一種消防應急燈具專用控制芯片的設計

摘 要:國內的消防應急燈具大多采用分立器件搭建而成，很多無法達到國家標準。提出一種消防應急燈具專用控制芯片的設計方法，具體介紹了芯片的內部組成部分，構建了整體方案，規劃了芯片的功能單元并采用模塊化設計思想。該芯片可有效增加應急燈具的穩定性，防止靜電干擾沖擊，降低生產成本并解決分立器件所帶來的功能單一和設計不靈活等問題。

關鍵詞:消防應急燈具; 控制芯片; 模塊化架構; 分立器件

中圖分類號:TN710-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0128-02

Design of Control Chip for Fire-fighting Emergency Lights

LI Peng， WANG Hong-jun， ZHAO Li-qi， DOU He-xin， WANG Song

(Information College， Shandong University， Ji’nan 250100， China)

Abstract: Most of the fire-fighting emergency lights in China are set up with the discret devices. And many of them can not meet the demand of the national standard. A design method of a control chip for the fire-fighting emergency lights is put forward. The overall design of the system， the inner parts of the chip and their functions are introduced. The chip can effectively improve the stability of the fire-fighting emergency lights and can prevent electrostatic impact. It can also solve the problems caused by the discret devices， such as sole function and inflexible design.

Keywords: fire-fighting emergency light; control chip; modularization architecture; discret device

0 引 言

消防應急燈具作為一種重要的消防器材，廣泛應用于賓館、商場、娛樂場所等公眾聚集場所，其功能是在這些場所發生火災斷電后，應急燈具自動照明，引導被困人員疏散。消防應急疏散照明技術是一項重要的救生疏散技術。為了降低應急燈具的生產成本和功耗，以及其設備可靠性的問題，設計一種消防應急燈具的專用控制芯片，該芯片可完全達到國家標準并大大降低產品的開發難度。

1 芯片的內部組成

目前市場上的消防應急燈按應急供電方式大致分為:自帶電源型和集中電源型。自帶電源型單個系統自帶備用蓄電池，平時由市電供電，只有當市電電源切斷時，備用電源自動投入運行[1]。集中電源型是在主電故障時，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，則由開關電路控制，直接將主電輸出[2]。

本芯片主要用于各種自帶電源型的消防應急照明燈具和疏散燈具中，其系統框圖如圖1所示。

圖1 芯片內部模塊構架圖

1.1 8051微處理器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。指令是計算機用于控制各部分功能部件完成某一動作的指令和命令[3]。8051核的指令按照功能分為5類:數據傳送指令、算術運算指令、邏輯運算及移位指令、控制轉移指令、位操作指令。豐富的指令可以增加IP核的使用范圍，同時8051提供軟件和硬件中斷，一個串行通信的接口以及兩個定時器。

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的測試程序，對后續添加的模塊要根據模塊的功能編寫相應的測試程序。

對8051核的仿真測試進行的主要測試內容如下:各個器件的測試，包括加法器、乘/除法器、內/外部RAM、ROM、特殊功能寄存器、定時器、外部中斷、UART、P0~P3管口以及每一條指令的測試，共256個操作碼。圖2為定時器0的仿真測試波形。

圖2 定時器0中斷

8051微處理器IP核作為該芯片的核心控制部分，具有運算速度快、工作電壓范圍廣、工作功耗低等優點。在軟硬件功能劃分上，該模塊主要利用軟件完成電檢測，工作狀態顯示，自復式檢測功能和主電故障保護功能。

同時8051是開源的代碼設計核，可用于ASIC的再使用以及FPGA開發。

1.2 模/數轉換模塊

實現A/D轉換的基本方法有十幾種，常用的有計數法、逐次逼近法、雙斜積分法和并行轉換法。由于逐次逼近式A/D轉換具有速度快、分辨率高的優點，而且采用這種方法的芯片成本較低，因此在計算機數據采集系統之中獲得了廣泛的應用。

這類A/D轉換器的轉換原理建立在逐次逼近的基礎之上，即把輸入電壓和一組從參考電壓分層得到的量化電壓進行比較，比較從最大的量化電壓開始，由粗到細逐次進行，由每次比較的結果來確定對應的位是1還是0，不斷比較，不斷逼近，直到兩者的差別小于某一誤差范圍時即完成一次轉換[4]。

1.3 RS 485總線模塊

在工業控制及測量領域較為常用的網絡之一就是物理層采用RS 485通信接口所組成的工控設備網絡。這種通信接口可以十分方便地將許多設備組成一個控制網絡。RS 485通信協議的物理層是利用物理媒介實現物理連接的功能描述和執行連接的規程，提供用于建立、保持和斷開物理連接的、機械的、電氣的、功能的和過程的條件。數據鏈路層用于建立、維持和拆除鏈路連接，實現無差錯傳輸的功能。應用層針對不同的應用，利用鏈路層提供的服務，完成不同通信節點之間的通信[5]。

1.4 電源監控保護模塊

電池是應急燈的重要組成部分，過度放電會影響電池的壽命[6] 。自帶電源型消防應急燈具由于使用獨立電源作為備用電源，電池的特性會直接影響到應急時間、光源的亮度，因此采用合適的電池非常重要。目前，消防應急燈具普遍采用鎳鉻或鎳氫充電電池。同時，控制系統必須對電池進行檢測，以實現對電源的保護。

1.5 光源監控保護模塊

光源控制模塊完成兩個功能:應急狀態下產生信號，打開備用電源和光源的放電回路，在市電正常時檢測光源是否打開。標準規定:消防應急燈具的應急轉換時間應不大于5 s，高危險區域使用的消防應急燈具的應急轉換時間不大于0.25 s。[7]

2 結 語

研制高度集成新技術、新標準的消防控制專用芯片，無疑將大大降低設備制造商的產品開發難度、成本與能耗，提高設備的可靠性。這已經成為芯片設計者、設備制造商追求的目標。隨著企業生產規模的不斷加大，該芯片的成本還有進一步的降低空間?？紤]到市場有對產品要求不斷提高的趨勢，在設計時，該芯片預留了系統升級更新的空間，可在短時間內發展出衍生品種，滿足市場需求。

參考文獻

[1]陶平.應急燈控制芯片設計及應用[D].南京:東南大學，2006.

[2]李貴仁.集中電源在消防應急照明中的應用[J].消防設備研究，2004，23(5):57-58.

[3]胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].2版.北京:清華大學出版社，2004.

[4]周荷琴，吳秀清.微型計算機原理與接口技術[M].合肥:中國科學技術大學出版社，2004.

[5]羅勇，劉澤藝.一種RS 485總線自定義通信協議及其應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2002(6):25-27.

[6]李波，李建明，生亮田.消防應急燈具自動檢測系統的設計[J].自動化儀表，2007，30(6):49-51.

[7]國家質量技術監督局.GB17945-2000消防應急燈具[S].北京:中國標準出版社，2000.