能马桶制造发展集中于人工智能健康监测