摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)及智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)消防設(shè)施的自動(dòng)化、智能化水平不斷提高，消防技術(shù)實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警及消防設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制。本文將對(duì)可編程邏輯器件在消防自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行探討。通過(guò)采用可編程片上系統(tǒng)技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)消防自動(dòng)控制系統(tǒng)升級(jí)，并通過(guò)軟硬件的裁減來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，從而為消防自動(dòng)控制系統(tǒng)的微型化、集成化、智能化提供了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：消防自動(dòng)控制系統(tǒng)；可編程邏輯器件；FPGA；SOPC

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

本文在結(jié)合目前消防自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)建基礎(chǔ)上，以實(shí)際應(yīng)用為目的，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于可編程邏輯器件的現(xiàn)代消防自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)消防自動(dòng)控制系統(tǒng)

隨著消防電子產(chǎn)品的發(fā)展，我國(guó)消防自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展迅猛，尤其是在微電子技術(shù)的應(yīng)用之后，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)研究和推廣應(yīng)用出現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的新局面。在消防自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、具有應(yīng)用價(jià)值的成果層出不窮。

伴隨著我國(guó)城市中的大、中型建筑及公共場(chǎng)所安裝的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)和消防設(shè)施逐漸普及，在實(shí)際使用過(guò)程中暴露出的問(wèn)題也日益突出，存在以下主要問(wèn)題：

（1）對(duì)于集中系統(tǒng)的主機(jī)，由于其系統(tǒng)龐大，導(dǎo)致其可靠性差，一旦失效，會(huì)造成比較大的損失；

（2）該系統(tǒng)形式單一，不同場(chǎng)所會(huì)造成一定的無(wú)效開(kāi)銷(xiāo)，導(dǎo)致反應(yīng)不及時(shí)；

（3）缺乏擴(kuò)展的靈活性。

2 現(xiàn)代消防自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展

可編程邏輯器件是復(fù)雜大系統(tǒng)控制和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的客觀要求，監(jiān)測(cè)單元、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化為可編程邏輯器件在消防自動(dòng)控制系統(tǒng)更深層次的應(yīng)用提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)提高了系統(tǒng)自身的可靠性和開(kāi)放性問(wèn)題，并越來(lái)越多得應(yīng)用到消防自動(dòng)控制系統(tǒng)這個(gè)特殊行業(yè)中。

2.1 基于PLC控制的自動(dòng)滅火消防系統(tǒng)

基于PLC控制的自動(dòng)滅火消防系統(tǒng)反應(yīng)快，控制面積大，用水量大。PLC比單片機(jī)穩(wěn)定，功能沒(méi)有單片機(jī)靈活?，F(xiàn)在發(fā)展的已經(jīng)相當(dāng)成熟，但價(jià)格比較高，使用人員屬于2次開(kāi)發(fā)，通訊協(xié)議保密，不利于客戶(hù)壓縮成本的要求。

2.2 基于FPGA的消防控制系統(tǒng)

基于FPGA的消防控制系統(tǒng)正在迅速發(fā)展，其包含以下優(yōu)勢(shì)：

FPGA通過(guò)原理圖、VHDL對(duì)數(shù)字系統(tǒng)建模，運(yùn)用EDA軟件仿真、綜合，生成基于一些標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)表，配置到芯片即可使用。它與ASIC的區(qū)別是用戶(hù)不需要介入芯片的布局布線(xiàn)和工藝問(wèn)題，而且可以隨時(shí)改變其邏輯功能，使用靈活。在目前的電子設(shè)計(jì)中，常使用硬件描述語(yǔ)言（Verilog或VHDL）所完成的電路設(shè)計(jì)，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合與布局，燒錄至FPGA上進(jìn)行測(cè)試。本文采用FPGA作為消防自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要控制芯片，運(yùn)用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)并處理，有很好的靈活性和擴(kuò)展性。

