二總線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)編碼與通信的實(shí)現(xiàn)

馬芮，武一，花中秋，奉軻

（1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300401；2.河北工業(yè)大學(xué)電子材料與器件天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300401）

二總線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)編碼與通信的實(shí)現(xiàn)

馬芮1，2，武一1，2，花中秋1，2，奉軻1，2

（1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300401；2.河北工業(yè)大學(xué)電子材料與器件天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300401）

依據(jù)二總線技術(shù)的工作原理，設(shè)計(jì)了火災(zāi)探測(cè)器的信號(hào)檢測(cè)電路，將控制器和探測(cè)器雙方需要傳遞的信息加載在總線電壓和電流上.采用數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)探測(cè)器的尋址與識(shí)別，并結(jié)合總線電壓的變化向探測(cè)器發(fā)送編址指令，實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)探測(cè)器的編碼.通過(guò)探測(cè)器對(duì)返回總線電流的控制和通信時(shí)序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合型火災(zāi)探測(cè)2種火災(zāi)參量信號(hào)的回傳.

火災(zāi)報(bào)警；二總線；編碼；通信

0 引言

火災(zāi)，是危害人類和社會(huì)最常見(jiàn)的災(zāi)害之一，其難以預(yù)料的性質(zhì)不僅對(duì)社會(huì)安全造成了極大的威脅，無(wú)法挽回的損失更制約了經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展.隨著人們對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)研究的深入，二總線技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分工明確、無(wú)極性易接入等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于火災(zāi)探測(cè)器和報(bào)警控制器之間[1].復(fù)合型火災(zāi)探測(cè)集合了至少2種火災(zāi)參量的探測(cè)原理于同一個(gè)探測(cè)器，有效地彌補(bǔ)了單一型火災(zāi)探測(cè)由于原理限制出現(xiàn)的誤報(bào)、漏報(bào)的缺陷，也逐漸成為智能型火災(zāi)報(bào)警的應(yīng)用趨勢(shì)[2].

文獻(xiàn)[3-4]采用數(shù)據(jù)幀的方式完成二總線系統(tǒng)的編碼與通信，使得總線電流始終處于階躍變化中，可能出現(xiàn)信號(hào)識(shí)別混亂從而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰[5]，還會(huì)縮短二總線的工作壽命.結(jié)合二總線技術(shù)的工作原理和復(fù)合型火災(zāi)探測(cè)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)探測(cè)器信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，把總線上的電壓和電流變換為微處理器可識(shí)別的信號(hào)，控制電路的多態(tài)輸出并結(jié)合時(shí)序設(shè)計(jì)和軟件編程完成編碼尋址、故障排查和火災(zāi)報(bào)警等信息的檢測(cè)，每個(gè)狀態(tài)信號(hào)的回傳只改變一次總線電流，實(shí)現(xiàn)了基于二總線的復(fù)合型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的編碼與通信.

1 二總線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二總線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由報(bào)警控制器和火災(zāi)探測(cè)器組成，如圖1所示，控制器通過(guò)2根總線與多個(gè)探測(cè)器相連，并通過(guò)地址編碼技術(shù)為探測(cè)器編號(hào)使其具有唯一可識(shí)別地址[6].總線A是共用地線，總線B是電源/通信復(fù)用線[7].二總線可為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電，并聯(lián)在總線上的探測(cè)器無(wú)需外接電源[8].總線B空閑時(shí)作電源線，兩根總線之間的電壓為24 V，探測(cè)器由控制器供電并為其內(nèi)部?jī)?chǔ)能電容充電；總線B作通信線時(shí)，兩根總線之間的電壓為10 V，探測(cè)器由內(nèi)部?jī)?chǔ)能電容放電提供功率，并于該時(shí)段向控制器返回當(dāng)前探測(cè)器故障自檢信號(hào)或火災(zāi)參量探測(cè)信號(hào)[9].

二總線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的工作過(guò)程，首先由作為主機(jī)節(jié)點(diǎn)的控制器采用總線電壓的形式向探測(cè)器發(fā)起通信，如二總線設(shè)備的編碼或?qū)ぶ?；作為從機(jī)節(jié)點(diǎn)的探測(cè)器根據(jù)控制器發(fā)來(lái)的指令執(zhí)行相應(yīng)的工作，并采用總線電流的形式向控制器回傳檢測(cè)信號(hào)，即探測(cè)器故障情況或火災(zāi)探測(cè)情況[10].

