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案例頻道1 引言
火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外火災(zāi)探測(cè)報(bào)警領(lǐng)域最受關(guān)注的研究方向之一。綜合利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)(Computer)、現(xiàn)代控制技術(shù)(Control)、現(xiàn)代通信技術(shù)(Communication) 和現(xiàn)代圖形顯示技術(shù)(CRT)即4C 技術(shù)[1]的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)既能快速準(zhǔn)確的探測(cè)出早期的真實(shí)的火災(zāi)信號(hào)，又能通過聯(lián)動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)，及時(shí)消除火災(zāi)隱患，防患于未然，最大限度的降低了火災(zāi)造成的危害，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑物的規(guī)模日欲趨于大型化和一體化，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控的范圍也隨之增大，這就要求系統(tǒng)具有更高的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN總線作為應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一，它的數(shù)據(jù)通信在可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性等方面有著突出的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)有著極高可靠性要求的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，該總線系統(tǒng)是一種理想的報(bào)警信息傳輸模式。本文提出了一種基于CAN總線的復(fù)合式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[2]。
2 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線概述
CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）是1986年德國(guó)BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試之間的數(shù)據(jù)交換，而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)協(xié)議，后來由于自身的特點(diǎn)而逐步發(fā)展到廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。
CAN協(xié)議遵循ISO/OSI模型，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層。CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，按優(yōu)先級(jí)發(fā)送，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間，在重負(fù)荷下表現(xiàn)出良好的性能。CAN采用短幀結(jié)構(gòu)傳輸，每幀有效字節(jié)為8個(gè)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，且每幀信息都有CRC校驗(yàn)和其它檢錯(cuò)措施，保證數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及通信不受影響。可見，CAN使所有總線中最為可靠的。CAN直接通信最遠(yuǎn)距離可達(dá)10 km（傳輸速率為5 Kbps），通信最高速率可達(dá)1Mbps（傳輸距離為40 m）；總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)目可達(dá)110個(gè)；通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN是一種多主總線，節(jié)點(diǎn)之間不分主從，可以方便地構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將大部分的控制權(quán)力交給現(xiàn)場(chǎng)的智能節(jié)點(diǎn)，交互信息通過CAN總線傳送，由于CAN總線的上述特點(diǎn)及其成本低的優(yōu)勢(shì)必然在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)占有重要地位[1,2,3]。
整個(gè)系統(tǒng)主要由中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、CAN適配卡和智能節(jié)點(diǎn)四個(gè)部分組成。最多可掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可利用中繼器對(duì)CAN總線進(jìn)行擴(kuò)展。采用CAN總線連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成了一個(gè)分布式系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的是總線式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)電簡(jiǎn)單、成本低、系統(tǒng)可靠性高。將帶片內(nèi)CAN控制器的微處理器P87C591芯片與現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)探測(cè)器相連，就構(gòu)成了CAN智能節(jié)點(diǎn)。傳輸介質(zhì)采用雙絞線。上位PC機(jī)通過PCCAN適配卡與CAN總線相連，進(jìn)行信息的交換。各種火災(zāi)探測(cè)器將實(shí)時(shí)探測(cè)到的物理量信號(hào)傳送給智能節(jié)點(diǎn)，如采集到現(xiàn)場(chǎng)有火災(zāi)信號(hào)產(chǎn)生，則智能節(jié)點(diǎn)將火災(zāi)信號(hào)打包成CAN數(shù)據(jù)包傳送到CAN總線上去，然后再由中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理和統(tǒng)計(jì)評(píng)估。火災(zāi)信號(hào)判斷的原則不是簡(jiǎn)單的非準(zhǔn)則，而需要同時(shí)考慮其它多種因素。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱?bào)警動(dòng)作指標(biāo)，相應(yīng)的發(fā)出預(yù)報(bào)警。如“產(chǎn)生少量煙，但溫度急劇上升――發(fā)出報(bào)警”，“產(chǎn)生少量煙，且溫升平緩――發(fā)出預(yù)報(bào)警”等。
4.3.1 硬件的抗干擾設(shè)計(jì)
