消防設(shè)備電源監(jiān)控傳感模塊設(shè)計(jì)

　　針對(duì)市面上消防設(shè)備電源監(jiān)控傳感器采樣精度差、通信不穩(wěn)定、不符合國(guó)標(biāo)規(guī)范等設(shè)計(jì)缺陷，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB28184—2011《消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)》為依據(jù)研究設(shè)計(jì)了一款電流電壓型監(jiān)控傳感器。設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于采用RN8209G芯片進(jìn)行采樣，并通過CAN總線進(jìn)行通信，在0-50A電流范圍內(nèi)提高采樣精度達(dá)到1%。設(shè)計(jì)產(chǎn)品已通過國(guó)標(biāo)GB28184中4.7節(jié)表1中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及高低溫試驗(yàn)要求。

　　2011年7月1日開始執(zhí)行的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB25506—2011消防控制室通用技術(shù)要求中5.3.14條提出：“消防控制室應(yīng)能顯示消防用電設(shè)備的供電電源和備用電源的工作狀態(tài)和欠壓報(bào)警信息”，并在2011年提出該系統(tǒng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB28184—2011消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)。在各項(xiàng)火災(zāi)事故中，消防設(shè)備能否起到滅火的關(guān)鍵作用在于消防設(shè)備是否供電正常，而人為監(jiān)控和維護(hù)電源的困難則使得消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)必然產(chǎn)生。該系統(tǒng)主要是通過保證平時(shí)各項(xiàng)消防設(shè)備的電源能夠正常工作，從而保證消防設(shè)備在火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)不會(huì)因?yàn)楣╇姽收隙鵁o法滅火導(dǎo)致更大損失，在消防設(shè)備供電故障時(shí)能夠及早發(fā)現(xiàn)并予以解決。

　　目前我國(guó)沿海城市已經(jīng)陸續(xù)有公司推出消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)，然而許多監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)參差不齊，并沒有按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB28184-2011來制作。尤其是置于消防設(shè)備電源進(jìn)入端與輸出端的監(jiān)控傳感模塊，沒有考慮到工作環(huán)境的復(fù)雜以及采樣精度不高、適用范圍小等問題。本文針對(duì)以上現(xiàn)象，設(shè)計(jì)并研發(fā)了消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的檢測(cè)傳感模塊，并對(duì)其中的采樣部分進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)，創(chuàng)新點(diǎn)在于通過使用RN8209G電能芯片使得采樣精度達(dá)到1%，并結(jié)合了較為穩(wěn)定的CAN總線通信技術(shù)。

　　本文設(shè)計(jì)的消防設(shè)備電源監(jiān)控傳感模塊已通過了GB28184.2011中規(guī)定的浪涌沖擊抗擾度試驗(yàn)、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)以及高低溫試驗(yàn)等。

　　2監(jiān)控傳感器整體設(shè)計(jì)

　　消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)整體可包括3個(gè)部分：監(jiān)控器主機(jī)，傳感監(jiān)控器以及上位機(jī)。這其中傳感監(jiān)控器為本文的核心討論內(nèi)容，下面給出監(jiān)控模塊的整體設(shè)計(jì)框圖，見圖1。

　　監(jiān)控傳感器的模塊構(gòu)成為圖1中的虛線框內(nèi)部分，包括采樣、通信、顯示、報(bào)警輸出等，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控傳感類型為電壓電流型，即能夠監(jiān)測(cè)電流電壓兩種信號(hào)，電壓信號(hào)可直接接入監(jiān)控傳感器，而電流信號(hào)為保證消防設(shè)備電源連續(xù)性，則需要通過互感器接入。其中采樣模塊和通信模塊決定了監(jiān)控傳感器的性能好壞，下文對(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行重點(diǎn)剖析論述.

　　3監(jiān)控傳感器通信模塊

　　3.1硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB28184—2011中的要求，監(jiān)控傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠傳輸至監(jiān)控主機(jī)，傳輸?shù)倪^程要求保證穩(wěn)定性。監(jiān)控傳感器一般置于建筑消防設(shè)施的電源附近，隱藏在墻體之后，所處環(huán)境電磁干擾較大，對(duì)于通信的穩(wěn)定性要求較高。對(duì)比于傳統(tǒng)市面上采用的RS一485通信方案，本文中采用CAN總線，并給出了相應(yīng)的CAN協(xié)議格式，在通信總線中加入了TVs防止浪涌破壞，并加入了共軛線圈以抑制共模干擾。設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。

　　電路圖中，6N137光耦起到電氣隔離的作用，圖2中的B0505為隔離電源，將通信模塊中所用的電源、地與電路板上其余電源、地隔離開來，在通信的輸出端口，CANL與CANH之后加入了與，差模濾波電感，用于抑制差模干擾。差模電感之后加入共模電感B3，共模電感的作用是抑制共模干擾。TVS41的作用是為了消除CANL與CANH之間的浪涌，而TVS42與TVS43分別是為了消除CANH與CANL對(duì)地的浪涌。有瞬間大電壓浪涌產(chǎn)生時(shí)，TVS管與，電容會(huì)瞬間導(dǎo)通，將大電壓通過GGND導(dǎo)通至大地，以防止通信模塊受到破壞。

