嵌入式低壓電力線通信風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

誘導(dǎo)通風(fēng)是采用誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)噴射出高速氣體。誘導(dǎo)和帶動(dòng)周圍氣體向前運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到空氣流通和換氣的目的，此系統(tǒng)主要用于地下停車場(chǎng)、地下商場(chǎng)、大型場(chǎng)館等需自動(dòng)通風(fēng)及防火的場(chǎng)所。目前采用的控制系統(tǒng)，布線復(fù)雜，成本高，系統(tǒng)調(diào)試及維護(hù)不便。低壓電力線載波通信利用原有電路供電線路，免去重新布線之苦，具有成本低、即插即用、調(diào)試維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于誘導(dǎo)通風(fēng)智能控制系統(tǒng)。

1 低壓電力線通信誘導(dǎo)通風(fēng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

低壓電力線載波通信誘導(dǎo)通風(fēng)控制系統(tǒng)含煙霧檢測(cè)、CO檢測(cè)、電力線載波通信、誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制、電源單元、時(shí)鐘單元、存儲(chǔ)單元、看門狗復(fù)位及鍵盤顯示等功能單元，如圖1所示。鍵盤主要進(jìn)行系統(tǒng)控制參數(shù)如CO濃度閾值、主／從節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、風(fēng)機(jī)起／停延時(shí)等設(shè)定及時(shí)鐘校準(zhǔn)，顯示單元可以指示用戶參數(shù)設(shè)定過程，并顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，便于系統(tǒng)的安裝調(diào)試及維護(hù)。參數(shù)設(shè)定后，將參數(shù)寫入存儲(chǔ)器中，控制器開始進(jìn)行煙霧檢測(cè)、CO檢測(cè)、誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制等工作；主控制器需要定時(shí)查詢各從控制器工作狀態(tài)，并控制從控制器工作。

誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制由多個(gè)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制器組成，控制器之間采用低壓電力線通信，每個(gè)控制器都具有檢測(cè)周邊空氣質(zhì)量狀況煙霧檢測(cè)、CO檢測(cè)的功能，并能夠根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制一臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)工作?？刂破鞣种鳎瘡目刂破鳎骺刂破髟谕瓿杀旧硭鶐дT導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制的同時(shí)，要獲取各從控制節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，并控制從控制器工作。從控制器根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制自身所帶誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)工作，同時(shí)向主控制器匯報(bào)當(dāng)前工作狀態(tài)并受到主控制器控制，當(dāng)自身控制與主控制器控制命令發(fā)生沖突時(shí)，以主控制器控制命令為準(zhǔn)。

圖1低壓電力線載波通信誘導(dǎo)通風(fēng)控制系統(tǒng)框圖

由于誘導(dǎo)通風(fēng)控制系統(tǒng)工作環(huán)境比如車庫(kù)內(nèi)供氧不充分，如果發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，在火災(zāi)初期為陰燃狀態(tài)，若此時(shí)開啟誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，會(huì)助燃為明火，因此控制器有必要進(jìn)行煙霧檢測(cè)陰燃狀態(tài)，避免誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)誤動(dòng)作造成重大損失，在檢測(cè)到火災(zāi)險(xiǎn)情時(shí)發(fā)出聲光報(bào)替，并停止所有風(fēng)機(jī)。CO檢測(cè)用于衡量區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，檢測(cè)到CO超標(biāo)時(shí)開啟誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)工作，保證通風(fēng)換氣效果。控制器通過電力線載波通信單元實(shí)現(xiàn)與其他控制器的數(shù)據(jù)傳輸和信息交互。由于控制器工作環(huán)境復(fù)雜、工作過程無人值守，看門狗復(fù)位單元可以有效避免系統(tǒng)工作過程中發(fā)生死機(jī)和程序跑飛現(xiàn)象。

2 硬件設(shè)計(jì)

