李顯成，王 猛，段妮妮

（1.華中光電技術(shù)研究所 武漢光電國家研究中心，湖北 武漢 430223；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引 言

21 世紀(jì)以來，全球能源面臨挑戰(zhàn)，中國號召節(jié)能減排，而要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵一點(diǎn)在于用更少的能源和材料做更多的事情。

與此同時(shí)，隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們的生產(chǎn)和生活方式已經(jīng)朝著智能、低碳、簡便和綠色的方向發(fā)展。而傳統(tǒng)的開關(guān)和其他控制設(shè)備已經(jīng)無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，低碳、綠色、節(jié)能環(huán)保的無源無線產(chǎn)品便應(yīng)運(yùn)而生，此類產(chǎn)品主要應(yīng)用于照明、安防和樓控領(lǐng)域。在一定程度上，無源無線開關(guān)裝置的普及能減少廢棄電池對環(huán)境的影響。

目前國外無源無線產(chǎn)品性能優(yōu)良，外觀優(yōu)美，然而系統(tǒng)龐大，產(chǎn)品成本高昂，使得國外無源無線設(shè)備只能成為小眾產(chǎn)品。目前，國內(nèi)無源無線的研制和生產(chǎn)處于起步階段，有幾家廠家已經(jīng)推出了無源無線產(chǎn)品，主要分為照明控制和門鈴兩個(gè)類別，產(chǎn)品定位比較高，技術(shù)不夠成熟，價(jià)格不親民，不適用于一般家庭。

1 無源無線遙控裝置的總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目的

高可靠性無源無線遙控裝置研發(fā)的目的在于拋棄電池供電，嘗試設(shè)計(jì)簡單可靠的無源無線開關(guān)，實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的無源無線控制。

1.2 裝置構(gòu)成

整體設(shè)計(jì)包含兩個(gè)模塊，分別為發(fā)射模塊和接收模塊。發(fā)射模塊負(fù)責(zé)激發(fā)控制信號，無需外部電源，包含小型發(fā)電機(jī)、全橋整流、儲能、信號編碼和信號發(fā)射電路。小型發(fā)電機(jī)用于提供電能；全橋整流電路和儲能電路實(shí)現(xiàn)正負(fù)電壓變正電壓和電能存儲；信號編碼電路和信號發(fā)射電路用于將控制信號加載于高頻信號并發(fā)射出去。接收模塊接收和解析控制信號，可嵌入到用電設(shè)備，包含AD?DC 電源、信號接收、信號解碼和控制電路。AD?DC 電源用于提供電能，信號接收電路和信號解碼電路用于信號的接收和分離，控制電路實(shí)現(xiàn)控制信號的解析[1]。圖1 為無源無線遙控裝置的系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 發(fā)射模塊

2.1 發(fā)射模塊框圖

發(fā)射模塊框架如圖2 所示。圖中：實(shí)線箭頭表示數(shù)據(jù)流向，虛線箭頭表示能量流向。發(fā)射模塊全部封裝在手搖手電筒里面，手搖手電筒集成小型發(fā)電機(jī)，通過拆解手搖手電筒內(nèi)部電池和發(fā)光模塊釋放空間來安裝余下的電路。整流儲能電路由二極管和電解電容組成[2?3]。編碼電路采用低價(jià)、低能耗、性能穩(wěn)定的CMOS 編碼芯片，經(jīng)過該芯片處理后的信號由工作頻率為315 MHz 的無線射頻發(fā)射電路發(fā)射出去。由于采用小型貼片元件和集成化方案，除發(fā)電裝置外，所有其他部分都集中在一起，故發(fā)射模塊精致小巧。

2.2 電源整流

如圖3 所示，在儲能電路充放電曲線圖中，當(dāng)時(shí)間到達(dá)9.52 s 時(shí)，按下手搖手電筒，儲能電路開始儲存電能，同時(shí)給發(fā)射模塊供電，直至儲能電路兩端的電壓低于LED 燈的導(dǎo)通電壓0.7 V 時(shí)，此時(shí)儲能電路放電電流趨近于0 A，使儲能電路電壓穩(wěn)定在0.7 V 左右。

圖2 發(fā)射模塊框圖

圖3 儲能電路充放電曲線圖

2.3 編解碼芯片

本文裝置采用的編解碼芯片是普城公司生產(chǎn)的一種CMOS 工藝制造的編解碼芯片組PT2262/PT2272。

PT2262 與PT2272 通過地址碼配對使用。本文根據(jù)PT2262/PT2272 芯片組三態(tài)地址管腳的特性，裝置采用8 位地址碼和1 位數(shù)據(jù)碼，本設(shè)計(jì)理論上允許6 561 套裝置在同一空間內(nèi)運(yùn)行，這極大地超出了實(shí)際運(yùn)用環(huán)境。

3 接收模塊

3.1 接收模塊框圖

接收模塊框圖如圖4 所示。圖中：實(shí)線箭頭表示數(shù)據(jù)流向，虛線箭頭表示能量流向。接收模塊的電源由一個(gè)220 V 轉(zhuǎn)5 V 的AC?DC 提供。超再生接收電路用來接收發(fā)射模塊產(chǎn)生的315 MHz 無線信號[4?5]。解碼電路由與信編碼電路中的PT2262 芯片相對應(yīng)的解碼芯片PT2272?M4 及其外圍電路組成[6?12]。RC 延時(shí)電路能夠防止短時(shí)間內(nèi)觸發(fā)器多次觸發(fā)，避免了按一次手搖手電筒，繼電器狀態(tài)轉(zhuǎn)換兩次的情況[13?16]。控制電路由CD4013 觸發(fā)器和三極管組成。本文由于采用的是低功耗的貼片器件，故整體接收模塊靜態(tài)工作電流極低。