3 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，在保證系統(tǒng)的可靠工作和降低成本的同時(shí)也考慮了通用性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性等要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
整個(gè)系統(tǒng)主要由中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、CAN適配卡和智能節(jié)點(diǎn)四個(gè)部分組成。最多可掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可利用中繼器對(duì)CAN總線進(jìn)行擴(kuò)展。采用CAN總線連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成了一個(gè)分布式系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的是總線式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)電簡(jiǎn)單、成本低、系統(tǒng)可靠性高。將帶片內(nèi)CAN控制器的微處理器P87C591芯片與現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)探測(cè)器相連，就構(gòu)成了CAN智能節(jié)點(diǎn)。傳輸介質(zhì)采用雙絞線。上位PC機(jī)通過PCCAN適配卡與CAN總線相連，進(jìn)行信息的交換。各種火災(zāi)探測(cè)器將實(shí)時(shí)探測(cè)到的物理量信號(hào)傳送給智能節(jié)點(diǎn)，如采集到現(xiàn)場(chǎng)有火災(zāi)信號(hào)產(chǎn)生，則智能節(jié)點(diǎn)將火災(zāi)信號(hào)打包成CAN數(shù)據(jù)包傳送到CAN總線上去，然后再由中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理和統(tǒng)計(jì)評(píng)估。火災(zāi)信號(hào)判斷的原則不是簡(jiǎn)單的非準(zhǔn)則，而需要同時(shí)考慮其它多種因素。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱?bào)警動(dòng)作指標(biāo)，相應(yīng)的發(fā)出預(yù)報(bào)警。如“產(chǎn)生少量煙，但溫度急劇上升――發(fā)出報(bào)警”，“產(chǎn)生少量煙，且溫升平緩――發(fā)出預(yù)報(bào)警”等。
4 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
4.1 內(nèi)嵌CAN控制器芯片P87C591
4.1 內(nèi)嵌CAN控制器芯片P87C591
本設(shè)計(jì)所使用的Philips公司的P87C591芯片是一個(gè)8位高性能微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器。中央處理器CPU使用的操作數(shù)來自3個(gè)存儲(chǔ)空間：16KB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，可擴(kuò)展到64KB；512B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；最大64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
P87C591包括獨(dú)立CAN控制器SJA1000具有的所有功能，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了以下功能：①增強(qiáng)的CAN接收中斷，有接收緩沖區(qū)級(jí)的接收中斷；②擴(kuò)展的驗(yàn)收濾波器，8個(gè)濾波器用于標(biāo)準(zhǔn)幀格式，4個(gè)濾波器用于擴(kuò)展幀格式[4]。
4.2 CAN收發(fā)器82C250
82C250用于CAN總線控制器和物理總線之間接口，它是由Philips公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，其通信介質(zhì)與RS485相同，均為阻抗為120Ω雙絞線，信號(hào)傳輸方式和RS485一樣，也是采用差動(dòng)發(fā)送和差動(dòng)接收。通信速率為1Mbps時(shí)，其任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大距離為40m；通信速率為5Kbps時(shí)，其任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離可達(dá)10km。82C250有8個(gè)管腳，其封裝式有DIP8和S08兩種封裝形式，表1是它的管腳功能。
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管腳 |
符號(hào) |
功能描述 |
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1 |
TXD |
發(fā)送數(shù)據(jù)輸入端，接控制器的串行數(shù)據(jù)輸出端 |
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2 |
GND |
地 |
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3 |
Vcc |
電源電壓，4.5V≤Vcc≥5.5V |
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4 |
RXD |
接收數(shù)據(jù)輸出端，接控制器的串行數(shù)據(jù)接收端 |
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5 |
Vref |
基準(zhǔn)電壓輸出端 |
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6 |
CANL |
低電平輸入/輸出端 |
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7 |
CANH |
高電平輸入/輸出端 |
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8 |
Rs |
斜率電阻輸入端 |
4.3 CAN智能節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)時(shí)，采用內(nèi)嵌CAN控制器的芯片P87C591和82C250芯片。圖2所示為CAN智能節(jié)點(diǎn)硬件電路示意圖，從圖中可以看出電路主要由三部分構(gòu)成：P87C591、CAN總線收發(fā)器82C250和高速光電耦合器6N137。
4.3.1 硬件的抗干擾設(shè)計(jì)
在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)所應(yīng)用的場(chǎng)合中，大多環(huán)境比較惡劣，存在大量的產(chǎn)生電磁、輻射和感應(yīng)干擾設(shè)備，因此抗干擾設(shè)計(jì)顯得尤其重要。該系統(tǒng)中主要采取了如下幾種抗干擾措施：
