嵌入式低压电力线通信风机控制系统设计

引言

    诱导通风是采用诱导风机喷射出高速气体。诱导和带动周围气体向前运动，从而达到空气流通和换气的目的，此系统主要用于地下停车场、地下商场、大型场馆等需自动通风及防火的场所。目前采用的控制系统，布线复杂，成本高，系统调试及维护不便。低压电力线载波通信利用原有电路供电线路，免去重新布线之苦，具有成本低、即插即用、调试维护方便等优点，非常适用于诱导通风智能控制系统。

1 低压电力线通信诱导通风控制系统总体设计

    低压电力线载波通信诱导通风控制系统含烟雾检测、CO检测、电力线载波通信、诱导风机控制、电源单元、时钟单元、存储单元、看门狗复位及键盘显示等功能单元，如图1所示。键盘主要进行系统控制参数如CO浓度阈值、主／从节点标识、风机起／停延时等设定及时钟校准，显示单元可以指示用户参数设定过程，并显示系统当前状态，便于系统的安装调试及维护。参数设定后，将参数写入存储器中，控制器开始进行烟雾检测、CO检测、诱导风机控制等工作；主控制器需要定时查询各从控制器工作状态，并控制从控制器工作。

    诱导风机控制由多个诱导风机控制器组成，控制器之间采用低压电力线通信，每个控制器都具有检测周边空气质量状况烟雾检测、CO检测的功能，并能够根据检测结果控制一台诱导风机工作。控制器分主／从控制器，主控制器在完成本身所带诱导风机控制的同时，要获取各从控制节点工作状态，并控制从控制器工作。从控制器根据检测结果控制自身所带诱导风机工作，同时向主控制器汇报当前工作状态并受到主控制器控制，当自身控制与主控制器控制命令发生冲突时，以主控制器控制命令为准。

    图1低压电力线载波通信诱导通风控制系统框图

    由于诱导通风控制系统工作环境比如车库内供氧不充分，如果发现火灾，在火灾初期为阴燃状态，若此时开启诱导风机，会助燃为明火，因此控制器有必要进行烟雾检测阴燃状态，避免诱导风机误动作造成重大损失，在检测到火灾险情时发出声光报替，并停止所有风机。CO检测用于衡量区域内空气质量状况，检测到CO超标时开启诱导风机工作，保证通风换气效果。控制器通过电力线载波通信单元实现与其他控制器的数据传输和信息交互。由于控制器工作环境复杂、工作过程无人值守，看门狗复位单元可以有效避免系统工作过程中发生死机和程序跑飞现象。

2 硬件设计

    2. 1 微控器及调制解调芯片的选择

    由于低压电力线上存在信号衰减大、时变性大、噪声影响大等不利因素，这些问题导致误码率的升高，通信质量严重下降。除了选择好的通信器件从“硬”的方面来提高通信质量，降低误码率外，另一种解决方法是采用一些纠错能力强的编译码方案，这可能使得算法复杂化，运算速度降低进而导致通信速率下降，这种方法对处理器运算速度的要求较为苛刻，同时也要求微处理有较强的控制功能。在兼顾运算能力与控制性能之后，选用了飞利浦(Philips)公司的ARM内核的LPC2132单片机，LPC2132是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI- SCPU的微控制器，并带有64kB的嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接「7和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。较小的封装和极低的功耗使LPC2132可理想地用于小型系统中。处理器自带的8路10位A/D转换，可以保证CO检测、烟雾检测中数据采集的需要。

    本系统选择了SUSTHOMSON公司的电力线载波通信专用Modem芯片ST7538, ST7538内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过串行通信，可以方便地与微处理器相连接，内部具有电压自动控制和电流自动控制，只要通过祸合变压器等少量外部器件即可连接到电力网中。ST7538是一款功能强大、集成度很高的电力载波芯片，采取了多种抗干扰技术。如果能够很好地利用它的多频段性，将可以克服窄带通信的缺点。ST7538作为很有代表性的窄带通讯芯片在远程抄表、灯光控制、智能家电等领域已经有了广泛的应用。