2. 1 微控器及調(diào)制解調(diào)芯片的選擇

由于低壓電力線上存在信號(hào)衰減大、時(shí)變性大、噪聲影響大等不利因素，這些問題導(dǎo)致誤碼率的升高，通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。除了選擇好的通信器件從“硬”的方面來提高通信質(zhì)量，降低誤碼率外，另一種解決方法是采用一些糾錯(cuò)能力強(qiáng)的編譯碼方案，這可能使得算法復(fù)雜化，運(yùn)算速度降低進(jìn)而導(dǎo)致通信速率下降，這種方法對(duì)處理器運(yùn)算速度的要求較為苛刻，同時(shí)也要求微處理有較強(qiáng)的控制功能。在兼顧運(yùn)算能力與控制性能之后，選用了飛利浦(Philips)公司的ARM內(nèi)核的LPC2132單片機(jī)，LPC2132是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI- SCPU的微控制器，并帶有64kB的嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接「7和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。較小的封裝和極低的功耗使LPC2132可理想地用于小型系統(tǒng)中。處理器自帶的8路10位A/D轉(zhuǎn)換，可以保證CO檢測(cè)、煙霧檢測(cè)中數(shù)據(jù)采集的需要。

本系統(tǒng)選擇了SUSTHOMSON公司的電力線載波通信專用Modem芯片ST7538, ST7538內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接，內(nèi)部具有電壓自動(dòng)控制和電流自動(dòng)控制，只要通過禍合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網(wǎng)中。ST7538是一款功能強(qiáng)大、集成度很高的電力載波芯片，采取了多種抗干擾技術(shù)。如果能夠很好地利用它的多頻段性，將可以克服窄帶通信的缺點(diǎn)。ST7538作為很有代表性的窄帶通訊芯片在遠(yuǎn)程抄表、燈光控制、智能家電等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。

2. 2 系統(tǒng)的硬件連接

系統(tǒng)電路原理框圖如圖2所示。

LPC2132通過監(jiān)測(cè)載波信號(hào)(CD/PD端)與監(jiān)測(cè)波特率信號(hào)(BU端)來得到載波的情況，而通過REG _ OK, PG,TOUT端來得到ST7538自身的狀態(tài)情況。LPC2132與ST7538之間的數(shù)據(jù)交換是通過SPI口(串行外設(shè)接口)來完成的;LPC2132與通信設(shè)備之間的通信是通過SCI(串行通信接口)來進(jìn)行的，其間采用MAX202E來完成電平轉(zhuǎn)換〔s-e7為使系統(tǒng)通用性好，系統(tǒng)中提供RS232C電平、TTL電平數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)從系統(tǒng)輸出時(shí)，若輸出為RS232C電平，從設(shè)備要求TTL電平，則由MAX202E完成由RS232C電平轉(zhuǎn)換為TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，相反亦然;若系統(tǒng)輸出電平與從設(shè)備要求電平一樣為TTL電平/RS232C電平，則電平就不用轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)從系統(tǒng)輸入時(shí)，若需要RS232C電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，也由MAX202E完成。

時(shí)鐘單元采用時(shí)鐘芯片SD2405AP，該芯片內(nèi)置晶振、充電電池、具有標(biāo)準(zhǔn)IZ C接口，可方便地掛接在LPC2132的Iz C接口上，芯片內(nèi)部具有年、月、日、時(shí)、分、秒寄存器，可以滿足誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)定時(shí)、延時(shí)啟/?？刂?、CO及煙霧的定時(shí)檢測(cè)要求，由于LPC2132的資源豐富，還可以根據(jù)實(shí)際需求選擇接上LCD顯示或鍵盤等其它周邊設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)電路原理框圖

3 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 ST7538電力線接口的設(shè)計(jì)

電力線接口是用來連接設(shè)備到電力線的電路，ST7538電力線接口電路框圖設(shè)計(jì)如圖3所示。電力線接口它首先是一個(gè)藕合電路，用于FSK信號(hào)的傳輸與接收;同時(shí)也是一個(gè)濾波系統(tǒng)，能可靠地過濾掉220V/5OHz的電力信號(hào)、噪聲信號(hào)和浪涌信號(hào)。

圖3 ST7538的電力線接口電路框圖

接收信號(hào)通道由藕合電路、濾波電路、保護(hù)電路、電壓放大電路組成。發(fā)送信號(hào)通道由電壓放大電路、功率放大電路、濾波電路、保護(hù)電路、藕合電路組成。

