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)探測器的信號檢測電路，將控制器和探測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)控制器對探測器的尋址與識別，并結(jié)合總線電壓的變化向探測器發(fā)送編址指令，實(shí)現(xiàn)控制器對探測器的編碼.通過探測器對返回總線電流的控制和通信時序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合型火災(zāi)探測2種火災(zāi)參量信號的回傳.

火災(zāi)報(bào)警；二總線；編碼；通信

0 引言

火災(zāi)，是危害人類和社會最常見的災(zāi)害之一，其難以預(yù)料的性質(zhì)不僅對社會安全造成了極大的威脅，無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)簡單、分工明確、無極性易接入等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于火災(zāi)探測器和報(bào)警控制器之間[1].復(fù)合型火災(zāi)探測集合了至少2種火災(zāi)參量的探測原理于同一個探測器，有效地彌補(bǔ)了單一型火災(zāi)探測由于原理限制出現(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[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)信號識別混亂從而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰[5]，還會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)探測的特點(diǎn)，通過對探測器信號檢測電路的設(shè)計(jì)，把總線上的電壓和電流變換為微處理器可識別的信號，控制電路的多態(tài)輸出并結(jié)合時序設(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，每個狀態(tài)信號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)探測器組成，如圖1所示，控制器通過2根總線與多個探測器相連，并通過地址編碼技術(shù)為探測器編號使其具有唯一可識別地址[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)場設(shè)備供電，并聯(lián)在總線上的探測器無需外接電源[8].總線B空閑時作電源線，兩根總線之間的電壓為24 V，探測器由控制器供電并為其內(nèi)部儲能電容充電；總線B作通信線時，兩根總線之間的電壓為10 V，探測器由內(nèi)部儲能電容放電提供功率，并于該時段向控制器返回當(dāng)前探測器故障自檢信號或火災(zāi)參量探測信號[9].

二總線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的工作過程，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)的探測器根據(jù)控制器發(fā)來的指令執(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信號，即探測器故障情況或火災(zāi)探測情況[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 信號檢測電路設(shè)計(jì)

結(jié)合二總線技術(shù)通過總線電壓和電流進(jìn)行通信的特點(diǎn)，為探測器設(shè)計(jì)如圖2所示的信號檢測電路.通過對電路中“門”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[11].L+接在探測器的總線接口上，圖2a）是依據(jù)二總線系統(tǒng)控制器采用電壓形式向探測器發(fā)起通信的工作原理，把總線上的脈動電壓信號變換成可供微處理器識別的數(shù)字脈沖信號的電路；圖2b）是依據(jù)二總線系統(tǒng)探測器采用電流形式向控制器回傳信號的工作原理，通過微處理器對S0、S1的電平控制改變返回總線上電流的電路.

圖2 探測器信號檢測電路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)控制器和探測器之間的斷續(xù)供電及信號通信，因此接在總線接口上的L+會形成規(guī)律的脈動電壓信號，該信號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處會伴隨著L+規(guī)律的脈動電壓信號產(chǎn)生穩(wěn)定的數(shù)字脈沖信號，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，LD處變?yōu)楦唠娖?總線上的脈動電壓信號通過電路轉(zhuǎn)換后，在CLK處形成的數(shù)字脈沖信號及LD處的高低電平都可被微處理器檢測和識別，從而獲取到控制器通過總線電壓發(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口的高低電平會改變探測器回傳到總線上的電流大小.當(dāng)S0、S1均為低電平時，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，回傳到總線上的電流為6 mA；當(dāng)S0、S1均為高電平時，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，若探測器出現(xiàn)開路故障，二總線上不會檢測到電流.因此，定義0 mA表示探測器開路，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)探測和故障自檢同時進(jìn)行.控制器將總線上返回的電流值轉(zhuǎn)換為電壓信號送到A/D轉(zhuǎn)換器，為消除總線電流波動造成的誤差，控制器在信號分析時避免定值比較的限制，選取可波動的范圍與A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行比較，判斷該信號所代表的信息.

表1 “門”的變化及特征點(diǎn)的電平檢測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)探測器之間的通信包括2部分，一部分是探測器的編碼通信，另一部分是火災(zāi)探測和故障自檢通信.作為主機(jī)設(shè)備的控制器具有向作為從機(jī)設(shè)備的探測器發(fā)起通信的功能，當(dāng)控制器向探測器發(fā)送編碼指令后，探測器進(jìn)入編碼通信等待地址的接收，并于存儲成功后向控制器返回應(yīng)答.為保證探測器地址的唯一性，編碼通信只能對一個探測器獨(dú)立進(jìn)行.當(dāng)控制器向探測器發(fā)送探測/自檢指令后，若探測器出現(xiàn)開路故障則向控制器返回開路信號，反之探測器對當(dāng)前環(huán)境的火災(zāi)情況進(jìn)行探測，并向控制器返回2種火災(zāi)參量的探測結(jié)果.總線上并聯(lián)的所有探測器同時進(jìn)行探測和自檢工作，采用巡檢的方式在一個循環(huán)周期內(nèi)遍歷接收所有探測器返回的信號.

