基于dsPIC30F3014的漏电火灾报警监测器设计

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(山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

随着科技的进步和生活理念的变化，人们在享受智能楼宇带来的舒适环境的同时，对其安全性的要求也越来越高，其中火灾监测报警及消防联动控制系统是智能楼宇及其他建筑内必备的设备[1]。

在智能楼宇中，火灾监测通常有两种方式：第一种是预防性的，诸如对智能楼宇内用电系统的漏电监测；第二种是通过监测烟雾报警器或温度传感器对明火的监测。消防的核心理念是防患于未然，第一种方案的特点是能够及早报警避免损失，而第二种方案的火灾自动报警系统通常与消防联动设备如水喷雾灭火、气体灭火、泡沫灭火等系统关联[2]，用于控制或降低火灾发生后造成的损失。因此，第一种监测方法在智能楼宇火灾监测系统中的地位就显得尤为突出，但通常这两种监测方式同时存在于智能楼宇中。

据有关建筑火灾起因的统计分析[3]，我国高层建筑火灾中有34%的火灾起因是电气故障，而一半以上的电气火灾是由于漏电造成的，漏电电流达到300mA时，意味着火灾危险的开始。GB50045—95(2005年版)《高层民用建筑设计防火规范》对此作出了规定：高层建筑内火灾危险性大、人员密集等场所应设置漏电火灾监测及报警系统。

漏电火灾监测报警系统通常包括若干个实现漏电监测的数据采集节点下位机，1台实现数据查询、显示及打印的上位机，以及智能楼宇的服务器。本文重点介绍实施监测功能的下位机的实现方案。

1 工作原理及硬件架构

智能楼宇内的供电系统一般是AC380V的三相电制式，分配到各个用电设备端时通过抽取转换成AC220V的单相电。用电设备正常工作时，流入和流出零线N和火线L的电流应该是相等的即处于平衡状态。若两者电流不相等，则说明用电网络内存在漏电现象，漏电电流通过地线或者其他回路发生了泄露[4-5]。除了有发生火灾的潜在危险外，还有可能发生人员触电的危险。

本文的漏电火灾报警监测器以高性能的微处理器dsPIC30F3014为核心，通过互感线圈和温度传感器实现漏电和用电线路的温度监测，通过信号调理阵列的配合实现数据采集，通过与CAN总线收发器的配合实现数据打包及上传、参数设定及状态读取，硬件架构框图如图1所示。

图1 基于dsPIC30F3014的漏电火灾报警检测器硬件架构框图

漏电火灾监测器应具有下列功能：探测漏电电流、过电流等信号，准确报出故障线路地址，监视故障点的变化；上报各种故障，切断漏电线路上的电源，并显示其状态。

2 硬件设计

2.1 核心控制单元

该方案选用dsPIC30F3014作为核心控制器[6]，是由于其具有满足应用特性的以下几大优势：

(1)16位高性能数字信号处理器。

(2)运行速度最高为30MIPS。

(3)所有DSP指令具有单周期指令。

(4)CAN总线模块：实现了CAN协议CAN1.2、CAN2.0A和CAN2.0B标准。

(5)最多13通道，200ksps采样率，12bit分辨率的模数转换器(简称ADC，下同)。

(6)专为工业级应用设计，高可靠性。

dsPIC30F3014硬件电路设计如图2所示。在该设计中主要应用了9路ADC，分别用于采集3对零线和火线的电流和对应于3对线路上的电线温度。除了漏电可能引发火灾外，大功率设备正常工作时消耗的大电流，同样会引起用电线路的温度升高，可能引发火灾。因此，在该设计中以漏电监测为主，同时以用电线路的温度监测为辅，以此来提高该系统的工作可靠性。

图2 核心控制单元电路图

此外，通过该处理器上的CAN接口模块和CAN收发器进行对接，实现通信及数据传输。

2.2 电源设计

该检测器需要两路电源：+12V，用于激励互感线圈；+5V，用于核心控制器及运算放大器等器件供电。此外，鉴于该产品应用的特殊性，除了需要进行3C认证外，还需要进行消防专业认证，对产品电源部分的安全特性要求较高。因此，除了通常的过压、过流等保护措施外，该电源设计采取的是全隔离方式。监控器供电直接从AC220V获取，通过变压器出3组抽头，经整流、稳压等处理输出所需要的两路电源，另外一组抽头实现光电隔离控制。

