摘要：  本文对应用新型电力线通信和无线链路控制技术与芯片构建的LED远程控制照明系统作研讨。

关键字：  远程照明，无线链路，模拟前端，微控制器，收发器

0 引言
发光二极管(LED)是一项快速发展技术，正在广泛用于众多通用照明领域，通常称作固态照明。LED照明的典型应用是：室内照明（用于商业、工业及住宅环境）、室外照明（路灯、停车场照明）以及建筑、装饰照明等。随着半导体技术和无线通信技术的发展，如今的建筑或路灯照明系统有了新的变化，即希望用新技术能够支持LED远程控制照明发展的需要。
应该说，模拟前端MAX2991(AFE)与MAX2990基带处理器及MAX1473接收器与MAX1472发送器，在无线通信领领域应用广泛，如MAX1473接收器与MAX1472发送器可在无线控制玩具、远端无线钥匙门禁(RKE)、射频远端控制、安全系统、胎压监视(TPM)、车库开门器、家庭自动化、本地遥感勘测系统、远端控制、安全系统、无线传感器等方面应用；而模拟前端MAX2991(AFE)和MAX2990基带处理器可在自动抄表、楼宇自动化、制热、通风与空调控制(HVAC)、家庭自动化、工业自动化、照明控制、远距离监控、安全系统/无钥匙门禁、传感器控制和数据采集与智能卡等方面应用。它们均是新型电力线通信和无线链路控制二种控制状态的支撑技木与芯片，是构建LED远程控制照明系统的有效选择。为此本文作重点研讨。
1 LED远程控制照明系统基本架构
众所周知，LED调光和改变照明色彩技术是新型LED远程控制照明基础。而新型远程控制照明的应用能够带给用户极大的增值空间。然而把传统照明设施升级为LED照明技术的成本必须控制在最低水平，为此通常是采用现有基础架构或设施进行实施与升级，故此方案也必然是受市场欢迎。但是对用于LED路灯远程控制照明系统来说，则此产品升级成本很高，因为现有基础架构或设施只能用于实现或控制LED远程照明布线实现，而其它所需的控制功能难于实现，否则将增加投入设备或成本。然而由于新无线通信与微控制器技术的发展，LED远程照明灯可以通过电力线通信(PLC -Power Line Communication)和无线链路控制两种技术及架构实现省LED的远程照明控制系统，则既可以实现智能化又可省去昂贵的升级费用，从而提高安全可靠性。
1.1 LED远程控制照明系统的设计要求
既然是LED远程控制照明系统，那末LED远程控制照明系统的主要设计要求应包括哪些内容呐？特概括如下：其一是通信范围。这取决于具体应用，对于住宅的室内应用，30m左右的通信范围即可满足要求，路灯则需要数千米的通信范围。其二是低功耗。LED的一个重要卖点是高能效。关闭照明、只有通信线路保持有效状态时，需要保证LED灯的功耗最低，这一点对于设计非常关键。其三是通信速率。有些照明应用只需较低的通信速率（几kbps）即可满足调光控制和故障状态读取的要求。但是，建筑照明有时会需要非常高的数据速率，甚至达到100kbps。洗墙灯就属于这类应用的一个典型例子，通过一条总线控制多个照明灯，并需要不断改变灯光色彩。其四是低成本。绝大多数照明应用都有类似要求。
1.2 LED远程控制照明系统方案的导出
应该说，电力线通信(PLC)技术能够支持远距离通信，但当交流线路的断路器或变压器不允许数据流自由传输时，可能带来一些问题。虽然无线通信不存在这一问题，但通信频率只能限制在免授权波段范围之内，则会使无线通信距离也受到一定限制。为此在有些情况下，可以将这两种技术相结合以得到最佳的解决方案，即在没有变压器阻隔的情况下采用电力线通信，而又可利用无线通信连接以支持横跨变压器作远程控制方案的兼容设计。其图1是在电力线通信或无线链路控制状态下构建的LED远程控制照明系统框图。系统可测量任意单灯的电流、电压、功率、功率因素，从而实现监测LED单灯电流控制或运行状态；由微控制器中心管理系统可下发的指令，如对LED路灯光进行远程控制、实现任意LED灯PWM调光，或某一路段路灯左边亮1、3、6、9等，右边亮2、4、6、8等，并根据单灯的运行状态及灯管工作时间自动生成检修、维修等故障检测服务。