3 基于SOPC技術(shù)的消防自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2，該設(shè)計(jì)將所有探測(cè)點(diǎn)連接到區(qū)域火災(zāi)報(bào)警控制器中，每個(gè)區(qū)域報(bào)警控制器最多可以連接128個(gè)探測(cè)回路，除了滿(mǎn)足系統(tǒng)接口數(shù)量要求外還有一定冗余，為下一步系統(tǒng)擴(kuò)展提供了方便。區(qū)域報(bào)警器將探測(cè)器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送給主控制器進(jìn)行處理。區(qū)域火災(zāi)報(bào)警控制器采用51單片機(jī)來(lái)完成，消防聯(lián)動(dòng)主控制器將區(qū)域報(bào)警器送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行并行處理，提高了系統(tǒng)的處理能力，縮短了系統(tǒng)的處理周期，為發(fā)現(xiàn)和撲救火災(zāi)節(jié)省了寶貴的時(shí)間。

系統(tǒng)內(nèi)所有消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備有聯(lián)動(dòng)控制模塊控制，執(zhí)行主控制器的命令，進(jìn)行滅火和停止動(dòng)作。同時(shí)聯(lián)動(dòng)監(jiān)視模塊對(duì)每個(gè)聯(lián)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并將設(shè)備情況反饋給主控制器，以便于主控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理。報(bào)警裝置用于遠(yuǎn)程發(fā)送信息報(bào)告火警，LCD顯示火災(zāi)的相關(guān)信息。

3.2 控制芯片硬件設(shè)計(jì)

以Nios II為核心的SOPC系統(tǒng)使用由SOPC Builder提供的各種IP核：包括Nios II軟核、JTAG UART調(diào)試模塊、三態(tài)橋、SDRAM控制器、片內(nèi)存儲(chǔ)器、LCD顯示器接口、PIO核等。在SOPC Builder中，Avalon總線(xiàn)將整個(gè)系統(tǒng)的片內(nèi)存儲(chǔ)器和外設(shè)與處理器連接起來(lái)以構(gòu)成SOPC系統(tǒng)，并可以自動(dòng)或手動(dòng)完成外設(shè)與存儲(chǔ)器的地址映射、總線(xiàn)控制、中斷控制等。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

基于Nios II的SOPC系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件復(fù)合的系統(tǒng)。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)遇到這種情況：所需要的功能既可以用軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用純硬件邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。若用硬件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要占用額外的FPGA片內(nèi)邏輯資源，但可以保證系統(tǒng)工作速度不受影響，在FPGA資源比較充裕時(shí)，顯然這種方案更為可?。环粗?，用軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以節(jié)省硬件資源，但增加了軟件的結(jié)構(gòu)和編寫(xiě)的復(fù)雜度，而且不能保證系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性，若對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高的話(huà)，則可考慮用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的功能?？刂菩酒腘ios II系統(tǒng)模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括人機(jī)接口設(shè)置、系統(tǒng)信息輸出報(bào)警功能、信息存儲(chǔ)設(shè)置以及系統(tǒng)報(bào)警和故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)利用SOPC技術(shù)，將消防自動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)采集模塊和微處理模塊巧妙的集成到一片F(xiàn)PGA內(nèi)部，并利用可編程邏輯的靈活性和NIOS II的強(qiáng)大處理能力，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了消防自動(dòng)控制系統(tǒng)主要控制部件的功能。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能還是相對(duì)比較簡(jiǎn)單的，由于FPGA內(nèi)部還有大量的邏輯資源可以利用，因此可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能。

實(shí)際結(jié)果表明：基于SOPC的消防自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行正常、數(shù)據(jù)傳輸可靠、操作管理方便。

由于FPGA的可編程特性，可以在不改變?nèi)魏瓮鈬娐返那闆r下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件升級(jí)，大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)的壽命周期，這一點(diǎn)也是相對(duì)于其它控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和消防自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)模將越來(lái)越大，其功能必定向模塊化、軟件化發(fā)展，便于控制系統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的開(kāi)放性和智能化程度，采用SOPC方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，正符合當(dāng)今科技的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳新華.EDA技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]朱正偉.EDA技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：38.

[4]Altera Corporation.Altera FPGA Configuration Handbook，2004.

[5]羅杰.VerilogHDL與數(shù)字ASIC設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008.

[6]彭澄廉.SOC-基于NIOS的SOPC設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[7]潘松，黃繼業(yè)，曾毓.SOPC技術(shù)使用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：李征（1984-），男，邢臺(tái)人，碩士，參謀，助理工程師，畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè)，研究方向：消防工程。

作者單位：邢臺(tái)市公安消防支隊(duì)，邢臺(tái) 054000