[发明专利]智能墙式交流开关组

说明书

本次申请是对“无源智能单刀交流开关组”(申请号：00130762.2)的修改，主要有：

1)在权利要求表述上，上一申请中对“电控单刀交流开关的电源取自开关两端的稳压法”的限定在技术上显然不必要，同样的技术也可与“电控单刀开关的电池充放电供电法”等结合，也可用于双刀开关，甚至程序都无须修改。因此有必要重新表述。

2)在说明书中，使用更为可行的实现方案作为支持：用多任务实时内核取代对睡眠方式的使用，因为就目前的单片机技术而言，唤醒时间未能满足实时需要。因而撤回相关的权利要求。

3)增加了连接电压驱动型开关元件及传感器的权利要求。

本申请所述的技术是“电控单刀交流开关的电源取自开关两端的稳压法”(申请号：99116240.4)和“互控单刀交流开关”(申请号：99117202.7)工作的延续和完善，涉及电工学、电子线路、计算机及其通信，它将使墙式民用单刀开关向电子化、智能化升级。

由于“电控单刀交流开关的电源取自开关两端的稳压法”所提供的电流非常有限，“互控单刀交流开关”中所提的交流电载波法所须电流较大，而以无线电、红外线等功耗效率高的通信方式更可取。

墙式开关有尺寸的限制，在多通道(多按钮控制多负载)情况下(图1是普通多通道单刀开关的原理图)用集成度高的芯片是有利的。为减少外围器件和功耗、使用低成本器件、增加整个产品的功能，在此提出的技术包括：

一)双向可控硅的低电流触发

图2所示的光耦合晶体管触发线路在O处输入信号电流可小于0.3毫安。而如MOC3041之类的专用过零触发器件(一般为光耦合可控硅)所须的电流均不低于10毫安。进一步，O处的电流可以是短触的触发脉冲，这可由单片机控制。

二)使用电压驱动型的开关元件

使用电压驱动型的开关元件如MOSFET、IGBT等，具有高输入阻抗、能承受高电压电流变化率的优点(图3)。图5还提供了一个单刀交流开关在通态时既可利用交流电半波的上沿低压区间也可利用下沿低压区间对蓄能电容进行大电流充电的实例，进而支持“电控单刀交流开关的电源取自开关两端的稳压法”：充电时关闭主开关元件，打开充电开关，充电完毕后打开主开关。

三)整个开关组系统的单片机控制(图4)

图中TR1，…，TRn-1为开关元件及其驱动电路，n为通道数，I1，I2，…，Im为开关量输入。单片机的具体任务有：

    1)摇控信号收发、解码，当解码成功时执行控制动作

    2)本地输入命令解释，毛刺(干扰)过滤、防抖动(开关量展宽)

    3)过零检测及开关元件的驱动(同步信号在交流电正半周为1，负半周0)

    4)斩波驱动(用于功率调节)

因须处理的任务数不算多，在使用带有中断功能或串行I/O的单片机时，处理较为简单，在此主要考虑不带中断或串行I/O功能的非抢占式多任务实时内核的实现。

在临界条件下，所有任务在一个交流电周期内都存在。因此可把它们当作并发进程。在上述进程中，摇控信号的收发实时要求较其它进程的要求高很多，不仅需要将处理时间较长的进程(如输入和斩波驱动)分解为线程(每次仅处理一个I/O口)，而且在摇控信号处理时间到来前，要把控制权交出给高优先级的摇控信号处理以保证对摇控信号的采样频率(按采样定理，采样频率需大于被采样最高频率的2倍)以及发送信号的均匀规则、完整。为实现斩波驱动，需引入一长程计时时钟的进程，它在过零时复位清零(使用“看门狗”做抗干扰处理时，也可在此“喂狗”)。在半个交流电的周期内，以上进程按以下顺序循环执行，凡无相关事件发生时，进入下一进程：

过零检测→本地输入解释→斩波驱动(以长程时钟作判断)→长程时钟计时(如时间进入过零检测区则进入过零检测进程)。

在无斩波要求时，同步信号可不接。长程时钟则主要用于过滤毛刺及命令展宽。

顺序的实现由信号灯控制。摇控信号收发处理的时间控制由单片机的内部时钟确定(图6为程序流程图)。

在考虑开关上的发射功能时，为简化设计，采用单信道无控制中心的收发的方式。如果使用要求不高，只需在信道空闲时把信号发出，如遇到碰撞情况(概率很低)而出现误操作则人工重发。

为避免碰撞，数据链路层中可使用载波检测多址访问和避免碰撞(MSCA/CA)的技术。

当所要控制的开关距离远离所在开关的发射电路的有效作用范围时，只要它们中间有另一组同类的开关，该开关便可负责控制信号的转发。转发与否及转发的信息格式是根据路由地址表决定的，在任意时刻内只有一组开关负责转发操作。

在有更高要求时，可把目标开关动作落实后的状态向发射端回传。还可以在单片机I/O口连接传感器，采集环境变量如温度、亮度等。如传感器输出的是开关量，则上述程序几乎不用改动。如传感器输出的是模拟量则使用带模数转换的单片机。如传感器输出的是数字信号，则可视信号形式，选用带不同I/O功能，如不同的串行总线等。相关处理指令可加在命令解释附近(优先级较低)。