圖1 二總線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of two-bus fire alarm system

2 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

結(jié)合二總線技術(shù)通過(guò)總線電壓和電流進(jìn)行通信的特點(diǎn)，為探測(cè)器設(shè)計(jì)如圖2所示的信號(hào)檢測(cè)電路.通過(guò)對(duì)電路中“門(mén)”的控制，即二極管和三極管的狀態(tài)切換，使電路實(shí)現(xiàn)多態(tài)輸出，表示多種不同的通信信號(hào)[11].L+接在探測(cè)器的總線接口上，圖2a）是依據(jù)二總線系統(tǒng)控制器采用電壓形式向探測(cè)器發(fā)起通信的工作原理，把總線上的脈動(dòng)電壓信號(hào)變換成可供微處理器識(shí)別的數(shù)字脈沖信號(hào)的電路；圖2b）是依據(jù)二總線系統(tǒng)探測(cè)器采用電流形式向控制器回傳信號(hào)的工作原理，通過(guò)微處理器對(duì)S0、S1的電平控制改變返回總線上電流的電路.

圖2 探測(cè)器信號(hào)檢測(cè)電路Fig.2 The signal detection circuit of fire detector

二總線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)依靠2根總線間24 V和10 V兩種電壓的不斷交替，實(shí)現(xiàn)控制器和探測(cè)器之間的斷續(xù)供電及信號(hào)通信，因此接在總線接口上的L+會(huì)形成規(guī)律的脈動(dòng)電壓信號(hào)，該信號(hào)影響著電路中二極管和三極管的狀態(tài)，具體情況如表1所示.經(jīng)電源穩(wěn)壓后，V+電壓為17 V左右，Vcc為5 V.若總線上始終處于24 V和10 V的交替變化，CLK處會(huì)伴隨著L+規(guī)律的脈動(dòng)電壓信號(hào)產(chǎn)生穩(wěn)定的數(shù)字脈沖信號(hào)，LD處始終為低電平；若兩根總線間電壓出現(xiàn)0 V且S0或S1為高時(shí)，LD處變?yōu)楦唠娖?總線上的脈動(dòng)電壓信號(hào)通過(guò)電路轉(zhuǎn)換后，在CLK處形成的數(shù)字脈沖信號(hào)及LD處的高低電平都可被微處理器檢測(cè)和識(shí)別，從而獲取到控制器通過(guò)總線電壓發(fā)送的指令信息.

如圖2b），S0、S1接在微處理器的I/O端口，控制I/O口的高低電平會(huì)改變探測(cè)器回傳到總線上的電流大小.當(dāng)S0、S1均為低電平時(shí)，回傳到總線上的電流為0 mA；當(dāng)S0為高電平、S1為低電平時(shí)，回傳到總線上的電流為6 mA；當(dāng)S0、S1均為高電平時(shí)，回傳到總線上的電流為18 mA.由于這3種電流值存在明顯差異，可直接用于多種狀態(tài)的表示.在實(shí)際的工程應(yīng)用中，若探測(cè)器出現(xiàn)開(kāi)路故障，二總線上不會(huì)檢測(cè)到電流.因此，定義0 mA表示探測(cè)器開(kāi)路，6 mA表示環(huán)境正常，18 mA表示火災(zāi)報(bào)警或編碼完成，報(bào)警系統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)和故障自檢同時(shí)進(jìn)行.控制器將總線上返回的電流值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器，為消除總線電流波動(dòng)造成的誤差，控制器在信號(hào)分析時(shí)避免定值比較的限制，選取可波動(dòng)的范圍與A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行比較，判斷該信號(hào)所代表的信息.

表1 “門(mén)”的變化及特征點(diǎn)的電平檢測(cè)Tab.1 Change of the gates and level detection of the feature points

3 編碼與通信方法設(shè)計(jì)

二總線火災(zāi)報(bào)警控制器與復(fù)合型火災(zāi)探測(cè)器之間的通信包括2部分，一部分是探測(cè)器的編碼通信，另一部分是火災(zāi)探測(cè)和故障自檢通信.作為主機(jī)設(shè)備的控制器具有向作為從機(jī)設(shè)備的探測(cè)器發(fā)起通信的功能，當(dāng)控制器向探測(cè)器發(fā)送編碼指令后，探測(cè)器進(jìn)入編碼通信等待地址的接收，并于存儲(chǔ)成功后向控制器返回應(yīng)答.為保證探測(cè)器地址的唯一性，編碼通信只能對(duì)一個(gè)探測(cè)器獨(dú)立進(jìn)行.當(dāng)控制器向探測(cè)器發(fā)送探測(cè)/自檢指令后，若探測(cè)器出現(xiàn)開(kāi)路故障則向控制器返回開(kāi)路信號(hào)，反之探測(cè)器對(duì)當(dāng)前環(huán)境的火災(zāi)情況進(jìn)行探測(cè)，并向控制器返回2種火災(zāi)參量的探測(cè)結(jié)果.總線上并聯(lián)的所有探測(cè)器同時(shí)進(jìn)行探測(cè)和自檢工作，采用巡檢的方式在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)遍歷接收所有探測(cè)器返回的信號(hào).

