嵌入式低壓電力線通信風機控制系統(tǒng)設計

引言

誘導通風是采用誘導風機噴射出高速氣體。誘導和帶動周圍氣體向前運動，從而達到空氣流通和換氣的目的，此系統(tǒng)主要用于地下停車場、地下商場、大型場館等需自動通風及防火的場所。目前采用的控制系統(tǒng)，布線復雜，成本高，系統(tǒng)調試及維護不便。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、調試維護方便等優(yōu)點，非常適用于誘導通風智能控制系統(tǒng)。

1 低壓電力線通信誘導通風控制系統(tǒng)總體設計

低壓電力線載波通信誘導通風控制系統(tǒng)含煙霧檢測、CO檢測、電力線載波通信、誘導風機控制、電源單元、時鐘單元、存儲單元、看門狗復位及鍵盤顯示等功能單元，如圖1所示。鍵盤主要進行系統(tǒng)控制參數(shù)如CO濃度閾值、主／從節(jié)點標識、風機起／停延時等設定及時鐘校準，顯示單元可以指示用戶參數(shù)設定過程，并顯示系統(tǒng)當前狀態(tài)，便于系統(tǒng)的安裝調試及維護。參數(shù)設定后，將參數(shù)寫入存儲器中，控制器開始進行煙霧檢測、CO檢測、誘導風機控制等工作；主控制器需要定時查詢各從控制器工作狀態(tài)，并控制從控制器工作。

誘導風機控制由多個誘導風機控制器組成，控制器之間采用低壓電力線通信，每個控制器都具有檢測周邊空氣質量狀況煙霧檢測、CO檢測的功能，并能夠根據(jù)檢測結果控制一臺誘導風機工作?？刂破鞣种鳎瘡目刂破鳎骺刂破髟谕瓿杀旧硭鶐дT導風機控制的同時，要獲取各從控制節(jié)點工作狀態(tài)，并控制從控制器工作。從控制器根據(jù)檢測結果控制自身所帶誘導風機工作，同時向主控制器匯報當前工作狀態(tài)并受到主控制器控制，當自身控制與主控制器控制命令發(fā)生沖突時，以主控制器控制命令為準。

圖1低壓電力線載波通信誘導通風控制系統(tǒng)框圖

由于誘導通風控制系統(tǒng)工作環(huán)境比如車庫內供氧不充分，如果發(fā)現(xiàn)火災，在火災初期為陰燃狀態(tài)，若此時開啟誘導風機，會助燃為明火，因此控制器有必要進行煙霧檢測陰燃狀態(tài)，避免誘導風機誤動作造成重大損失，在檢測到火災險情時發(fā)出聲光報替，并停止所有風機。CO檢測用于衡量區(qū)域內空氣質量狀況，檢測到CO超標時開啟誘導風機工作，保證通風換氣效果?？刂破魍ㄟ^電力線載波通信單元實現(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)境復雜、工作過程無人值守，看門狗復位單元可以有效避免系統(tǒng)工作過程中發(fā)生死機和程序跑飛現(xiàn)象。

2 硬件設計

2. 1 微控器及調制解調芯片的選擇

由于低壓電力線上存在信號衰減大、時變性大、噪聲影響大等不利因素，這些問題導致誤碼率的升高，通信質量嚴重下降。除了選擇好的通信器件從“硬”的方面來提高通信質量，降低誤碼率外，另一種解決方法是采用一些糾錯能力強的編譯碼方案，這可能使得算法復雜化，運算速度降低進而導致通信速率下降，這種方法對處理器運算速度的要求較為苛刻，同時也要求微處理有較強的控制功能。在兼顧運算能力與控制性能之后，選用了飛利浦(Philips)公司的ARM內核的LPC2132單片機，LPC2132是基于一個支持實時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存儲器。128位寬度的存儲器接「7和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。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轉換，可以保證CO檢測、煙霧檢測中數(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，內部具有電壓自動控制和電流自動控制，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是一款功能強大、集成度很高的電力載波芯片，采取了多種抗干擾技術。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。ST7538作為很有代表性的窄帶通訊芯片在遠程抄表、燈光控制、智能家電等領域已經(jīng)有了廣泛的應用。

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)測載波信號(CD/PD端)與監(jiān)測波特率信號(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(串行外設接口)來完成的;LPC2132與通信設備之間的通信是通過SCI(串行通信接口)來進行的，其間采用MAX202E來完成電平轉換〔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，若輸出為RS232C電平，從設備要求TTL電平，則由MAX202E完成由RS232C電平轉換為TTL電平之間的轉換，相反亦然;若系統(tǒng)輸出電平與從設備要求電平一樣為TTL電平/RS232C電平，則電平就不用轉換。數(shù)據(jù)從系統(tǒng)輸入時，若需要RS232C電平與TTL電平之間的轉換，也由MAX202E完成。

時鐘單元采用時鐘芯片SD2405AP，該芯片內置晶振、充電電池、具有標準IZ C接口，可方便地掛接在LPC2132的Iz C接口上，芯片內部具有年、月、日、時、分、秒寄存器，可以滿足誘導風機定時、延時啟/?？刂啤O及煙霧的定時檢測要求，由于LPC2132的資源豐富，還可以根據(jù)實際需求選擇接上LCD顯示或鍵盤等其它周邊設備。

圖2 系統(tǒng)電路原理框圖

3 系統(tǒng)主要硬件電路設計

3.1 ST7538電力線接口的設計

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

圖3 ST7538的電力線接口電路框圖

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

希望系統(tǒng)使用時有較遠的通信距離，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時間連續(xù)工作，否則很容易過熱損壞。若設計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，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，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)中接收信號通路的電壓放大電路是始終工作的。

3. 2 煙井檢側及信號放大電路的設計

煙霧檢測信號放大電路如圖4所示。煙霧檢測采用一對紅外發(fā)射/接收管，并且安裝在暗室內，兩管成鈍角處于相對狀態(tài)。當需要進行煙霧檢測時，LPC2132發(fā)命令，開啟紅外線發(fā)射管(圖4的控煙霧槍測端高電平).如果沒有發(fā)生火災險情無煙霧，紅外光不能到達紅外接收管;當出現(xiàn)火災險情有煙霧時，紅外光在煙霧顆粒表面產(chǎn)生漫反射和折射而進人紅外接收管，煙霧越大紅外光漫反射及折射越強，紅外光接收管信號越強.紅外接收管接收到的微弱信號經(jīng)TLC27L2兩級放大后箱出端(圖4的SDOut端)送人到LPC2132的經(jīng)A/D轉換，若有必要再經(jīng)MAX202E進行電平轉換，控制器通過電平轉換值的大小來判斷是否需要進行火災聲光報替及關斷風機操作。也可以由LPC2132發(fā)命令，調節(jié)第二級TLC27L2的SDCtrI端，使放大的煙霧輸出信號可在一定范圍調節(jié)。

圖4 煙霧檢側信號放大電路

3. 3 CO氣體濃度檢側及信號放大電路的設計

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

圖5 CO氣體濃度檢側及信號放大電路

4 軟件設計

4. 1 誘導風機控制器軟件設計

控制器在上電后，首先要對相關軟件模塊進行初