應急照明系統二總線中繼裝置的設計及應用

武 鑫 李德春 狄 國

（1.山東華天科技集團股份有限公司 2.山東華天電氣有限公司）

0 引言

消防二總線是一種相對于四線系統（兩根供電線路、兩根通訊線路），將供電線與信號線合二為一，實現信號和供電共用一個總線的技術。二總線節省了施工和線纜成本，給現場施工和后期維護帶來了極大的便利，在消防、儀表、傳感器、工業控制等領域廣泛應用。在消防領域，消防應急照明控制系統是不可或缺的消防系統之一。在大型建筑照明設計中，普遍存在照明線路遠距離供電的場景，在地鐵區間隧道設計中尤為常見。當供電線路距離過遠，線路末端的電壓降增大，影響照明質量；同時，遠距離供電由于電壓損失加大，要維持燈具的功率，必須加大電流，線路較長時電感增大，在電流增大時會影響到通訊波形的畸變從而影響通訊。因此，本文結合實際工程，從中繼裝置的設計和應用兩個方面進行分析探討。

1 電壓降相關規范要求

按照GB 50034—2013《建筑照明設計標準》[1]（以下簡稱《照明標準》）第7.1.4條規定：照明燈具的端電壓在一般工作場所不宜低于其額定電壓的95%；應急照明和用安全特低電壓（SELV）供電的照明不宜低于其額定電壓的90%。對于普通照明系統，大型建筑照明末端線路的電壓降允許值可按照一般情況選取為額定電壓的5%。

對于消防應急照明系統，根據GB 51309—2018《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》[2]（以下簡稱《技術標準》）第3.1.2條：對于大型建筑，一般設有消防控制室，消防應急照明系統采用集中控制型系統，8m及以下空間燈具采用集中電源A型燈具，該系統末端線路的電壓降允許值可按《照明標準》第7.1.4條第3款安全特低電壓供電要求選取系統額定電壓的10%。

2 通訊解碼要求

標準UART的RXD前端有一個“1到0跳變檢測器”，當其連續接受到8個RXD上的地電平時，該檢測器就認為RXD線出現了起始位，進入接受數據狀態。在接受狀態，接受控制器對數據位7、8、9三個脈沖采樣，并遵從三中取二的原則確定最終值。采用這一方法的根本目的還是為了增強抗干擾，提高數據傳送的可靠性，采樣信號總是在每個接受位的中間位置，可以避開數據位兩端的邊沿失真，也可以防止接受時鐘頻率和發送時鐘頻率不完全同步引起的誤差。異步串口通訊的數據格式如圖1所示。

圖1 數據格式

由于在空閑狀態時，傳送線為邏輯“1”狀態，而數據的傳送總是以一個起始位“0”開始，所以當接收器檢測到一個從“1”向“0”的跳變時，便視為可能的起始位（要排除干擾引起的跳變）；起始位被確認后，就知道發送器已開始發送，接收器就可以按這個數據通信格式接收后續的數據了；當檢測到停止位“1”后就表明一幀字符數據已發送完畢。

為了提高采樣的準確率，需確保采樣點處于被采樣數據的時間中間點。所以，在接收采樣時要用比數據波特率高n倍（n≥1）速率的時鐘對數據進行采樣，如圖2所示。

圖2 采樣示意圖

如圖2所示，在t1時刻若檢測到低電平，就開始對這個低電平進行連續的檢測；當檢測了8個時鐘周期后，到達t2，此刻，若前面的8個周期都是低電平，則認為檢測到了起始脈沖。否則就認為是干擾，重新檢測；在檢測到起始位后，再計數16個采樣時鐘周期就到達了第一個數據位的時間中間點t3，在此刻采樣數據并進行保存；然后再經過16個周期，就是第二個數據位的時間中間點，在此時刻進行采樣；然后，再經過16個周期，就是第三個數據位的時間中間點，在此時刻進行采樣……，如此重復采樣，直到把所有的數據位采樣完畢。

