紅外遙控節(jié)能開關插座的設計原理及測試

　　紅外遙控節(jié)能開關插座是采用歐盟技術標準設計的針對電視機的一款智能開關插座，本文闡述了紅外節(jié)能開關插座的硬件電路設計、軟件算法設計，以及對產(chǎn)品進行的白/黑盒定型測試，給出了自動開關插座的設計和定型方案，消費者利用它可以對家中一些需要不斷開關的電器進行自動斷電控制，而不需要拔掉插頭。

　　1 紅外節(jié)能開關插座的硬件設計

　　1.1 紅外節(jié)能開關插座的工作原理

　　紅外節(jié)能開關插座是指采用在規(guī)定空間距離范圍內(nèi)，發(fā)出紅外線使開關插座開啟或關閉，延時一定時間后自動斷開電源的設備。

　　外節(jié)能開關插座具有自動斷電功能，主要是利用負載的輸入電壓在待機與開機兩種狀態(tài)下的有效波形差異較大進行工作。負載在待機狀態(tài)所取的有效波形是指在一個周期內(nèi)，絕對值大于閾值部分所占的大小;負載設備在開機狀態(tài)所取的有效波形部分是指在一個周期內(nèi)，波形方向與待機狀態(tài)同向，絕對值大于閾值部分所占的大小。

　　設電視機負載輸入電壓波形峰峰值一半處為波形的閾值，如果絕對值大于閾值則認為是高電平;如果絕對值小于閾值則認為是低電平。電視機的待機狀態(tài)或開機狀態(tài)，輸入電壓波形在單周期內(nèi)，絕對值大于閾值波形所占的比值通常在1：2之上，使得負載輸入電壓波形可以被采樣電路所采樣，采樣的數(shù)值在單片機存儲器中也可對應表示為二進制數(shù)據(jù)。因此，設計紅外節(jié)能開關插座的原理圖如圖1所示，它是由MCU控制電路、檢測電路、比較電路、關斷電路、紅外接收電路、開關插頭電路和電源電路等部分構(gòu)成的智能開關插座。

　　1.2 檢測電路的設計

　　在紅外節(jié)能開關插座的硬件電路設計中，檢測電路負責檢測負載電視機輸入端處于不同狀態(tài)下的電壓波形，并將采樣到的波形數(shù)據(jù)送入后級放大電路，經(jīng)過放大后的波形數(shù)據(jù)再交由比較電路和單片機進行分析處理，檢測電路的電路原理圖如圖2所示。

　　線圈是采樣負載輸入電壓波形的重要器件，根據(jù)電磁學理論，忽略線圈邊緣散場，且假定中心為均勻磁場的情況下，由式(1)可計算出的檢測電路線圈匝數(shù)為[0.5，5]匝。

　　式中：N為線圈匝數(shù)(單位：匝);B為管子聚焦中心磁感應強度(單位：G);l為偏轉(zhuǎn)線圈的有效長度(單位：cm);I為流過線圈的電流(單位：A);β為偏轉(zhuǎn)線圈軸線中心點與偏轉(zhuǎn)線圈直徑的夾角。

　　一般來說，線圈的匝數(shù)和電壓成正比關系，減小線圈匝數(shù)有助于電壓波形的采樣，不利于電壓波形的穩(wěn)定;增加線圈匝數(shù)在一定程度上可以提高電壓波形的采樣穩(wěn)定性，但采樣精確度又會有所降低。為了從估算值中準確確定檢測電路線圈的匝數(shù)，需要對開關插座進行變線圈匝數(shù)的試驗，以尋找最佳的線圈匝數(shù)。

　　在試生產(chǎn)的批量產(chǎn)品中，隨機選取56個半成品作為試件，設計實測方案來完成電感線圈匝數(shù)的求值。首先進行0.5匝線圈的測試，如果達不到指標要求，則將線圈匝數(shù)直接調(diào)至最大值5匝再進行測試。如果性能指標仍未達到設計要求，就以1匝為基數(shù)減少線圈匝數(shù)進行測試，直至減少到2匝(含2匝)為止。若還是達不到設計要求，則將減小的基數(shù)改為0.5匝，也就是按1.5匝的線圈進行測試。根據(jù)上述試驗方案先選擇0.5匝的線圈匝數(shù)，試驗測得波形良好的是53個，產(chǎn)品的優(yōu)良率為94.6%;待機或開機波形不良的有2個，波形不穩(wěn)定的1個。用同樣方法進行5匝、4匝、3匝、2匝和1.5匝線圈的試驗，測得如表1所示的數(shù)據(jù)，產(chǎn)品優(yōu)良率為87.5%，89.3%，78.6%，89.3%和83.9%，可見線圈N=0.5匝的產(chǎn)品性能最佳。