    2. 2 系统的硬件连接

    系统电路原理框图如图2所示。

    LPC2132通过监测载波信号(CD/PD端)与监测波特率信号(BU端)来得到载波的情况，而通过REG _ OK, PG,TOUT端来得到ST7538自身的状态情况。LPC2132与ST7538之间的数据交换是通过SPI口(串行外设接口)来完成的;LPC2132与通信设备之间的通信是通过SCI(串行通信接口)来进行的，其间采用MAX202E来完成电平转换〔s-e7为使系统通用性好，系统中提供RS232C电平、TTL电平数据接口。数据从系统输出时，若输出为RS232C电平，从设备要求TTL电平，则由MAX202E完成由RS232C电平转换为TTL电平之间的转换，相反亦然;若系统输出电平与从设备要求电平一样为TTL电平/RS232C电平，则电平就不用转换。数据从系统输入时，若需要RS232C电平与TTL电平之间的转换，也由MAX202E完成。

    时钟单元采用时钟芯片SD2405AP，该芯片内置晶振、充电电池、具有标准IZ C接口，可方便地挂接在LPC2132的Iz C接口上，芯片内部具有年、月、日、时、分、秒寄存器，可以满足诱导风机定时、延时启/停控制、CO及烟雾的定时检测要求，由于LPC2132的资源丰富，还可以根据实际需求选择接上LCD显示或键盘等其它周边设备。

    图2 系统电路原理框图

3 系统主要硬件电路设计

    3.1 ST7538电力线接口的设计

    电力线接口是用来连接设备到电力线的电路，ST7538电力线接口电路框图设计如图3所示。电力线接口它首先是一个藕合电路，用于FSK信号的传输与接收;同时也是一个滤波系统，能可靠地过滤掉220V/5OHz的电力信号、噪声信号和浪涌信号。

    图3 ST7538的电力线接口电路框图

    接收信号通道由藕合电路、滤波电路、保护电路、电压放大电路组成。发送信号通道由电压放大电路、功率放大电路、滤波电路、保护电路、藕合电路组成。

    希望系统使用时有较远的通信距离，这样必须要求系统发送端有足够大的功率输出，大愉出功率放大电路不宜长时间连续工作，否则很容易过热损坏。若设计高要求大箱出功放电路，增加系统成本.为此，系统采用发送放大电路电源控制使系统只有处于发送状态时，发送电路中的电压放大和功率放大电路才能得到合适工作电源而工作。在系统处于接收状态时，发送电路中的电压放大和功率放大电路因得不到电源而不工作。而系统中接收信号通路的电压放大电路是始终工作的。

    3. 2 烟井检侧及信号放大电路的设计

    烟雾检测信号放大电路如图4所示。烟雾检测采用一对红外发射/接收管，并且安装在暗室内，两管成钝角处于相对状态。当需要进行烟雾检测时，LPC2132发命令，开启红外线发射管(图4的控烟雾枪测端高电平).如果没有发生火灾险情无烟雾，红外光不能到达红外接收管;当出现火灾险情有烟雾时，红外光在烟雾颗粒表面产生漫反射和折射而进人红外接收管，烟雾越大红外光漫反射及折射越强，红外光接收管信号越强.红外接收管接收到的微弱信号经TLC27L2两级放大后箱出端(图4的SDOut端)送人到LPC2132的经A/D转换，若有必要再经MAX202E进行电平转换，控制器通过电平转换值的大小来判断是否需要进行火灾声光报替及关断风机操作。也可以由LPC2132发命令，调节第二级TLC27L2的SDCtrI端，使放大的烟雾输出信号可在一定范围调节。