因此由于電感續流的原因產生波形畸變，當通訊波形的寬度小于原波形的一半時就會發生通訊誤碼，造成系統失去控制。

3 數學建模

通常，二總線主從系統的連接方式如圖3所示。

圖3 總線示意圖

按照國家建筑設計圖集21D702-8 《地鐵及城市交通隧道應急照明設計與安裝》中關于地鐵工程地下區間直流照明配電線路電壓損失計算，燈具在配電線路上均勻布置。

計算方法：

1）n個光源折算為集中復核后的線路長度（m）：

式中，N為本回路燈具數量；L1為集中電源進入區間第一站燈的線路長度；L2為區間燈具的間隔，m。

2）當回路有n盞燈時，最末一盞燈處的電壓損失（V）：

式中，P為單燈額定功率，W；U為額定電壓，V；ρ為溫度為70℃時導線電阻率，Ω×mm2/m；S為導線截面，mm2。

3）電壓損失百分比：

當應急照明燈具單燈功率為10W的地鐵區間，L1為200m，線徑為4mm2，燈具間距為10m，第6盞燈具的直流線路電壓損失已超過10%，第11盞燈具電壓損失已超過20%。

由于應急照明燈具的電氣特性為恒功率特性，隨著電壓損失逐步增大，燈具入口的電壓逐步降低，燈具的電流逐步增大。

二總線系統等效模型如圖4所示。

圖4 二總線系統電路等效模型

續流過程分析：當開關斷開時，第一段電感產生反向電動勢，此時E=U1，di=i0-it（i0為斷開前電路中的電流N×I；在開關斷開后電感中的電流會隨著時間逐漸減小，it為在t時刻電路中的電流，此時燈具1已經退出續流過程，此時it=（N-1）×I；因此di=N×I-（N-1）I=I，由此也可以得出每次電流的變化量為單燈電流），因此回路整體的續流寬度：

4 中繼裝置設計

在總線發送數據時，總線信號波形圖如圖5所示。

圖5 總線信號波形示意圖

當回路的續流寬度大于總線電壓波形低電平寬度的1/2時，通訊出現解碼錯誤，本文將針對這種情況進行一種二總線中繼裝置的設計，如圖6所示的二總線中繼裝置，包括上行電路1、儲能電路2、總線控制器3和下行電路4。

圖6 中繼裝置示意圖

其中，上行電路1包括上行接收電路和上行發送電路；上行接收電路包括相互并聯的第一穩壓管D1和檢波分壓電阻；第一穩壓管D1并聯在中繼電路的兩個輸入端；檢波分壓電阻包括第一檢波分壓電阻R1和第二檢波分壓電阻R2，通過第一檢波分壓電阻R1和第二檢波分壓電阻R2進行所輸入電平的分壓，將分壓轉化后的電平信號輸入到總線控制器中；上行發送電路包括回傳控制三極管T1和回傳限流電阻R1，回傳控制三極管T1的集電極連接第一穩壓管D1的一端和第一檢波分壓電阻R1的一端，回傳控制三極管T1的發射極通過回傳限流電阻R3連接遠離第一檢波分壓電阻R1的第二檢波分壓電阻R2的一端，回傳控制三極管T1的集電極連接總線控制器的上行發送單元。

儲能電路2包括第一二極管D2和第一電容C1。其中，第一二極管D2的陽極連接回傳控制三極管T1的集電極，第一二極管D2的陰極連接第一電容C1的陽極，第一電容C1的陰極連接遠離回傳控制三極管T1發射極的回傳限流電阻R3的一端。

總線控制器3包括微控制器和供電單元，其中，微控制器與供電單元電連接，微控制器包括上行接收單元、上行發送單元、下行發送單元和下行接收單元；供電單元的一端分別與第一二極管T2的陰極、第一電容C1的陽極和第二二極管D3的陰極相連接，供電單元的另一端與第一電容C1的陰極和遠離回傳控制三極管T1發射極的回傳限流電阻R3的一端相連接；上行發送單元與回傳控制三極管T1的基極相連接，上行接收單元與第一檢波分壓電阻R1和第二檢波分壓電阻R2連接的位置處相連接。