（1）P87C591的接收端和發(fā)送端經(jīng)過高速光電耦6N137與82C250的TXD和RXD相連，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間電氣上的隔離。
（2）在CAN總線的兩端加兩個(gè)120Ω的電阻，可大大提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力和可靠性。
（3）CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾并且具有一定的防電磁輻射的能力。
（4）采用屏蔽雙絞線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，可減小現(xiàn)場(chǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的干擾。
4.3.2 中繼器電路設(shè)計(jì)
如果網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)太多，超過了總線驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力，或者各節(jié)點(diǎn)之間的距離大于總線規(guī)定的距離，則必需使用中繼器來隨時(shí)接收并判斷網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流向，然后根據(jù)其數(shù)據(jù)的流向決定向中繼器的兩端中的某一端發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣增加了網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)或延長(zhǎng)各節(jié)點(diǎn)之間的距離。
在82C250組成的分布式系統(tǒng)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。并且82C250在工作過程中，不需任何控制信號(hào)。在82C250構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中，只需要兩片82C250和兩個(gè)電阻就可以組成一個(gè)中繼器。
雖然82C250是為CAN總線配套的CAN總線驅(qū)動(dòng)器，但它和RS485一樣，只是一種純硬件標(biāo)準(zhǔn)，它只規(guī)定 了串行通信鏈路的電氣特性，而軟件協(xié)議與它接口的通信控制器有關(guān)。由82C250和UART組成遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)分布式測(cè)控系統(tǒng)和由RS485和UART組成的相比，其可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟硬件開發(fā)難度小。
4.4 CAN智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
CAN智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要包括4個(gè)部分：CAN節(jié)點(diǎn)初始化、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和總線異常處理。圖3為主程序的流程圖。
（1）初始化子程序
P87C591片上自帶的CAN控制器在軟件上是向上兼容SJA1000的，所以對(duì)P87C591的初始化與獨(dú)立的CAN控制SJA1000初始化，主要包括工作方式的設(shè)置，接收濾波方式的設(shè)置，接收屏蔽寄存器AMR和接收代碼寄存器ACR的設(shè)置，波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器IER的設(shè)置等。
（2）接收子程序
接收子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收以及其它情況處理，接收子程序比發(fā)送子程序要復(fù)雜一些，因?yàn)樵谔幚斫邮請(qǐng)?bào)文的過程中，同時(shí)要對(duì)諸如脫離、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等情況進(jìn)行處理。
（3）發(fā)送子程序
發(fā)送子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送，發(fā)送時(shí)用戶只需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報(bào)文送入P87C591片上的SJA1000發(fā)送緩存中，然后啟動(dòng)P87C591發(fā)送即可。
（4）中斷服務(wù)子程序
中斷服務(wù)程序包括數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)請(qǐng)求接收、錯(cuò)誤處理子程序，首先將中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，進(jìn)入中斷服務(wù)之后，讀中斷寄存器IR的內(nèi)容使中斷標(biāo)志清空，并確定了中斷類型，然后根據(jù)不同的中斷類型進(jìn)行任務(wù)散轉(zhuǎn)。出現(xiàn)了錯(cuò)誤中斷，將進(jìn)行錯(cuò)誤處理；出現(xiàn)超載中斷，重新請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送，等待下一次接收數(shù)據(jù)中斷；除此之外，根據(jù)RTR（Remote Transmission Request）的值確定是發(fā)送中斷還是接收中斷，RTR＝1表示將要發(fā)送請(qǐng)求的數(shù)據(jù)幀，反之將要接收數(shù)據(jù)。中斷完成后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，退出中斷。
4 結(jié)論
（1）本設(shè)計(jì)采用CAN總線技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的RS－485通信方式相比，具有更高的可靠性、更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)靈活。
（2）采用帶片內(nèi)CAN控制器的P87C591芯片，與常用的MCS－51系列單片機(jī)加CAN控制器方案相比，該系統(tǒng)具有應(yīng)用設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、體積小，以及方便嵌入應(yīng)用和更高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。
（3）通過引入火災(zāi)數(shù)據(jù)和專家系統(tǒng)、模糊邏輯理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能技術(shù)，綜合利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代圖形顯示技術(shù)，大大優(yōu)化了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的性能，降低了系統(tǒng)的誤報(bào)率和漏報(bào)率。
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北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)