基于ADPD188BI集成光學(xué)模塊系統(tǒng)

安全，應(yīng)該說是人們生活中最“硬核”的剛需。很多安全設(shè)備平日里幾乎是“透明”的，大家感覺不到它們的存在，而一旦遇到事兒，它們卻必須能夠派上用場，頗有些“養(yǎng)兵千日，用兵一時”的味道。因此，如何能夠保證這些安全設(shè)備靠得住，關(guān)鍵時刻不掉鏈子，尤為重要。

煙霧探測器就是這樣一種典型的安全設(shè)備，它通過感測物品燃燒所散發(fā)的煙霧，及時對火災(zāi)進(jìn)行報警，以保護(hù)人身和財產(chǎn)的安全。

早期的煙霧探測器是一種電離系統(tǒng)，它的工作原理是在兩個導(dǎo)電板之間摻加少量放射性材料，對空氣進(jìn)行離子化，使得電流流動，當(dāng)煙霧進(jìn)入探測器的腔室時，會造成電流流動的減少，由此觸發(fā)警報。由于這種探測器需要等到煙霧擴(kuò)散到探測器腔室時才能感應(yīng)到，不利于及時發(fā)現(xiàn)萌發(fā)初期的火情，所以很多國家都已經(jīng)禁止使用電離式的煙霧探測器。

為了規(guī)避電離式探測器的弊端，現(xiàn)在主流的煙霧探測器采用的大都是光電模式。其原理是探測器通過LED發(fā)射一個光信號，如果周邊環(huán)境中有煙霧，會將LED光折射到探測器中的光電二極管，由于煙霧中的顆粒會對光信號造成散射和衰減，比較發(fā)射端和接收端光信號的變化即可對煙霧進(jìn)行探測。顯然與電離模式相比，光電模式的煙霧探測器更為“主動”，能夠獲得更大的火災(zāi)預(yù)警提前量。

典型的光電模式煙霧探測器架構(gòu)

煙霧探測器的挑戰(zhàn)

依照光電模式的原理，人們設(shè)計的典型煙霧探測器通常是一個包括LED、光電二極管、微控制器、模擬信號鏈、揚(yáng)聲器，以及其他相關(guān)傳感器的系統(tǒng)。不過在使用中，這種傳統(tǒng)的光電煙霧探測器也逐漸暴露出了自身的一些弱點(diǎn)，主要包括：

1易誤報

傳統(tǒng)的光電煙霧探測器準(zhǔn)確度不夠高，難于區(qū)分煙霧中的不同粒子類型，廚房烹飪產(chǎn)生煙霧或者浴室的蒸汽都可能觸發(fā)誤報，頻繁的誤報可能會使用戶將探測器關(guān)閉，這無疑是危險的——據(jù)統(tǒng)計，在安裝了煙霧探測器的建筑物內(nèi)，有23%的火災(zāi)死亡是在煙霧探測器未工作或因頻繁誤警而被禁用的情況下發(fā)生的。因此新的法規(guī)中，針對煙霧探測器對不同粒子的“辨識”能力提出了更高的要求，比如需要能夠區(qū)別出漢堡包烤焦和聚氨酯燃燒所產(chǎn)生煙霧之間的細(xì)微差別。

2體積大

由于大多是基于分立元器件方案，所以傳統(tǒng)的光電煙霧探測器外形比較大。而在未來的智能樓宇和家居中，使用的電子設(shè)備越來越多，有時候還需要將煙霧探測功能集成到其他樓宇控制系統(tǒng)中——如與疏散或緊急照明系統(tǒng)集成在一起——這時候，小尺寸就成了一個更關(guān)鍵的因素。

3功耗高

這對于越來越多的具備低功耗無線物聯(lián)網(wǎng)功能的應(yīng)用來說，顯然是一個硬傷。高功耗也意味著需要更頻繁地更換電池，會增加系統(tǒng)運(yùn)維成本。

4部署難

煙霧探測系統(tǒng)的應(yīng)用，不可避免地需要大量校準(zhǔn)工作，同時在開發(fā)、安裝、維護(hù)中，還要考慮到其他配套組件的因素，這都增加了系統(tǒng)部署的復(fù)雜性和難度。

對照上述這些傳統(tǒng)光電煙霧探測系統(tǒng)的“短板”，我們不難描繪出一個適應(yīng)當(dāng)下及未來需要、更“靠譜兒”的煙霧探測器的樣子，它應(yīng)該具備下面這些特性：

更高的性能，可以有效降低誤報頻率

更緊湊的外形，既美觀又便于與其他功能和系統(tǒng)集成

更低功耗，免去頻繁更換電池的麻煩

更完備的配套開發(fā)工具和組件，簡化開發(fā)和維護(hù)工作，降低使用門檻

符合最新的法規(guī)要求

……

ADI解決方案

這樣的解決方案好不好找？想要滿足上述的要求，既需要方案設(shè)計者有深厚的技術(shù)功底，還要對應(yīng)用需求、安全法規(guī)有透徹的了解，確實(shí)不容易。不過盡管有難度，能夠符合上面這些設(shè)計需求的光電煙霧探測器方案，最終還是被我們找到了！這就是Analog Devices（ADI）的ADPD188BI集成光學(xué)模塊。ADPD188BI通過新的測量系統(tǒng)，滿足未來對安全性、成本和可靠性的所有要求。

