基于智能馬桶應用大功率多模塊一體化集成電路板的研究*

賴在斌 黃甲欣 王 軍 黃麗敏魏 星 許少驄 黃廣成 吳茂炎 林棉洲

(1 佛山市希普科技有限公司 廣東 佛山 528000)(2 廣東櫻井科技有限公司 廣東 潮州 521000)

現代智能馬桶在制造設計上根據使用功能和延伸服務需求向智能化、科技化不斷發展創新,在豐富功能拓展程序使用的同時,對于承載軟件系統實現智能科技體驗基礎的硬件設施提出了更高的要求。傳統的智能馬桶使用的單向控制電路板硬件是以多功能模塊系統對應不同的控制電路,并通過線纜連接傳輸信號實現控制,隨著智能馬桶功能模塊設置的增加,導致不可避免地出現控制電路繁復、內部結構擁擠、輸出功率不足等一系列影響智能馬桶使用的技術難題。因此,實現智能馬桶軟硬件柔性連接一體化,改進優化傳統單向控制電路設置模式,提高智能馬桶電路硬件接入功率,急需開發制造一種多模塊系統集成一體化電路板來解決當前智能馬桶控制電路硬件面臨的難題。

1 智能馬桶控制電路技術現狀概述

智能馬桶是指運用當代信息技術和機電一體化技術所設計出來的智能坐便器[1]。大部分的智能馬桶擁有座圈加熱、自動沖洗、自動沖水、即熱驅動、自動翻圈翻蓋、電源管理等不同功能,并設置多個相關獨立功能模塊單向控制電路,以線纜連接的按鍵板控制電路模塊實現功能使用。這種單向對應控制電路板在運行使用中容易出現控制電路繁復、內部結構擁擠、輸出功率不足且難以擴展功能進行維護檢修等缺點。隨著智能馬桶在日常生活逐漸廣泛普遍使用,現代智能馬桶制造在市場需求推動下勢必朝著信息智能化、數控科技化繼續演變創新發展,面對傳統智能馬桶在制造中應用單向控制模塊功能電路板出現的技術缺點,研究開發應用于智能馬桶的多功能模塊集成電路板是智能衛浴研發生產企業的共同攻堅方向。

2 大功率多功能模塊集成電路板技術分析

2.1 多模塊集成電路概況分析

集成電路主要是指具備某種功能的微型的電子器件或者電子部件[2],通過晶體管、芯片、感應元件組裝連接使信息交互整合,信號整流擴展,結合印制電路板、電子元器件、信號源、電類儀表等構建成的多網孔的多功能電路模塊,通過技術集成實現多模塊設計功能的控制使用。在此基礎上,將多模塊集成電路板設計引進智能馬桶制造,可以有效解決傳統單向控制模塊功能電路板存在的控制電路繁復、內部結構擁擠、輸出功率不足且難以擴展功能進行維護檢修等行業共性技術難題,實現智能馬桶大功率多功能模塊一體化集成控制,從根本上優化智能馬桶內部電路結構設計和信號傳輸功能使用,促進智能馬桶制造向信息科技化、高端人性化發展。

2.2 智能馬桶應用大功率多功能模塊集成電路板具體實施方式

根據上述對于智能馬桶功能模塊電路設計的創新優化理念,具體的實施方式為,集中整合智能馬桶配置的基礎系統模塊,包括Bidet噴水系統、溫水加熱系統、座圈模塊、烘干模塊、操作顯示模塊、常規附加模塊、Toilet沖水模塊、自動翻蓋模塊、高級附加功能模塊和程序配置模塊,通過將寫入系統功能程序的多芯片模塊控制電路多層布線集成印制,實現智能馬桶內部線路結構集成一體化,按鍵板控制電路信息快速交互傳輸,且利用程序模塊配置算法增加擴展匹配程序功能,完成大功率多模塊功能一體化集成電路板的研究開發。