希望系統(tǒng)使用時(shí)有較遠(yuǎn)的通信距離，這樣必須要求系統(tǒng)發(fā)送端有足夠大的功率輸出，大愉出功率放大電路不宜長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，否則很容易過熱損壞。若設(shè)計(jì)高要求大箱出功放電路，增加系統(tǒng)成本.為此，系統(tǒng)采用發(fā)送放大電路電源控制使系統(tǒng)只有處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，發(fā)送電路中的電壓放大和功率放大電路才能得到合適工作電源而工作。在系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時(shí)，發(fā)送電路中的電壓放大和功率放大電路因得不到電源而不工作。而系統(tǒng)中接收信號(hào)通路的電壓放大電路是始終工作的。

3. 2 煙井檢側(cè)及信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)

煙霧檢測(cè)信號(hào)放大電路如圖4所示。煙霧檢測(cè)采用一對(duì)紅外發(fā)射/接收管，并且安裝在暗室內(nèi)，兩管成鈍角處于相對(duì)狀態(tài)。當(dāng)需要進(jìn)行煙霧檢測(cè)時(shí)，LPC2132發(fā)命令，開啟紅外線發(fā)射管(圖4的控?zé)熿F槍測(cè)端高電平).如果沒有發(fā)生火災(zāi)險(xiǎn)情無煙霧，紅外光不能到達(dá)紅外接收管;當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)險(xiǎn)情有煙霧時(shí)，紅外光在煙霧顆粒表面產(chǎn)生漫反射和折射而進(jìn)人紅外接收管，煙霧越大紅外光漫反射及折射越強(qiáng)，紅外光接收管信號(hào)越強(qiáng).紅外接收管接收到的微弱信號(hào)經(jīng)TLC27L2兩級(jí)放大后箱出端(圖4的SDOut端)送人到LPC2132的經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，若有必要再經(jīng)MAX202E進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，控制器通過電平轉(zhuǎn)換值的大小來判斷是否需要進(jìn)行火災(zāi)聲光報(bào)替及關(guān)斷風(fēng)機(jī)操作。也可以由LPC2132發(fā)命令，調(diào)節(jié)第二級(jí)TLC27L2的SDCtrI端，使放大的煙霧輸出信號(hào)可在一定范圍調(diào)節(jié)。

圖4 煙霧檢側(cè)信號(hào)放大電路

3. 3 CO氣體濃度檢側(cè)及信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)

CO氣體濃度檢測(cè)電路如圖5所示，采用電化學(xué)傳感元件CO/CFA-10000，該元件得到與CO氣體濃度成正比的微弱電流信號(hào)，傳感器的最大翰出上限控制在50mA以內(nèi)，檢測(cè)出的信號(hào)非常微弱必須進(jìn)行放大后才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，且要求信號(hào)處理電路的放大性能好，抗干擾性強(qiáng)。電路中ICL7650是采用CMOS工藝具動(dòng)態(tài)自動(dòng)校零集成運(yùn)算放大器，具有低失調(diào)、低溫漂、高增益、高共模抑制比等特點(diǎn)。其中UA, R5-R7, C1構(gòu)成電壓跟隨電路，使得C, R兩極與W極之間電位保持一定，使CO檢測(cè)電路和放大輸出電路之間有良好的隔離，CO檢側(cè)達(dá)到高保證;UB, R1-R4, C2構(gòu)成信號(hào)放大電路，用來放大傳感器的微弱信號(hào)，并且具有低通濾波功能，可以濾除檢測(cè)信號(hào)中的高頻干擾信號(hào).放大后的檢測(cè)信號(hào)翰人到LPC2132的A/D轉(zhuǎn)換，若有必要再經(jīng)MAX202E進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，控制器通過電平轉(zhuǎn)換值的大小來判斷當(dāng)前區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量流通情況，并對(duì)風(fēng)機(jī)加以控制。

圖5 CO氣體濃度檢側(cè)及信號(hào)放大電路

4 軟件設(shè)計(jì)

4. 1 誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器在上電后，首先要對(duì)相關(guān)軟件模塊進(jìn)行初