一种消防应急灯具专用控制芯片的设计

引言
    消防应急灯具作为一种重要的消防器材，广泛应用于宾馆、商场、娱乐场所等公众聚集场所，其功能是在这些场所发生火灾断电后，应急灯具自动照明，引导被困人员疏散。消防应急疏散照明技术是一项重要的救生疏散技术。为了降低应急灯具的生产成本和功耗，以及其设备可靠性的问题，设计一种消防应急灯具的专用控制芯片，该芯片可完全达到国家标准并大大降低产品的开发难度。

1 芯片的内部组成
    目前市场上的消防应急灯按应急供电方式大致分为：自带电源型和集中电源型。自带电源型单个系统自带备用蓄电池，平时由市电供电，只有当市电电源切断时，备用电源自动投入运行。集中电源型是在主电故障时，利用蓄电池提供的直流电源，逆变输出交流电压，而主电正常时，则由开关电路控制，直接将主电输出。
    本芯片主要用于各种自带电源型的消防应急照明灯具和疏散灯具中，其系统框图如图1所示。

1．1 8051徼处理器IP核
    8051是一款单芯片、快速的8位微处理器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。指令是计算机用于控制各部分功能部件完成某一动作的指令和命令。8051核的指令按照功能分为5类：数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算及移位指令、控制转移指令、位操作指令。丰富的指令可以增加IP核的使用范围，同时8051提供软件和硬件中断，一个串行通信的接口以及两个定时器。
    在对8051的仿真测试过程中，具体测试到哪部分就针对哪部分编写相应的测试程序，对后续添加的模块要根据模块的功能编写相应的测试程序。
    对8051核的仿真测试进行的主要测试内容如下：各个器件的测试，包括加法器、乘／除法器、内／外部RAM、ROM、特殊功能寄存器、定时器、外部中断、UART、P0～P3管口以及每一条指令的测试，共256个操作码。图2为定时器O的仿真测试波形。

    8051微处理器IP核作为该芯片的核心控制部分，具有运算速度快、工作电压范围广、工作功耗低等优点。在软硬件功能划分上，该模块主要利用软件完成电检测，工作状态显示，自复式检测功能和主电故障保护功能。
    同时8051是开源的代码设计核，可用于ASIC的再使用以及FPGA开发。
1．2 模／数转换模块
    实现A／D转换的基本方法有十几种，常用的有计数法、逐次逼近法、双斜积分法和并行转换法。由于逐次逼近式A／D转换具有速度快、分辨率高的优点，而且采用这种方法的芯片成本较低，因此在计算机数据采集系统之中获得了广泛的应用。
    这类A／D转换器的转换原理建立在逐次逼近的基础之上，即把输入电压和一组从参考电压分层得到的量化电压进行比较，比较从最大的量化电压开始，由粗到细逐次进行，由每次比较的结果来确定对应的位是1还是O，不断比较，不断逼近，直到两者的差别小于某一误差范围时即完成一次转换。
1．3 RS 485总线模块
    在工业控制及测量领域较为常用的网络之一就是物理层采用RS 485通信接口所组成的工控设备网络。这种通信接口可以十分方便地将许多设备组成一个控制网络。RS 485通信协议的物理层是利用物理媒介实现物理连接的功能描述和执行连接的规程，提供用于建立、保持和断开物理连接的、机械的、电气的、功能的和过程的条件。数据链路层用于建立、维持和拆除链路连接，实现无差错传输的功能。应用层针对不同的应用，利用链路层提供的服务，完成不同通信节点之间的通信。
1．4 电源监控保护模块
    电池是应急灯的重要组成部分，过度放电会影响电池的寿命。自带电源型消防应急灯具由于使用独立电源作为备甩电源，电池的特性会直接影响到应急时间、光源的亮度，因此采用合适的电池非常重要。目前，消防应急灯具普遍采用镍铬或镍氢充电电池。同时，控制系统必须对电池进行检测，以实现对电源的保护。
1．5 光源监控保护模块
    光源控制模块完成两个功能：应急状态下产生信号，打开备用电源和光源的放电回路，在市电正常时检测光源是否打开。标准规定：消防应急灯具的应急转换时间应不大于5 s，高危险区域使用的消防应急灯具的应急转换时间不大于0．25s。

2 结语
    研制高度集成新技术、新标准的消防控制专用芯片，无疑将大大降低设备制造商的产品开发难度、成本与能耗，提高设备的可靠性。这已经成为芯片设计者、设备制造商追求的目标。随着企业生产规模的不断加大，该芯片的成本还有进一步的降低空间。考虑到市场有对产品要求不断提高的趋势，在设计时，该芯片预留了系统升级更新的空间，可在短时间内发展出衍生品种，满足市场需求。