在每個(gè)循環(huán)周期開(kāi)始時(shí)給總線提供一段24 V供電電壓，用于控制器和探測(cè)器之間程序和信號(hào)的同步處理.為使探測(cè)器能夠區(qū)分控制器發(fā)送的是編碼指令還是探測(cè)/自檢指令，利用該段同步電壓的長(zhǎng)度表示區(qū)分指令，即探測(cè)器通過(guò)對(duì)信號(hào)檢測(cè)電路中CLK處形成的低電平長(zhǎng)度的識(shí)別確認(rèn)本輪通信內(nèi)容.如圖3所示，若時(shí)序頭長(zhǎng)度為225 ms，探測(cè)器暫?；馂?zāi)探測(cè)，等待接收控制器發(fā)送編碼地址；若時(shí)序頭長(zhǎng)度為175 ms，探測(cè)器開(kāi)始執(zhí)行火災(zāi)探測(cè)和故障自檢.

當(dāng)控制器對(duì)單個(gè)探測(cè)器進(jìn)行編碼時(shí)，把編碼地址n賦給電壓信號(hào)，即在第n個(gè)電壓脈動(dòng)方波控制總線電壓驟降為0 V.如圖3a）所示，一個(gè)脈動(dòng)方波由8 ms的24 V和4 ms的10 V組成，探測(cè)器對(duì)CLK處形成的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并計(jì)數(shù)，同時(shí)啟動(dòng)LD處的電平檢測(cè).總線電壓從24 V拉低至0 V并持續(xù)2 ms，探測(cè)器檢測(cè)到LD電平為高，停止對(duì)CLK處的脈沖計(jì)數(shù)，并將此時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)n記為本次編碼的地址存入探測(cè)器存儲(chǔ)中，控制I/O端口改變S0、S1的電平向總線返回18 mA電流表示編碼地址接收成功.

圖3 二總線復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器編碼與通信時(shí)序圖Fig.3 The time sequence of coding and communication for two-bus compound fire detector

當(dāng)控制器向總線上的所有探測(cè)器發(fā)送探測(cè)/自檢指令后，探測(cè)器啟動(dòng)2種傳感器對(duì)當(dāng)前火災(zāi)情況的探測(cè)，并在微處理器中對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行分析，再將結(jié)果用電流的方式回傳到控制器.為保留單一型火災(zāi)參量獨(dú)立報(bào)警的功能，實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)2種火災(zāi)參量信號(hào)的區(qū)分，設(shè)計(jì)使用2個(gè)脈沖聯(lián)合回傳一個(gè)復(fù)合型火災(zāi)探測(cè)器的信息.如圖3b），規(guī)定0號(hào)脈沖僅供電，從1號(hào)脈沖開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)的脈沖個(gè)數(shù)與存儲(chǔ)器中的地址n相關(guān)時(shí)，該探測(cè)器向控制器返回信號(hào).第2n-1個(gè)脈沖時(shí)，n號(hào)探測(cè)器向控制器傳遞A類火災(zāi)參量探測(cè)結(jié)果，第2n個(gè)脈沖時(shí)則傳遞B類火災(zāi)參量探測(cè)結(jié)果.在探測(cè)器非開(kāi)路的情況下，若僅有一個(gè)脈沖檢測(cè)到返回總線電流為18 mA，則控制器顯示A/B單一型火災(zāi)預(yù)警；若兩個(gè)脈沖均檢測(cè)到返回總線電流為18 mA，則即刻覆蓋單一型預(yù)警顯示火災(zāi)報(bào)警.

4 軟件設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

MICROCHIP公司生產(chǎn)的PIC系列微控制器因其具有高速度、低功耗、低價(jià)位、低工作電壓、小體積等優(yōu)勢(shì)，廣泛用于火災(zāi)監(jiān)控的智能檢測(cè)中.設(shè)計(jì)的探測(cè)器選用PIC16F716芯片，基于MPLAB X IDE進(jìn)行軟件實(shí)驗(yàn)，該集成環(huán)境包含了PIC芯片的C語(yǔ)言程序編寫(xiě)環(huán)境以及PIC全系列芯片的頭文件，同時(shí)也包含了PIC程序編譯所需要的編譯器，可以實(shí)現(xiàn)程序編寫(xiě)編譯一體化的設(shè)計(jì).