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

當(dāng)控制器對單個探測器進(jìn)行編碼時，把編碼地址n賦給電壓信號，即在第n個電壓脈動方波控制總線電壓驟降為0 V.如圖3a）所示，一個脈動方波由8 ms的24 V和4 ms的10 V組成，探測器對CLK處形成的數(shù)字脈沖信號進(jìn)行檢測并計(jì)數(shù)，同時啟動LD處的電平檢測.總線電壓從24 V拉低至0 V并持續(xù)2 ms，探測器檢測到LD電平為高，停止對CLK處的脈沖計(jì)數(shù)，并將此時的脈沖個數(shù)n記為本次編碼的地址存入探測器存儲中，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)探測器編碼與通信時序圖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器發(fā)送探測/自檢指令后，探測器啟動2種傳感器對當(dāng)前火災(zāi)情況的探測，并在微處理器中對轉(zhuǎn)換后的電信號進(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2種火災(zāi)參量信號的區(qū)分，設(shè)計(jì)使用2個脈沖聯(lián)合回傳一個復(fù)合型火災(zāi)探測器的信息.如圖3b），規(guī)定0號脈沖僅供電，從1號脈沖開始計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)的脈沖個數(shù)與存儲器中的地址n相關(guān)時，該探測器向控制器返回信號.第2n-1個脈沖時，n號探測器向控制器傳遞A類火災(zāi)參量探測結(jié)果，第2n個脈沖時則傳遞B類火災(zāi)參量探測結(jié)果.在探測器非開路的情況下，若僅有一個脈沖檢測到返回總線電流為18 mA，則控制器顯示A/B單一型火災(zāi)預(yù)警；若兩個脈沖均檢測到返回總線電流為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、低價位、低工作電壓、小體積等優(yōu)勢，廣泛用于火災(zāi)監(jiān)控的智能檢測中.設(shè)計(jì)的探測器選用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語言程序編寫環(huán)境以及PIC全系列芯片的頭文件，同時也包含了PIC程序編譯所需要的編譯器，可以實(shí)現(xiàn)程序編寫編譯一體化的設(shè)計(jì).

探測器軟件部分的設(shè)計(jì)目的是通過對二總線上脈動信號的檢測及對開關(guān)電路的控制，實(shí)現(xiàn)編碼地址的接收及探測/自檢信號的回傳.采用微處理器定時器/計(jì)數(shù)器中斷服務(wù)程序來完成這一檢測功能，結(jié)合信號檢測電路和編碼與通信時序的設(shè)計(jì)，整體的軟件流程圖如圖4所示.

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

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

給二總線系統(tǒng)掛接10個復(fù)合型火災(zāi)探測器，控制器發(fā)起探測/自檢指令時，如圖5c）是根據(jù)探測器返回總線上的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號的檢測.根據(jù)復(fù)合型火災(zāi)探測的時序設(shè)計(jì)，0號脈沖僅供電，每個探測器的2種火災(zāi)參量信號由2個脈沖分時回傳到控制器上，可見除1號、3號、5號和7號外其他探測器呈開路狀態(tài).1（2n-1=1，n= 1）號脈沖信號表示報(bào)警，2（2n=2，n=2）號脈沖信號表示正常，控制器將1號探測器探測情況顯示為A類火災(zāi)參量預(yù)警；同理3號探測器2個脈沖信號均表示正常；5號探測器2個脈沖信號均表示報(bào)警，控制器將該信號顯示為復(fù)合火災(zāi)報(bào)警；7號探測器則顯示為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)輸出的信號檢測電路，實(shí)現(xiàn)了總線制終端設(shè)備可編碼的功能，并設(shè)計(jì)通信時序采用2個脈沖分時回傳一個探測器的狀態(tài)信息，先將2種火災(zāi)參量信號分時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)警的時候盡早排查探測區(qū)域發(fā)生的異狀，同時，這種通信方法可擴(kuò)展應(yīng)用于3種及以上火災(zāi)參量的探測中.此外，系統(tǒng)可對探測器是否發(fā)生開路進(jìn)行自檢，并即時向控制器發(fā)送故障信號，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.