　　1.3 比較電路的設計

　　紅外節(jié)能開關插座的比較電路負責對采樣到的待機波形和工作波形進行對比判斷，是開關插座能夠完成自動關斷功能的關鍵電路，其電路原理圖的設計如圖3所示。

　　從電路圖中可以看出LM358放大器是比較電路的核心器件，LM358是適合于電池供電的低功耗器件，有兩個獨立的、高增益的、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器。兩片LM358配合使用就能夠?qū)⑤斎刖€圈的電流信號轉(zhuǎn)換成雙極性的電壓信號輸出，可以用于單片機控制的存儲器中待機波形與實時采樣波形數(shù)據(jù)的比較辨別。

　　為驗證比較電路設計的實際效果，從線圈匝數(shù)為O.5匝的半成品中隨機抽取50個試件進行測試。

　　第一步，若開機/待機波形均良好，則編號歸入波形正常類。若開機/待機波形不良，則編號，更換LM358后再次檢測;若波形良好，就歸入更換LM358后波形正常類;若波形依然不良，則歸入其他故障類，得到如表2所示的測試數(shù)據(jù)。對前兩類半成品，裝成整機后進行第二步測試;對第三類半成品，交由維修部門診斷故障并修復，不再進行后續(xù)測試。

　　第二步，對上一步波形正常的49個半成品裝成整機進行功能檢驗。規(guī)定檢測過程、自動斷電過程、電視機使用過程的觀測時間分別為3 min，1 min，10 min，如果前兩者超出上述假設條件，將按照不同的原因予以分類。試驗得到44個正常，5個功能不佳，其中功能不佳的5個包括2個在開機時自動關機;3個在使用遙控將電視機待機后10 min仍不能自動斷電(屬于自動斷電過程失效)的測試結(jié)果。事后經(jīng)故障檢測和隔離發(fā)現(xiàn)：開機時自動關機的2個整機故障原因是線圈與電路板虛焊，經(jīng)修復后正常;10 min不能自動斷電的3個整機，經(jīng)查明其中1個是誤測，其余2個屬于更換LM358后波形良好類。因此，可以說隨機取樣的50個半成品裝成整機后，不考慮 PCB板焊接故障以及LM358元器件本身可靠性的原因，合格的產(chǎn)品共有49個，合格率達到98%以上，表明該電路的設計達到設計要求。

　　1. 4 開關插頭電路的EMC設計

　　歐美發(fā)達國家對產(chǎn)品電磁兼容的要求普遍較高，為滿足出口紅外節(jié)能開關插座的需要，其開關插頭電路設計有抑制電磁干擾電路。開關插頭電路中的抑制電磁干擾部分采用共模電感和電容串聯(lián)方式構(gòu)成噪聲濾波器電路，如圖4所示，C8、La和C9、Lb組成的兩組低通濾波器，可以使線路上的電磁干擾信號被控制在規(guī)定水平。該噪聲濾波器能有效地抑制外部電網(wǎng)電磁干擾信號通過開關插座進入負載電視機，增強電視機的收視效果，也能衰減負載電視機產(chǎn)生的電磁干擾信號污染外部電網(wǎng)，滿足了紅外節(jié)能開關插座的EMC設計初衷。

　　2 紅外節(jié)能開關插座的軟件設計

　　紅外節(jié)能開關插座控制軟件的設計既充分考慮了軟件的實用性，又兼顧了代碼的可靠性，進行了系統(tǒng)的三方測試。軟件設計整體上可分為系統(tǒng)管理主程序、系統(tǒng)調(diào)用子程序、上電自檢子程序、檢測過程子程序、自動斷電子程序、延時子程序、報警子程序和系統(tǒng)保護子程序等部分。

　　紅外節(jié)能開關插座在第一次使用時，需要進行開機上電自檢測，首先應把電視機電源插頭插到開關插座上，再把紅外開關插座插入外部電源插座，然后用遙控器把電視機置于待機狀態(tài)下。此時紅外節(jié)能開關插座將以指示燈閃爍表示系統(tǒng)的上電自檢過程，軟件流程如圖5(a)所示。此時，開關插座將對電視機處于待機狀態(tài)下的波形進行采樣、辨別和存儲。指示燈閃爍期間檢測電路對待機波形進行采樣;如果連續(xù)五個周期的采樣波形完全相同，則以指示燈的閃爍結(jié)束來標識完成了對待機波形的辨別;指示燈處于常亮狀態(tài)后，單片機將此波形記錄為電視機的待機波形。然后等待一段時間，如果負載電視機始終沒有處于工作狀態(tài)，則系統(tǒng)檢測到的波形與存儲器中的波形一致，關斷電路就切斷外部電源。

　　電視機和紅外節(jié)能開關插座的遙控器實現(xiàn)了相互兼容，用戶可以用電視遙控器先將開關插座打開，再用遙控器打開電視機。當電視機處于正常開機狀態(tài)時，圖像、聲音等視聽功能被同時打開，使得電視機功耗增大，此時檢測電路監(jiān)測到的波形與記錄在存儲器中的待機波形差距較大，此刻系統(tǒng)管理主程序、系統(tǒng)調(diào)用子程序、檢測過程子程序、報警子程序和系統(tǒng)保護子程序都在正常運行，保證了電視機在這種情況下不會發(fā)生自動關機現(xiàn)象。用戶可以正常收看電視節(jié)目，這也是節(jié)能開關插座所必須具備的基本功能。