所述應用大功率多模塊一體化集成電路板智能馬桶在結構上通過單塊大功率電路板搭載多芯片模塊信息交互,以程序配置模塊作為控制中心搭載設置由納米工藝設計程序寫入芯片,通過信號廣播進行算法認證,建立設備配置承載層,啟動控制開關同步完成多模塊功能的靈活使用(見圖1)。

圖1 大功率多模塊功能集成電路板硬件結構圖

2.2.1 多模塊集成電路板接入程序配置模塊具體實施方式

以集成電路板上的程序配置模塊為例分析,其具體實施工作方式為:

(1)A1,通過設備向外發出廣播信號,其中未配置設備發出的是UnprovisionedDeviceBeacon,而已配置設備發出的是SecureBeacon,啟動配置設備接收到未配置設備的廣播消息時,通過該設備的UUID 值,MAC地址來識別該設備,用戶通過啟動配置設備啟動添加設備到網絡,啟動配置設備建立配置承載層。

(2)A2,當啟動配置設備發現欲配置設備是Unprovisioned Device時,會主動向該設備發送一個配置邀請包發出邀請,配置邀請包僅有一個額外的持續時間字段,用于確定設備的主元素有多長時間使用Attention Timer識別自身,如果配置承載層停止,設備應該設置主元素的Attention Timer狀態為0x00(off),Unprovisioned Device收到邀請后會回應配置能力包,用于回復本身具備哪些能力。

(3)A3,當啟動配置設備知道new Device所具備的能力后,根據其發送的配置能力包中選擇一種加密算法進行公鑰交換,如果啟動配置設備不支持配置能力包中提供的加密算法,啟動配置設備會選擇其所支持的最高加密算法,最后new Device與啟動配置設備交換密碼散列,完成雙方的認證。

(4)A4,啟動配置設備通過以上三個步驟已經掌握了new Device的信息、功能,并與其進行了公鑰交換與認證方式的選定,啟動配置設備向new Device發送消息要求其根據消息做出相應反應,例如:聲音、閃爍燈或者在屏幕顯示字符,啟動配置設備對其反應進行驗證。

(5)A5,認證完成后,啟動配置設備與new Device通過交換私有密鑰與公共密鑰生成會話密鑰,啟動配置設備將通過會話密鑰加密過的配置數據發送給new Device,new Device接收并解密配置數據,從而完成啟動配置,new Device 成功加入Mesh 網絡,成為Mesh網絡中的節點。

在電路板設計印制時,由基片表面布置規劃形成各大系統模塊控制芯片多層互連線,通過程序配置模塊向外發出廣播信號進行設備配置,通過UUID 值和MAC地址進行身份識別并啟動配置設備建立配置承載層,再以加密算法進行公鑰交換完成認證,實現功能信息指令的傳輸控制。

在建立設備配置層完成由程序配置模塊寫入信息輸送指令,整塊集成電路板實現由多模塊芯片點焊接入線路板實行各模塊功能控制開關多層有序互連,自主啟動集成配置功能。

集成電路的多功能模塊協同工作,除程序配置模塊起到進行信息交互控制外,其余主要組成集成電路硬件模塊組包括即熱模塊、機械閥模塊、翻蓋電機模塊、翻圈電機模塊和腳踢感應模塊也起到了至關重要的作用。不同于程序配置模塊通過信號傳輸和數據處理控制其他模塊開關工作,在集成電路上的其他硬件模塊皆以底層電子元器件連接形成基本功能電路結構,作為基本功能模塊組一同構成大功率多功能一體化集成電路。

2.2.2 多模塊集成電路板接入即熱模塊具體實施方式

以即熱模塊電路構成為例,如圖2所述即熱模塊由加熱接口CN4的一腳連接交流火線ACN,另一腳分別連接電容C18的一端、雙向觸發二極管TR3的一端和電阻R42的一端,所處線路板上以電容C18的另一端與電阻R46的一端相連,同時電阻R42的另一端與雙向輸出光電耦合管PC18輸出口一端連接,雙向輸出光電耦合管PC18的陽極連接電阻R44的一端,同層布線設置電阻R44 的另一端與5V 輸入電源連接,保證功率輸出。