　　3.2軟件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中監(jiān)控傳感器的通信采用CAN傳輸，CAN通信采用事件觸發(fā)式，比主從方式的通信效率更高，CAN應(yīng)用層的協(xié)議相對(duì)開放，有CAN2.0A的版本以及擴(kuò)展版的CAN2.0B，該設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展版本2.0B的通信擴(kuò)展幀模式，報(bào)文幀格式如表1所示，并參考了論文((基于CAN總線的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》中ZNCAN的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上依據(jù)消防監(jiān)控器的特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)更改。CAN2.0B擴(kuò)展幀中報(bào)文的格式分為報(bào)文標(biāo)識(shí)符以及報(bào)文數(shù)據(jù)定義兩個(gè)部分。報(bào)文標(biāo)識(shí)符主要用于設(shè)備識(shí)別，而報(bào)文數(shù)據(jù)部分即表l的字節(jié)6～13中傳輸電壓電流等數(shù)據(jù)信息。表格中報(bào)文識(shí)別碼的ID.28~ID.23定義為6位建筑編號(hào)，ID.22~ID.16定義為7位樓層編號(hào)，ID15~ID9定義為7位節(jié)點(diǎn)編號(hào)，而ID8-ID5為源節(jié)點(diǎn)編號(hào)，ID4~ID1定義為功能碼，ID0為應(yīng)答信號(hào)ACK。功能碼列表如表2所示。

　　報(bào)文響應(yīng)中的數(shù)據(jù)主要用來傳送參數(shù)以及采樣數(shù)值，由于消防設(shè)備電源通常是雙電源，即主電和備用電源都需要監(jiān)測(cè)，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控傳感器為電流電壓型，采用三相四線輸入，有12組采樣數(shù)據(jù)，再加上電流電壓的設(shè)定閾值共14組，數(shù)據(jù)量較大，而CAN2.0B擴(kuò)展幀的數(shù)據(jù)位只有8位，所以采樣數(shù)據(jù)傳輸一共要發(fā)送14次。發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有如圖3所示　的兩種。

　　狀態(tài)字節(jié)：狀態(tài)為監(jiān)控傳感器的當(dāng)前狀態(tài)，包括正常、過流、過壓、欠壓、缺相、錯(cuò)相等狀態(tài);電壓/電流設(shè)定：電壓/電流設(shè)定包括主電的設(shè)定值和備電的設(shè)定值;監(jiān)控類型：監(jiān)控類型表示上發(fā)數(shù)據(jù)的監(jiān)控傳感器類型，可以是電壓型也可以是電流型，亦或是電流電壓型。其中對(duì)于同一監(jiān)控傳感器的同一批采樣數(shù)據(jù)中，傳輸完圖3(a)后緊隨著圖3(b)的數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控器主機(jī)可以根據(jù)監(jiān)控類型來計(jì)算接收的次數(shù)以此來判決是否接收到所有的采樣數(shù)據(jù)。

　　4監(jiān)控傳感器采樣模塊

　　市面上有的監(jiān)控傳感器采樣部分采用普通的峰值檢波電路或是簡(jiǎn)單的分壓電路，輸入的采樣信號(hào)穩(wěn)定性不高，并且對(duì)于峰值檢波電路，應(yīng)用具有一定的局限性。峰值檢波電路存在充放電的問題，如若快速變換的波形一旦放電不及時(shí)，則容易出現(xiàn)采樣偏差，筆者在采用峰值檢波電路測(cè)試日光燈的供電電源時(shí)發(fā)現(xiàn)采樣電壓普遍偏大兩倍。消防設(shè)備的種類繁多決定了消防設(shè)備電源的多樣性，采樣電路需要有更大的適用范圍以及更強(qiáng)的抗干擾性能。

　　本設(shè)計(jì)的采樣方案采用RN8209電能芯片進(jìn)行電流電壓的信號(hào)采樣。RN8209是一款單相多功能防竊電專用的計(jì)量芯片，它能夠提供3路采樣信號(hào)，其中包括兩路電流和一路電壓的有效值測(cè)量，在1000：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有效誤差小于0.1%，并且提供SPI/UART接口將信號(hào)輸出，功耗值低，使用十分便利。

　　在使用該計(jì)量芯片時(shí)，根據(jù)芯片手冊(cè)設(shè)計(jì)的芯片外圍電路如圖4所示。圖4中一共有3路電流輸入，分別為，Ia\Ib\Ic該3路電流在輸入該電路之前與峰值檢波電路一樣需要通過電流互感器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)為小信號(hào)之后再輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。

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