    图4 烟雾检侧信号放大电路

    3. 3 CO气体浓度检侧及信号放大电路的设计

    CO气体浓度检测电路如图5所示，采用电化学传感元件CO/CFA-10000，该元件得到与CO气体浓度成正比的微弱电流信号，传感器的最大翰出上限控制在50mA以内，检测出的信号非常微弱必须进行放大后才能进行A/D转换，且要求信号处理电路的放大性能好，抗干扰性强。电路中ICL7650是采用CMOS工艺具动态自动校零集成运算放大器，具有低失调、低温漂、高增益、高共模抑制比等特点。其中UA, R5-R7, C1构成电压跟随电路，使得C, R两极与W极之间电位保持一定，使CO检测电路和放大输出电路之间有良好的隔离，CO检侧达到高保证;UB, R1-R4, C2构成信号放大电路，用来放大传感器的微弱信号，并且具有低通滤波功能，可以滤除检测信号中的高频干扰信号.放大后的检测信号翰人到LPC2132的A/D转换，若有必要再经MAX202E进行电平转换，控制器通过电平转换值的大小来判断当前区域内空气质量流通情况，并对风机加以控制。

    图5 CO气体浓度检侧及信号放大电路

4 软件设计

    4. 1 诱导风机控制器软件设计

    控制器在上电后，首先要对相关软件模块进行初始化，包括时钟芯片、LCD显示、A/D转换、外部中断、看门狗复位等;初始化完成后，进行相关参数设定，并将参数写人到IZ C存储器中加以保存。

    控制器对烟雾及CO进行检测，若烟雾检测值超过了预设值烟雾闹值(通过实验标定后固定在程序中)，控制器发出声光报警，并设置火替标志位，由主控制器停止所有风机，从“火替状态”中恢复过来的延时长短由“火普后系统重启延时”参数决定。主控制器间隔一定的时间查询各从控制器工作状态，当检测到某区域发生火灾，控制停止所有风机，从控制器修改当前工作状态。控制器在工作中显示风机当前状态、烟雾及CO检测值、是否出现火灾、是否CO超标、系统工作状态各主要部件工作状态，如时钟芯片操作、A/D转换、通信等信息。

    4. 2 电力线载波通信软件设计

    系统软件设计时，要协调电力线载波通信系统在多种状态之间的切换。将通信系统功能简化看作为电力线与SCI通信口之间的桥梁，电力线载波通信系统软件流程图如图6所示。

    图6 电力线载波通信系统软件流程图

    当系统加电启动时，首先是对端口进行初始化处理，其次检测用户设置:波特率、技长、数据通信方式等，接着根据用户设置发送控制寄存器控制字，系统程序进人从电力线接收数据的状态，开始检测载波信号的有无及正确与否(频段/频率对与否)，以此作为系统是否转换到从SCI口接收数据状态的判断条件。如果检侧到载波信号且波特率信号正确，则系统开始接收从电力线上传来的数据.此时SCI口中断状态是加电之后的初始值，即SCI口处于接收中断关。如果一开始没有载波信号，则系统开始检侧设备通信接口，判断SCI口是否有数据传送过来，以此决定是否要进入数据接收状态。如果电力线接口及SCI口都无数据传送发生，则系统重新进人检测状态，重新开始检测电力线，进人新一轮循环。

    为了避免SCI口同时处于接收与发送状态，造成数据冲突，程序中是以状态字的查询以及中断的设置来完成。无论是从电力线上收到数据还是从SCI口收到数据之后，都要从SCI口的中断状态来判断系统通道的悄况，从而决定是将数据从LPC2132传向电力线还是传向通信设备。一旦数据转发完成，则整个系统回到检侧状态，等待新一轮数据收发的启动。

5 结束语

    本文以LPC2132作中心处理器，用ST7538作为调制解调芯片实现的诱导通风控制系统，对系统的主要电路作了设计，对系统的主从控制过程、电力线载波芯片ST7538与中心处理器LPC2132的通信过程作了设计及描述，软件上采用了数据校验CRC，保证通信的可靠性。该设计方案具有系统简单、成本低、调试维护方便、抗干扰能力强等的优点.具有一定实用价值。