2.3 CAN总线通信模块

在此选用CAN总线收发器82C250，作为CAN控制器和物理总线间的接口，提供对总线的差动发送和对CAN控制器的差动接收。尽管该收发器本身具有一定的抗电磁干扰(EMI)能力，但在实际应用中传输线路中的干扰仍不容忽视。因此，在该设计中在CAN总线接口处增加了浪涌吸收设计。

CAN总线除了完成数据传输的功能外，还通过CAN本身的ID提供监测点的地理位置信息，以方便管理人员查询和进行设备维护。

2.4 信号调理阵列

信号调理主要是对监测电线中的电流信号实现由电流到电压的转换(I/V变换)，并对弱信号进行放大和滤波等处理，确保进入ADC的信号接近其最大输入幅度，从而提高动态采集范围，有效利用ADC的采集精度。在此选用MCP6004，它是一款宽动态范围(带宽1MHz)、轨到轨输入输出的四路集成运算放大器。

3 CAN应用协议设计

监测器作为下位机与上位机通过CAN总线进行通信时，通讯格式严格执行CAN2.0B标准帧格式。

在上下位机的CAN通信过程中，包括下位机向上位机发送监测数据，同时还包括上位机对下位机的参数设定及状态读取。通信过程中分为2种数据帧：广播帧和正常通讯帧。

3.1 广播帧

作为下位机的监测器是接受方，用于上位机向众多的下位机发送地址编写、读地址、读通道数、设定辅路数等指令，接收到相应命令后向上位机反馈对应信息。广播帧的通信格式举例如下：

读地址和通道类型 00A

Eample：IDRTR帧格式COUNTDATA

发送 0x000A1 远程帧 0

接收 0x0230 0 数据帧 1 00(无辅路现在打开)

接收 0x0230 0 数据帧 1 03(3辅路现在打开)

返回ID=(主路地址号≪4)

DATA里第1个字节数据为现在打开的辅路通道数量。

3.2 正常通信帧

用于参数设定，如报警参数设定、基准电压设定、温度校准设定、漏电电流校准设定等。此外还包括读取动作指令，如读数据、读状态、发送断电指令等功能。正常通信帧的格式举例如下：

读报警参数：DD2，DD：表示地址

Eample：IDRTR帧格式COUNTDATA

发送 0x0232 1 远程帧 0 主路

接收 0x0237 0 数据帧 3C8 00 3C主路

发送 0x0242 1 远程帧 0 辅路

接收 0x0247 0 数据帧 2C8 00 辅路

(主路地址号≪4)+7

辅路地址=主路地址+辅路号

前两个字节表示漏电流报警设置值第1、2字节分别是漏电流的低和高字节，第3个表示温度报警设置值。

通过上述自定义应用层协议，完成了上下位机的良好交互。监测器在完成漏电和线路温度监测的同时，可接收上位机的设定指令和状态读取等指令，从而将数据上传，并及时响应、配合上位机进行工作。

4 结语

该监测器针对中、小型电气火灾监控系统设计，采用嵌入式CPU作为核心控制芯片，通过CAN总线和监控主机进行数据通讯，可实时显示、监控回路剩漏电流和温度值。具有高性能的通讯总线，对等的网络架构设计，设备工作稳定，数据传输实时可靠，性价比较高。目前，该漏电火灾报警监测器设计已与某公司合作完成了产品转化，满足GB14287.1—2005《电气火灾监控系统 第1部分：电气火灾监控设备》，通过了相关认证，并在机场、办公大楼等智能楼宇中得到了应用。

参考文献：

[1] 程敦伍，刘祖德.智能楼宇火灾报警与消防联动系统设计[J].地址勘探安全，2000(2)：31-33，11.

[2] 王黎明，刘健.火灾报警系统在智能建筑中的应用[J].电子测试，2014(5)：93-95.

[3] 孙景芝.电气消防技术[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]GB14287.1—2005，电气火灾监控系统 第1部分：电气火灾监控设备[S].

[5]GB14287.2—2005，电气火灾监控系统 第2部分：剩余电流式电气火灾监控探测器[S].

[6]dsPIC30F3014_4013数据手册[K].Arizona：MicrochipTechnologyInc.，2007.