ADPD188BI集成光學(xué)模塊

ADPD188BI是一個外形非常緊湊的高度集成的系統(tǒng)，在一個3.8mm x 5mm x 0.9mm的定制化封裝中，集成了一套完整的雙波長煙霧探測光電測量系統(tǒng)的信號鏈，包括一個模擬前端、光電二極管、藍(lán)光和紅外LED，以實(shí)現(xiàn)煙霧和氣霧劑檢測。其工作原理是：由LED發(fā)射幾微秒的短脈沖，當(dāng)光信號被粒子散射回光電二極管，跨阻放大器將產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓，帶通濾波器濾除直流分量，積分器濾除來自高達(dá)80dB的燈或太陽輻射的環(huán)境光的直流分量，之后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸給微控制器按照特定的算法去做計算分析。

ADPD188BI集成光學(xué)模塊系統(tǒng)框圖

模擬前端（AFE）是ADPD188BI的核心，它是一顆ASIC，包含一個控制模塊、一個配備20位脈沖蓄能器的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和三個可獨(dú)立控制的靈活 LED 驅(qū)動器。控制電路包括靈活的LED信號傳輸和同步檢測功能。該模擬前端具有抑制調(diào)制干擾導(dǎo)致信號失調(diào)和破壞（通常由環(huán)境光所致）的優(yōu)異特性，同時可以通過1.8V I2C接口或SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出和功能配置。

突出的性能優(yōu)勢

這樣的設(shè)計，為ADPD188BI帶來了諸多性能上的優(yōu)勢。具體來講，有以下幾點(diǎn)：

1性能高，誤報少由于ADPD188BI采用了兩個LED光源（藍(lán)光和紅外），可獲得高動態(tài)范圍和高SNR，波長不同的LED意味著有兩個不同的折射角，測量值更可靠，可以區(qū)分出煙霧顆粒的大小，更精準(zhǔn)地分辨出煙霧的類型，從而減少誤報。這樣的煙霧探測器可以應(yīng)用在廚房和浴室等更多傳統(tǒng)方案“不適用”的場景中。

2更小尺寸

ADI這個煙霧探測器解決方案使用Mie散射方法，LED更接近光電二極管，從而減小了整個電路板系統(tǒng)的尺寸。從圖4中可以看出，傳統(tǒng)方案的平均寬度約為50mm（右），而ADPD188BI只需3.80mm（左）。

ADI煙霧探測器解決方案小型化優(yōu)勢明顯

這種高集成、小型化的結(jié)構(gòu)，簡化了腔室設(shè)計，也提升了制造流程的效率。同時由于條件固定以及物理外形的減小，也讓系統(tǒng)校準(zhǔn)變得更容易，為用戶帶來便利。

值得一提的是，通過巧妙的設(shè)計，ADPD188BI專門優(yōu)化的封裝方式，讓發(fā)射和接收系統(tǒng)“分處兩室”，分別放置且密封于獨(dú)立的空間內(nèi)，可防止LED發(fā)出的光線在進(jìn)入煙霧探測腔之前直接照射到光電二極管，確保系統(tǒng)的可靠性。

ADPD188BI小型化封裝方式示意圖

3低功耗

整個ADPD188BI系統(tǒng)的高集成度，可以明顯改善電源管理，實(shí)現(xiàn)更低的功耗。此外，LED短脈沖也有利于功耗的進(jìn)一步優(yōu)化，從而延長電池供電設(shè)備的使用壽命，為支持更多功能——如其他傳感器和無線通信——提供更大的空間。

配套設(shè)計資源

除了自身過硬的性能優(yōu)勢，ADI還為用戶提供了與ADPD188BI配套的設(shè)計資源，以利于最終的方案和產(chǎn)品能夠滿足設(shè)計規(guī)范和安全法規(guī)的要求。

比如圖6所示的，是經(jīng)ADI設(shè)計并由Accumold制造的EVAL-CHAMBER煙室，它可以確保最大的氣流量，以利于發(fā)揮出光電煙霧探測器的性能優(yōu)勢。

與ADPD188BI配套使用的EVAL-CHAMBER煙室

為了對“ADPD188BI光學(xué)模塊+EVAL-CHAMBER煙室”的完整組合方案做評估以及合規(guī)測試，ADI還提供了一套評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)由EVAL-ADPD188BIZ-S2評估板、EVAL-ADPDUCZ微控制器板、可選的EVAL-CHAMBER煙室和具有圖形用戶界面（GUI）的Wavetool評估軟件組成。

EVAL-ADPD188BIZ-S2評估板

帶有EVAL-CHAMBER煙室和EVAL-ADPD188BIZ-S2的評估系統(tǒng)

開發(fā)者可以通過Wavetool評估軟件對評估系統(tǒng)進(jìn)行配置、實(shí)時頻率和時域分析，以及通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）與用戶開發(fā)系統(tǒng)連接。可視化的界面，讓測試結(jié)果一目了然。

在無背景響應(yīng)（上）和煙霧出現(xiàn)時（下）Wavetool評估軟件的顯示

結(jié) 語

根據(jù)國際能源署（IEA）的預(yù)測，隨著城市化水平的提升，全球樓宇建筑面積將以每年約3%的速度增加，這一增長在中國和其他發(fā)展中國家更為顯著，煙霧探測的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大。與此同時，樓宇中使用的合成材料也越來越多，這對于煙霧探測的可靠性和精準(zhǔn)性也提出了新的要求。這些趨勢也在推動煙霧探測相關(guān)法規(guī)的升級，也構(gòu)成了進(jìn)入這一領(lǐng)域的一道門檻。想要邁過去，你就需要一個“靠譜兒”的煙霧探測方案做支點(diǎn)。

現(xiàn)在，這樣的方案就擺在你眼前，一站式滿足未來你對煙霧探測器安全性、成本和可靠性的全面要求。? ? ? ?
? ? ? ?責(zé)任編輯:pj