探測(cè)器軟件部分的設(shè)計(jì)目的是通過(guò)對(duì)二總線上脈動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)及對(duì)開(kāi)關(guān)電路的控制，實(shí)現(xiàn)編碼地址的接收及探測(cè)/自檢信號(hào)的回傳.采用微處理器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷服務(wù)程序來(lái)完成這一檢測(cè)功能，結(jié)合信號(hào)檢測(cè)電路和編碼與通信時(shí)序的設(shè)計(jì)，整體的軟件流程圖如圖4所示.

圖5是控制器和探測(cè)器編碼與通信時(shí)的信號(hào)檢測(cè)圖.控制器給探測(cè)器編碼時(shí)，如圖5a）為CLK處數(shù)字脈沖信號(hào)的檢測(cè)，0號(hào)脈沖僅供電，圖5b）所示總線電壓在第4個(gè)脈沖時(shí)降為0 V，LD的電平發(fā)生相應(yīng)突變，CLK處會(huì)伴隨總線電壓的交替繼續(xù)產(chǎn)生數(shù)字脈沖，通過(guò)程序控制關(guān)閉計(jì)數(shù)器，并將4作為編碼地址存入探測(cè)器存儲(chǔ)中.

圖4 探測(cè)器軟件流程圖Fig.4 The flow chart of the detection

給二總線系統(tǒng)掛接10個(gè)復(fù)合型火災(zāi)探測(cè)器，控制器發(fā)起探測(cè)/自檢指令時(shí)，如圖5c）是根據(jù)探測(cè)器返回總線上的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的檢測(cè).根據(jù)復(fù)合型火災(zāi)探測(cè)的時(shí)序設(shè)計(jì)，0號(hào)脈沖僅供電，每個(gè)探測(cè)器的2種火災(zāi)參量信號(hào)由2個(gè)脈沖分時(shí)回傳到控制器上，可見(jiàn)除1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和7號(hào)外其他探測(cè)器呈開(kāi)路狀態(tài).1（2n-1=1，n= 1）號(hào)脈沖信號(hào)表示報(bào)警，2（2n=2，n=2）號(hào)脈沖信號(hào)表示正常，控制器將1號(hào)探測(cè)器探測(cè)情況顯示為A類火災(zāi)參量預(yù)警；同理3號(hào)探測(cè)器2個(gè)脈沖信號(hào)均表示正常；5號(hào)探測(cè)器2個(gè)脈沖信號(hào)均表示報(bào)警，控制器將該信號(hào)顯示為復(fù)合火災(zāi)報(bào)警；7號(hào)探測(cè)器則顯示為B類火災(zāi)參量預(yù)警.

圖5 編碼計(jì)數(shù)與報(bào)警通信結(jié)果檢測(cè)圖Fig.5 The detection of coding counting and alarm communication

5 結(jié)論

將二總線技術(shù)應(yīng)用到復(fù)合型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了多態(tài)輸出的信號(hào)檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)了總線制終端設(shè)備可編碼的功能，并設(shè)計(jì)通信時(shí)序采用2個(gè)脈沖分時(shí)回傳一個(gè)探測(cè)器的狀態(tài)信息，先將2種火災(zāi)參量信號(hào)分時(shí)上傳至控制器再分別進(jìn)行判斷，保留了單一型火災(zāi)參量獨(dú)立預(yù)警的功能，有助于工作人員在控制器發(fā)出預(yù)警的時(shí)候盡早排查探測(cè)區(qū)域發(fā)生的異狀，同時(shí)，這種通信方法可擴(kuò)展應(yīng)用于3種及以上火災(zāi)參量的探測(cè)中.此外，系統(tǒng)可對(duì)探測(cè)器是否發(fā)生開(kāi)路進(jìn)行自檢，并即時(shí)向控制器發(fā)送故障信號(hào)，完善了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的智能性.

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[責(zé)任編輯 代俊秋]

Realization of coding and communication for two-bus fire alarm system

MA Rui1，2，WU Yi1，2，HUA Zhongqiu1，2，F(xiàn)ENG Ke1，2
（1.School of Electronic and Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Tianjin Key Laboratory of Electronic Materials and Devices,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

Based on the principle of the two-bus technology,the signal detection circuit of the fire detector is designed, and loads the information that the controller and the detector need to transmit on the bus voltage and current.The digital pulse counting is used for the addressing and identification of the detector by the controller.And the addressing command send from the controller was recognized by changing the voltage of bus.The returns of two types of fire parameter signals in compound fire detection are realized through the control of bus current and the design of timing sequence.

fire alarm;two-bus;coding;communication

TP277；TU892

A

1007-2373（2017）03-0018-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.03.004

2016-12-14

河北省自然科學(xué)基金（F2016202214）

馬芮（1991-），女，碩士研究生.通訊作者：武一（1964-），女，教授.