圖2 即熱模塊技術實施結構圖

雙向輸出光電耦合管PC18的陰極連接中央處理器CPU 的Water Heater A 針腳,接收信息處理進行加熱工作,雙向輸出光電耦合管PC18輸出口另一端分別連接電容C19的一端、電阻R47的一端和雙向觸發二極管TR3的另一端,電容C19的另一端、電阻R47的另一端、雙向觸發二極管TR3的另一端和電阻R46的另一端連接交流零線ACL,其中交流零線ACL 與電容C18之間連通有通訊式即熱模塊J1,起到信息傳輸用電安全雙重保護作用。所述即熱模塊還包括接口CN19,其中接口CN19連接電容C12的一端、雙向觸發二極管TR3 的一端和電阻R22 的一端,電容C12的另一端連接電阻R25的一端,電阻R22的另一端連接雙向輸出光電耦合管PC1輸出口一端,雙向輸出光電耦合管PC1的陽極連接電阻R24的一端,電阻R24的另一端連接5V 輸入電源,雙向輸出光電耦合管PC4的陰極連接中央處理器CPU 的Water Heater B針腳,雙向輸出光電耦合管PC4輸出口另一端分別連接電容C13的一端、電阻R60的一端和雙向觸發二極管TR2的另一端,電容C13的另一端、電阻R60的另一端、雙向觸發二極管TR2的另一端和電阻R25 的另一端連接交流零線ACL,形成雙段式即熱模塊電路,通過并入集成電路板完成功能模塊統一控制。

3 大功率多功能模塊集成電路板在智能馬桶應用中的優勢

大功率多功能模塊集成電路板將智能馬桶配置功能模塊控制開關電路集成在一塊電路板上,以納米工藝多芯片點焊接入,實現多層布線集成結構,保證電子元器件及線路工作有序進行,信號交互傳輸快速清晰,在集成增大功率電源接入的同時縮減體積,做好電路散熱后續處理,有效解決現有智能馬桶使用單向控制線纜連接電路板存在的控制電路繁復、內部結構擁擠、輸出功率不足而且難以擴展功能進行維護檢修等技術難題。

智能馬桶配置應用大功率多功能模塊集成電路板,從根本硬件設施上改進優化智能馬桶內部電路結構,實現智能馬桶多功能模塊集成一體化,利用按鍵板控制電路開關,通過程序配置模塊發送廣播信號使信息快速交互傳輸,且利用程序模塊配置算法增加擴展匹配程序功能,從而啟動功能設備配置承載層,完成多種功能指令有序同步操作。大功率多功能模塊集成電路板在智能馬桶制造過程中的應用創新,不僅在結構優化上縮小功能模塊體積,有序布線連接使線路板更為緊密,一體化集成設計方便程序模塊設置擴展程序功能,同時也便于電路硬件的維護檢修,極大地提升了智能馬桶的使用質量,延長了智能馬桶的使用年限,給予了用戶更優質的產品體驗。理論創新提供的設備硬件補充支持。在智能馬桶制造企業專注于軟件功能擴展,著重于智能信息化大方向昂頭邁進的同時,基礎的設備硬件制造也不能落下,大功率多功能模塊集成電路板的開發應用,滿足了智能馬桶硬件配置優化,實現了智能馬桶多功能模塊硬件的集成使用,在緊抓智能信息化的同時做好數控科技化硬件基礎發展,為未來智能馬桶實現人工智能人性化科技發展提供堅實的基礎硬件助力。

4 結語

智能馬桶內部硬件結構使用大功率多功能模塊集成電路板取代傳統單向對應線纜連接電路設置模式,是對現今智能馬桶制造發展集中于人工智能健康監測