从图1中间所示可知，新型LED远程控制照明系统中通常包括一个微控制器，它可以是一个分立单元，或者集成在另一IC内部（如MAX2990电力线通信调制解调器内置基带处理器）。多数情况下，用一个基本的微控制器足以满足上述远程控制照明设计要求，除非系统是采用具有复杂通信协议和复杂堆栈的ZigBee®芯片技术。该微控制器具有负责处理通信协议解码和LED驱动器调光信号及读取故障状态等功能，并用于控制灯的照明效果（例如剧场调光）。它是电力线通信（见图1左上）或无线链路（见图1左下）控制技术实现LED远程控制照明系统的的控制部件。那末在微控制器核心部件之前端是什么样的无线链路和电力线通信二种新型控制技术呐？为此，本文就将分别对实现LED远程控制照明系统的无线链路和电力线通信二种新型控制技术作研讨。
2 电力线通信LED远程控制照明系统
电力线通信(PLC)技术是一种能够支持远距离通信的新技术，将其应用在LED远程控制照明系统中是一种有效选择。该电力线线通信LED远程控制照明系统方案中应用了包括MAX2991模拟前端(AFE)和MAX2990基带处理器（见图2为LED电力线通信远程控制照明系统框图所示）。
这些器件构成一套完整的电力线发送/接收芯片组，能够以高达100kbps的数据率，在长达10km的电力线上传输数据。这一传输距离非常适合路灯照明系统。那为什么要应用MAX2991模拟前端呐？
2.1 模拟前端电路MAX2991的应用
之所以选用MAX2991为模拟前端电路。这是因为MAX2991是可用于在10kHz至490kHz频率范围的电力线通信(PLC)模拟前端(AFE)的集成收发器。为什么它有PLC技术能够支持远距离通信呐？其因就在于：其一是构建上的特点。MAX2991是首款专为通过电力线传输OFDM（正交频分复用）调制信号而设计的模拟前端电路。它的可编程滤波器工作在10kHz至490kHz频带，可利用同一器件支持国际上各类通信标准（如CENELEC、FCC、ARIB ）。它构成的最大特点是MAX2991收发器能提供两个主要通道：发送(Tx)通路和接收(Rx)通路。发送通路将OFDM调制信号注入交流或直流线路。发送通道由数字IIR滤波器、数/模转换器(DAC)及后续低通滤波器、前置线路驱动器组成。接收通道用于信号增强、滤波和接收信号数字化。接收器由低通和高通滤波器、两级自动增益控制(AGC)以及模/数转换器(ADC)组成，其集成AGC可将信号的动态范围最大提高至60dB，低通滤波器可消除带外噪声并选择所要求的频带，ADC转换器将经过增强和放大的输入信号转换为数字格式，而集成失调电路则可大大降低直流失调。由此可见MAX2991芯片的高集成度和优异的性能多功能收发器是作为电力线通信数据采集的有效选择，当然就成为后级基本处理器合适的模拟前端(AFE)电路，并可有效降低整体系统成本。其二是，MAX2991可工作在-40℃至+85℃温度范围，为3.3V单电源供电与70mA典型电源电流（半双工模式），采用48引脚LQFP封装。
因此它可在照明控制、远距离监控及传感器控制和数据采集等等设备上应用。由此将MAX2991与MAX2990 基带调制解调器配合使用，就可成为提供性价比较高的电力线网络数据通信方案。其图3所示为为MAX2991与MAX2990 基带调制解调器配合应用示意框图。
2.2 MAX2990基带处理器的应用
那为何要选用MAX2990基带处理器呐？这是因MAX2990是在10kHz至490kHz范围内基于OFDM的一种电力线通信调制解调器，并能够在10kHz至490kHz频带提供100kbps的数据传输，从而解决了LED灯用电力线通信远程控制的问题。其原因就在于：  
MAX2990包括MAXQ微控制器核，它集成了一个带有PWM输出的微控制器，可用于控制LED驱动器的PWM调光输入，这一功能省去了产生调光信号的其它电路；MAXQ是16位RISC微控制器，带有32kB闪存、5.12kB ROM和8kB SRAM，其中4kB可以同时由微控制器和PHY访问。除了标准模块如定时器、GPIO及外部中断外，MAX2990还内置串行通信模块(SPI™、I²C、UART)和一个产生时标的实时时钟(RTC)。
