一種消防應(yīng)急燈具專用控制芯片的設(shè)計(jì)

引言
    消防應(yīng)急燈具作為一種重要的消防器材，廣泛應(yīng)用于賓館、商場、娛樂場所等公眾聚集場所，其功能是在這些場所發(fā)生火災(zāi)斷電后，應(yīng)急燈具自動(dòng)照明，引導(dǎo)被困人員疏散。消防應(yīng)急疏散照明技術(shù)是一項(xiàng)重要的救生疏散技術(shù)。為了降低應(yīng)急燈具的生產(chǎn)成本和功耗，以及其設(shè)備可靠性的問題，設(shè)計(jì)一種消防應(yīng)急燈具的專用控制芯片，該芯片可完全達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)并大大降低產(chǎn)品的開發(fā)難度。

1 芯片的內(nèi)部組成
    目前市場上的消防應(yīng)急燈按應(yīng)急供電方式大致分為：自帶電源型和集中電源型。自帶電源型單個(gè)系統(tǒng)自帶備用蓄電池，平時(shí)由市電供電，只有當(dāng)市電電源切斷時(shí)，備用電源自動(dòng)投入運(yùn)行。集中電源型是在主電故障時(shí)，利用蓄電池提供的直流電源，逆變輸出交流電壓，而主電正常時(shí)，則由開關(guān)電路控制，直接將主電輸出。
    本芯片主要用于各種自帶電源型的消防應(yīng)急照明燈具和疏散燈具中，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．1 8051徼處理器IP核
    8051是一款單芯片、快速的8位微處理器IP核。它的8位功能性的嵌入式控制器支持所有的ASM51指令集以及80C31的相同指令。指令是計(jì)算機(jī)用于控制各部分功能部件完成某一動(dòng)作的指令和命令。8051核的指令按照功能分為5類：數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算及移位指令、控制轉(zhuǎn)移指令、位操作指令。豐富的指令可以增加IP核的使用范圍，同時(shí)8051提供軟件和硬件中斷，一個(gè)串行通信的接口以及兩個(gè)定時(shí)器。
    在對8051的仿真測試過程中，具體測試到哪部分就針對哪部分編寫相應(yīng)的測試程序，對后續(xù)添加的模塊要根據(jù)模塊的功能編寫相應(yīng)的測試程序。
    對8051核的仿真測試進(jìn)行的主要測試內(nèi)容如下：各個(gè)器件的測試，包括加法器、乘／除法器、內(nèi)／外部RAM、ROM、特殊功能寄存器、定時(shí)器、外部中斷、UART、P0～P3管口以及每一條指令的測試，共256個(gè)操作碼。圖2為定時(shí)器O的仿真測試波形。

    8051微處理器IP核作為該芯片的核心控制部分，具有運(yùn)算速度快、工作電壓范圍廣、工作功耗低等優(yōu)點(diǎn)。在軟硬件功能劃分上，該模塊主要利用軟件完成電檢測，工作狀態(tài)顯示，自復(fù)式檢測功能和主電故障保護(hù)功能。
    同時(shí)8051是開源的代碼設(shè)計(jì)核，可用于ASIC的再使用以及FPGA開發(fā)。
1．2 模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
    實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換的基本方法有十幾種，常用的有計(jì)數(shù)法、逐次逼近法、雙斜積分法和并行轉(zhuǎn)換法。由于逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換具有速度快、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，而且采用這種方法的芯片成本較低，因此在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之中獲得了廣泛的應(yīng)用。
    這類A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理建立在逐次逼近的基礎(chǔ)之上，即把輸入電壓和一組從參考電壓分層得到的量化電壓進(jìn)行比較，比較從最大的量化電壓開始，由粗到細(xì)逐次進(jìn)行，由每次比較的結(jié)果來確定對應(yīng)的位是1還是O，不斷比較，不斷逼近，直到兩者的差別小于某一誤差范圍時(shí)即完成一次轉(zhuǎn)換。
1．3 RS 485總線模塊
    在工業(yè)控制及測量領(lǐng)域較為常用的網(wǎng)絡(luò)之一就是物理層采用RS 485通信接口所組成的工控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。這種通信接口可以十分方便地將許多設(shè)備組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。RS 485通信協(xié)議的物理層是利用物理媒介實(shí)現(xiàn)物理連接的功能描述和執(zhí)行連接的規(guī)程，提供用于建立、保持和斷開物理連接的、機(jī)械的、電氣的、功能的和過程的條件。數(shù)據(jù)鏈路層用于建立、維持和拆除鏈路連接，實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸?shù)墓δ?。?yīng)用層針對不同的應(yīng)用，利用鏈路層提供的服務(wù)，完成不同通信節(jié)點(diǎn)之間的通信。
1．4 電源監(jiān)控保護(hù)模塊
    電池是應(yīng)急燈的重要組成部分，過度放電會(huì)影響電池的壽命。自帶電源型消防應(yīng)急燈具由于使用獨(dú)立電源作為備甩電源，電池的特性會(huì)直接影響到應(yīng)急時(shí)間、光源的亮度，因此采用合適的電池非常重要。目前，消防應(yīng)急燈具普遍采用鎳鉻或鎳氫充電電池。同時(shí)，控制系統(tǒng)必須對電池進(jìn)行檢測，以實(shí)現(xiàn)對電源的保護(hù)。
1．5 光源監(jiān)控保護(hù)模塊
    光源控制模塊完成兩個(gè)功能：應(yīng)急狀態(tài)下產(chǎn)生信號(hào)，打開備用電源和光源的放電回路，在市電正常時(shí)檢測光源是否打開。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：消防應(yīng)急燈具的應(yīng)急轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)不大于5 s，高危險(xiǎn)區(qū)域使用的消防應(yīng)急燈具的應(yīng)急轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于0．25s。

2 結(jié)語
    研制高度集成新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)的消防控制專用芯片，無疑將大大降低設(shè)備制造商的產(chǎn)品開發(fā)難度、成本與能耗，提高設(shè)備的可靠性。這已經(jīng)成為芯片設(shè)計(jì)者、設(shè)備制造商追求的目標(biāo)。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷加大，該芯片的成本還有進(jìn)一步的降低空間?？紤]到市場有對產(chǎn)品要求不斷提高的趨勢，在設(shè)計(jì)時(shí)，該芯片預(yù)留了系統(tǒng)升級更新的空間，可在短時(shí)間內(nèi)發(fā)展出衍生品種，滿足市場需求。