　　用戶將電視機用遙控器關閉，使電視機處于待機狀態(tài)后，自動斷電子程序開始運行，其流程圖如圖5(b)所示，當檢測到此刻的波形正好與存儲器中記錄的待機波形一致時，單片機就會控制切斷電源，保證用戶使用結(jié)束后能將電視機徹底關機，從而達到節(jié)約待機能耗的目的。

　　用戶在以后的使用中，如果沒有將電視機插頭從紅外節(jié)能開關插座中拔出，沒有將紅外節(jié)能開關插座從電源處拔出，就可自動完成待機狀態(tài)的關斷，最大限度地節(jié)約電視機的待機能耗。

　　3 紅外節(jié)能開關插座的定型測試

　　3.1 紅外節(jié)能開關的白盒測試

　　從智能開關插座的工作原理可知，檢測電路能否采樣到良好的待機波形，是紅外節(jié)能開關插座設計是否成功的前提;比較電路能否明顯辨別待機狀態(tài)和工作狀態(tài)的波形，是紅外節(jié)能開關插座能否實現(xiàn)自動關斷的基礎?？梢姍z測電路和比較電路就是自動開關插座的關鍵電路，白盒測試就是要針對這兩個電路進行試驗。

　　首先在測試架上對電路板進行測試，測試合格后從中隨機選取1 000個電路板作為白盒測試的樣本，對檢測電路的白盒測試，其結(jié)果分為采到和沒采到待機波形兩種情況，而采樣到待機波形又分為波形良好和波形有失真兩種情況，具體的測試數(shù)據(jù)如表3所示。

　　對于通過上一步白盒測試的半成品，再從中抽取373試件，對比較電路進行白盒測試，得到如表4所示的數(shù)據(jù)。從實測數(shù)據(jù)可知，紅外節(jié)能開關插座半成品的白盒測試合格率為98.66%，所以該批次達到了量產(chǎn)要求。

　　3.2 紅外節(jié)能開關的黑盒測試

　　在紅外節(jié)能開關插座的產(chǎn)品定型前，還必須進行整機功能的黑盒測試，以驗證其節(jié)能功能。根據(jù)紅外節(jié)能開關插座的使用環(huán)境，測試的嚴酷度等級可分成兩種情況：第一，負載電視機沒有閉路信號與聲音，屏幕藍屏狀態(tài)下的高嚴酷度等級功能測試;第二，負載電視機的視聽信號全部打開，用戶欣賞節(jié)目狀態(tài)下的低嚴酷度等級功能測試。

　　在黑盒測試的過程中，規(guī)定電視機的使用時間為5 min。從通過白盒測試的紅外節(jié)能開關插座中，隨機選取300個半成品試件，將它們裝成整機進行黑盒功能測試。在第一種情況下，300臺紅外節(jié)能開關插座試件進行的測試得到277個功能正常的試件，15個檢測時間超過三分鐘(包含有3個指示燈一直閃爍和12個在檢測階段三分鐘內(nèi)指示燈不熄滅)，2個開機自動關機，6個1 min內(nèi)不能自動斷電，共有23個功能不良，具體如表5所示。

　　對上面發(fā)現(xiàn)的23個問題試件，進行了第二種情況下的黑盒測試，試驗數(shù)據(jù)如表6所示，得到15個檢測時間超過3 min的整機中，在電視機有閉路信號的條件下測試合格;而出現(xiàn)自動關機嚴重故障現(xiàn)象的2個試件，把它們放在任選的3臺不同負載電視機上進行測試，其中有一個延時自動斷電，而另一個查明是電路板上比較電路中的一個電阻損壞，經(jīng)更換后測試功能正常;6個自動斷電時間大于1 min的整機，有2個斷電時間較長，其余4個在電視機有閉路信號的工作條件下均合格。

　　綜上所述，進行黑盒測試的300個紅外遙控節(jié)能開關插座整機，有296個功能完全正常，批次合格率達到98.67%。另有1個電路焊接故障和3個自動斷電時間較長。綜上所述，紅外節(jié)能開關插座設計合格，達到了正式量產(chǎn)的要求。

　　4 結(jié)語

　　電視機等家用電器由于沒有定時控制，它們在待機狀態(tài)浪費了大量的能源。紅外節(jié)能開關插座固有的節(jié)能特性，實現(xiàn)了“用戶自己不用時自動拔下插頭，使用時自動接上插頭”的功能，可以不規(guī)律設定斷電和接電時間，達到了操作簡便且節(jié)能的目的，對建設節(jié)約型社會起到了重要的推動作用。該紅外節(jié)能開關插座具有的可靠性高、壽命長、功耗低、反應速度快等優(yōu)點，使得即使存在當前的全球金融危機，它仍然獲得了德國、英國、澳大利亞等國用戶的青睞，僅2008年下半年就得到約 4.6萬余個的訂單。