特别要指出的是，MAX2990基带调制解调器可通过交流或直流电力线提供高性价比且可靠的半双工异步数据通信，传输速率高达100kbps；MAX2990是高集成度片上系统(SoC)，利用16位RISC MAXQ微控制器核构建物理层（PHY见图3所示）和媒体访问控制(MAC)层。由于MAX2990采用OFDM调制技术，可在电力网络中进行稳定的数据传输，同时为网络的所有器件供电；尤其是MAX2990收发器基于正交频分复用(OFDM)技术，在噪声环境下也能进行可靠的数据传输。该OFDM技术包括二进制相移键控(BPSK)和前向纠错(FEC)功能，由于具备选频衰减特性的自适应功能，省去了均衡器，能够抵御干扰信号，在存在群延迟、脉冲干扰的情况下进行可靠的数据通信。MAX2990对FCC和ARIB具有消除阻塞功能。DES加密可增强数据安全性。为此，MAX2990基带处理器应用很广泛，尤其是照明控制、远距离监控、电力线传输语音设备等各设备之中。MAX2990提供64引脚LQFP封装，工作在-40℃至+85℃扩展级温度范围。
3 LED无线链路远程控制照明系统
根据LED远程控制照明系统设计要求，采用无线链路控制技术时可选择MAX1473接收器和MAX1472发送器。这些芯片工作在300MHz至450MHz免授权波段范围之内，室内环境下通信距离可以达到30m至50m。而MAXQ610微控制器以极低成本提供上述必备功能。
其图4为LED无线链路远程控制照明系统框图，那末为何选用MAX1472发送器和MAX1473接收器作为远程控制用芯片及MAXQ610微控制器呐?
应该说远程控制芯片MAX1472发送器和MAX1473接收器在无线通信领域应用广泛，尤其是在射频远端控制上更是有效之品。值此仅对在LED远程控制照明中的应用作分析。实际上只需对MAX1472发送器与MAX1473接收器的应用特征作说明，就可知它的远程控制功能了。
3.1 MAX1472发送器的应用特征
MAX1472是一款以晶振为基准的锁相环(PLL) VHF/UHF发送器，设计用于在300MHz至450MHz频段发送OOK/ASK数据。MAX1472支持高达100kbps的数据速率，可调节的输出功率最高可超过+10dBm（至50Ω负载）。MAX1472基于晶振的结构调制深度更大，频率稳定更快，发送频率的容差更大，并且温度依赖性较低，避免了许多SAW发送器中常见的问题。当配合使用MAX1470或MAX1473超外差接收器时，以上这些改进使得总体接收性能得到显著提升。MAX1472采用3mm×3mm的8引脚SOT23封装，额定工作级温度范围(-40℃至+125℃)。
3.2 MAX1473接收器的应用特征
MAX1473是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差接收器，具有-114dBm至0dBm的输入信号范围，用于接收300MHz至450MHz频率范围的幅度键控(ASK)数据信号非常理想。由于MAX1473只需要少量的外部元件，并具有低电流关断模式。该芯片包括低噪声放大器(LNA)、全差分镜频抑制混频器、带有集成压控振荡器(VCO)的片上锁相环(PLL)、带接收信号强度指示(RSSI)的10.7MHz IF限幅放大器，以及模拟基带数据恢复电路。MAX1473还具有一个分离的单级自动增益控制(AGC)，当RF输入信号大于-57dBm时可以将LNA增益下调35dB。概括地说MAX1473是300MHz至450MHz超外差接收器，具有315MHz或433MHz ISM波段优化、是3.3V或5.0V单电源供电与5.2mA低工作电流及耗电低于2.5µA的掉电模式实现高效率电源循环，片上AGC能提供高动态范围，很短的250µs启动时间，内置50dB RF镜频抑制，其接收灵敏度为-114dBm。MAX1473采用28引脚TSSOP和32引脚薄型QFN封装。两者的额定温度范围都是扩展工业级（-40℃至+85℃）。图6为MAX1472发送器与MAX1473接收器相连应用示意图。
3.3 MAXQ610的选用 
MAXQ610微控制器是具有红外模块的16位微控制器，包括能够与外部器件或系统进行通信的外设。这些外