3.2 RC 延時(shí)電路

如圖5 延時(shí)電路所示，Input 通過2 個(gè)PNP 的三極管控制電容進(jìn)行充放電，當(dāng)PT2272 收到有效信號時(shí)，Input為高電平，Q1不導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通，電容C1瞬間充電至5 V，當(dāng)PT2272 未收到信號時(shí)，Input 為低電平，Q1導(dǎo)通，Q2不導(dǎo)通，電容C1經(jīng)過R4放電。Q3，Q4和Q5對RC充放電，并進(jìn)行平滑曲線處理置位和信號復(fù)位。Input 經(jīng)延時(shí)電路處理后，通過Rd和Sd控制的D 觸發(fā)器輸出矩形波，經(jīng)另外一個(gè)D 觸發(fā)器二分頻后直接控制開關(guān)電路。RC 電路的放電時(shí)間表達(dá)式為：

式中：T為放電時(shí)間；R為R4阻值；C為C1的電容值；Vu為充電電壓；Vt為放電終止電壓。

圖4 接收模塊框圖

圖5 延時(shí)電路

電路中電容C1為22 μF，電阻R4為300 kΩ，PNP 三極管導(dǎo)通壓降為0.7 V，又Vu為5 V（電源電壓），故Vt為4.3 V，由此計(jì)算出放電時(shí)間T為0.995 s。即當(dāng)?shù)谝粋€(gè)下降沿到來時(shí)，其下一個(gè)上升沿最少要等待0.995 s，這樣就杜絕了多次觸發(fā)，提高了裝置觸發(fā)的精度。

圖6 所示為控制信號經(jīng)過RC 延時(shí)電路處理前后的曲線圖。由圖6可以看出，接收模塊的3次觸發(fā)中有2次產(chǎn)生了誤觸發(fā)，經(jīng)RC 延時(shí)電路處理后，誤觸發(fā)沒有傳到后級開關(guān)電路，其中，實(shí)際延時(shí)時(shí)間小于0.995 s，這是因?yàn)殡娮鑂5的兩端存在壓差，Vt實(shí)際電壓大于4.3 V。

4 測 試

4.1 測試環(huán)境

整體測試環(huán)境在尺寸為6 m×12 m 的空曠室內(nèi)進(jìn)行。房間溫度為25 ℃，濕度為55%RH，室內(nèi)有1 個(gè)無線路由器，5 個(gè)2.4 GHz 頻段的無線設(shè)備。用電設(shè)備選用的是臺燈。

4.2 測試結(jié)果

經(jīng)過多天的實(shí)驗(yàn)測試，在空曠的條件下，無源無線遙控裝置觸發(fā)成功率極高。發(fā)射模塊電路面積只有6 cm2，接收模塊靜態(tài)功耗低至20 mW，達(dá)到了小型化低功耗的需求，同時(shí)在價(jià)格上也有極大的優(yōu)勢。本文所述的小型化低功耗無源無線遙控裝置技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖6 控制信號經(jīng)過RC 延時(shí)電路處理前后的曲線圖

表1 技術(shù)指標(biāo)

收發(fā)裝置觸發(fā)成功率是在工作距離為10 m，每2 s按1 次手搖手電筒的情況下測出，它表示接收模塊動作的次數(shù)與按下手搖手電筒的次數(shù)的比值。接收模塊靜態(tài)功耗表示繼電器斷開時(shí)接收模塊的功耗。接收模塊動態(tài)功耗表示繼電器閉合時(shí)接收模塊的功耗。收發(fā)裝置的反應(yīng)時(shí)間表示按下手搖手電筒時(shí)與接收模塊動作時(shí)的時(shí)間間隔。接收電路最大控制功率表示能控制的用電設(shè)備的最大功率。

圖7 為小型化低功耗的無源無線遙控裝置整體實(shí)物圖。發(fā)射模塊和接收模塊的外型尺寸均很小巧，體現(xiàn)了小型化的設(shè)計(jì)理念。將來可以根據(jù)發(fā)電機(jī)的大小進(jìn)一步減小外型尺寸，擴(kuò)展應(yīng)用范圍。

圖7 無源無線收發(fā)裝置實(shí)物圖

5 結(jié) 語

本文介紹了一種小型化低功耗的無源無線遙控裝置設(shè)計(jì)方案。該方案中，利用核心的PT2262 編碼芯片和PT2272 解碼芯片，輔以外圍電路實(shí)現(xiàn)了小范圍內(nèi)無線遙控收發(fā)功能；利用手搖發(fā)電機(jī)、電源調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)了無源的目標(biāo)，無需外界輸入電能，即可實(shí)現(xiàn)整體電路的遙控和觸發(fā)。經(jīng)過多次測試和試用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、精致小巧、性能穩(wěn)定可靠、功耗低、使用方便、節(jié)約能源，很好地符合了21 世紀(jì)新能源環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)。無源無線開關(guān)除了能實(shí)現(xiàn)用戶的基本需求，還具有生產(chǎn)成本低、使用便利、外形美觀等優(yōu)勢。