下行電路4包括下行發送電路和下行接收電路；其中，下行發送電路包括晶閘管Q1、第一三極管T2、第一電阻R5、第二電阻R6和第二三極管T3；其中，晶閘管Q1的發射極連接第一二極管D2的陰極，其集電極連接第一三極管T2的發射極，其基極連接下行發送單元的一端；第一三極管T2的發射極分別連接第二電阻R6的一端和晶閘管Q1的集電極，其集電極分別連接第二三極管T3的基極和下行發送單元的另一端，其基極與第一電阻R5的一端相連接；第一電阻R5的另一端分別與第二電阻R6的另一端和第二三極管T3的發射極相連接；下行接收電路包括采樣電阻R4、第二二極管D3和第二穩壓管D4，第二二極管D3的陽極分別與采樣電阻R4的一端和下行接收單元的一端相連接，第二二極管D3的陰極連接第一三極管T2的發射極和晶閘管Q1的集電極，采樣電阻R4的另一端連接下行接收單元的另一端；第二三極管T3的集電極與第二穩壓管D4的一端相連接；第一三極管T2的發射極與第二穩壓管D4的一端相連接，第二穩壓管D4并聯在中繼電路的兩個輸出端。

通過第一檢波分壓電阻R1和第二檢波分壓電阻R2的分壓作用，將36V的電平信號轉換成TTL電平信號VTTL=R2/（R1+R2）×36V進入總線控制器；通過回傳控制三極管T1的開通與關斷將所得到的TTL回傳信號轉換為電流信號，通過主站上傳到上位機，回傳控制三極管T1開通時從主站拉取電流，回傳控制三極管T1關斷時停止拉取電流，主站通過電流-電壓變換讀取信號；儲能電路用于為中繼裝置本身及后端負載提供穩定的輸出電壓；第一電容C1用來將上行總線的波形濾除，輸出為穩定的電壓信號；第一二極管D2用來消除后端電壓給前端采樣帶來的影響；總線控制器用于通信解析及轉發控制；上行接收單元將收到上行的信號TTL電壓信號解析后通過下行發送單元輸出到下行設備；下行接收單元將收到的下行設備回傳信號解析后通過上行發送單元回傳到上位機；下行電路用于將接收到的上行下發信號發送到下行終端設備以及將終端設備的回傳信號接收解析后通過上行發送單元回傳到上位機；在下行發送電路的作用下，通過對晶閘管Q1及第一三極管T2、第二三極管T3按照時序進行開通關斷控制，發送低電平時，晶閘管Q1關斷，第二三極管T3開通，達到限流值后第一三極管T2開通，將第二三極管T3關斷；發送高電平時，晶閘管Q1開通，第一三極管T2、第二三極管T3都截止，將輸入電壓高電平電壓直接輸出，從而將TTL信號調制為總線電壓波形；采樣電阻R4將回傳電流環信號轉換成電壓信號，電流信號通過采樣電阻R4轉換為電壓信號，電壓信號進入控制器進行模擬數字轉換，第二二極管D3用來防止總線電壓波形進入回傳解析單元。

根據實際波形測試，加入中繼裝置后可將因電感效應導致的波形低電平寬度減小的情況重新通過中繼低電平寬度展寬到正常通訊區間；根據現場測試可將單回路200W負載通訊距離延長一倍；根據現場測試情況可以在單回路滿載200W工況下實現可靠回傳；根據現場應用此中繼裝置電路可無需額外供電，直接串聯在總線中，易于實施。

5 結束語

應急照明是民用建筑電氣設計的重要環節，在國家建筑標準設計圖集21D702-8《地鐵及城市交通隧道應急照明設計與安裝》中提供了A型燈具線路電壓損失百分數和線路供電功率關系曲線等作為設計指導文件，但僅對線路壓降進行了說明，由于線路電感通過二極管續流造成的總線電壓波形畸變問題沒有解決，應急照明系統為集中監控系統，在保證供電可靠的基礎上，狀態巡檢以及應急控制的穩定性問題不容忽視，本文提出通過設計二總線中繼裝置的方式進行總線通訊波形的整定，從而達到正常通訊，且在實際項目中得到了充分的驗證。