一種基于CAN總線的集散型火災(zāi)報警控制系統(tǒng)
1、系統(tǒng)組成與工作原理概述
本文提出的基于CAN現(xiàn)場總線的集散型火災(zāi)報警控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個節(jié)點都以AT89C51單片機(jī)為節(jié)點控制器，MCP2510為總線控制器，MCP2551為總線收發(fā)器，其中，與控制臺工作站相連接的節(jié)點被稱為集中機(jī)，其余為區(qū)域機(jī)。在集中機(jī)中，所謂控制臺工作站，就是一臺PC機(jī)，單片機(jī)通過外部串行接口與控制臺工作站交換信息。各個區(qū)域機(jī)分布在不同的地理位置上，獨立地執(zhí)行一個完整的任務(wù)。在本文系統(tǒng)中，一個區(qū)域機(jī)通過一種專門設(shè)計的探測器總線可以連接感煙、感光、感溫等各種火警探測器，還可以借助適配器控制諸如噴水閥、卷簾門等各種消防設(shè)備以及各種聲光報警設(shè)備，探測器總線上的設(shè)備通稱為前端設(shè)備。利用CAN通信技術(shù)將區(qū)域機(jī)聯(lián)網(wǎng)，管理人員在集中機(jī)上就可以觀察各個部分的情況，便于管理和檢測，隨時可以了解到各區(qū)域機(jī)運行的是否正常，有無報警發(fā)生，也可以使各個區(qū)域機(jī)通過信息交互，實現(xiàn)資源共享，聯(lián)防控制。每個區(qū)域機(jī)都是一個獨立的基本報警控制單元，其功能與單獨使用時的情況完全一樣，它們從本區(qū)域機(jī)的探測器上采集數(shù)據(jù)，如有警情出現(xiàn)，在啟動本區(qū)的有關(guān)消防設(shè)備的同時，通過CAN總線將報警信號傳送給集中機(jī)，集中機(jī)再決定需要起動的由其它區(qū)域機(jī)管轄的有關(guān)消防設(shè)備，并通過CAN總線發(fā)出聯(lián)動命令。另外，由于CAN總線是基于報文的，總線上的節(jié)點可以做到即插即用，因而系統(tǒng)的可擴(kuò)展性比較好;并且，增刪CAN總線上除集中機(jī)以外的任何一個節(jié)點，不會對其它的節(jié)點造成任何影響。
圖1中的MCP2510是Microchip公司為簡化CAN總線的接口應(yīng)用而專門設(shè)計的一種獨立CAN控制器芯片，支持 CAN協(xié)議2.0A/2.0B，最大可編程波特率為1Mbps;MCP2551是Microchip公司生產(chǎn)的可容錯的高速CAN總線收發(fā)器芯片，支持1Mbps的運行速率，可連接高達(dá)112個節(jié)點，適合12V和24V系統(tǒng)，管腳特性與MCP2510完全兼容。
2 硬件電路與SPI接口技術(shù)
圖2是本文系統(tǒng)節(jié)點進(jìn)行CAN通信的硬件電路圖，在原理圖中，總線控制器MCP2510與總線收發(fā)器MCP2551直接相連，因為它們的管腳是完全兼容的，另外，考慮到系統(tǒng)總線速率比較低，所以使MCP2551的斜率電阻輸入引腳RS懸空，選擇最小斜率，這樣，既可將RFI抑制到最小，又可簡化線路設(shè)計。下面重點說明一下MCP2510與AT89C51的接口技術(shù)。
圖2 節(jié)點進(jìn)行CAN通信的硬件接口電路
MCP2510面向單片機(jī)有1個高速SPI接口（5Mhz），該接口由片選控制輸入CS、移位脈沖輸入SCK、串行數(shù)據(jù)輸入S I和輸出SO等4個引腳組成。AT89C51不具備標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，但是，可以利用UART接口與SPI接口通信。圖3為AT89C51的UART接口工作在方式0，即移位寄存器方式時的工作時序圖。AT89C51的UART有4種工作方式，按方式0工作時，串行數(shù)據(jù)從RXD輸入或輸出，TXD輸出移位脈沖，每次發(fā)送或接收8位數(shù)據(jù)，波特率固定為時鐘頻率的1/12，即1個位周期對應(yīng)1個機(jī)器周期，1個機(jī)器周期由12個時鐘周期組成，等分為6個狀態(tài)（S1～S6），每個狀態(tài)又等分為2個相位P1、P2，因此1個機(jī)器周期的12個時鐘周期可記為S1P1、S1P2、S2P1、……、S6P2。TXD輸出的移位脈沖在每個機(jī)器周期的S3、S4和S5期間為低電平，而在其余時間為高電平。發(fā)送時，每個機(jī)器周期的S6P2輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有效時間完全覆蓋了TXD輸出脈沖的負(fù)半周，顯然，無論是在TXD的上升沿，還是下降沿，外設(shè)都可從RXD輸入有效數(shù)據(jù)。接收時，每個機(jī)器周期的S5P2輸入數(shù)據(jù)，顯然，外設(shè)如果在TXD的下降沿輸出數(shù)據(jù)，單片機(jī)就可接收到有效數(shù)據(jù)。因為MCP2510的SPI接口是在SCK的上升沿輸入數(shù)據(jù)，在SCK的下降沿輸出數(shù)據(jù)，所以，在電路圖中，可以將TXD直接作為SCK的輸入信號。MCP2510的SPI接口在讀過程中，首先接收單片機(jī)發(fā)出的讀命令和地址，這時，輸出信號線SO處于高祖態(tài)，之后，在輸出數(shù)據(jù)時，輸入信號線SI的狀態(tài)可為任意值。而在寫過程中，SO始終處于高阻態(tài)。一個寫過程或讀過程的啟動或結(jié)束，都是由片選信號CS控制的。根據(jù)SPI接口的這一工作機(jī)理，在電路圖中，將MCP2510的SI和SO連接在一起，形成一個雙向信號線，再與AT89C51的準(zhǔn)雙向數(shù)據(jù)線RXD連接在一起，實驗結(jié)果證明，MCP2510與AT89C51的這種連接方式是完全正確的。因為在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，51系列單片機(jī)一直是主流產(chǎn)品，所以將其應(yīng)用于CAN總線系統(tǒng)，無疑可以降低成本，縮短開發(fā)周期。
為了實現(xiàn)與MCP2510的SPI接口交互,單片機(jī)的UART接口選擇方式0，采用12MHz晶振作為單片機(jī)的時鐘頻率，在方式0下，波特率固定為1Mbps。在圖2所示的硬件電路的支持下，AT89C51就可按照普通移位寄存器的方式與MCP2510進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對MCP2510進(jìn)行寫操作和讀操作的匯編語言子程序從略。值得指出的是，因為SPI傳輸數(shù)據(jù)的順序是先高位后低位，與UART傳輸數(shù)據(jù)的順序相反，因此，編寫單片機(jī)與MCP2510的接口程序時，對MCP2510的控制字、狀態(tài)字以及寄存器地址，要進(jìn)行二進(jìn)制到排處理。例如，MCP2510的接收緩沖寄存器RXB0的首地址是01010110B，單片機(jī)讀其中的內(nèi)容時，寫入單片機(jī)的串口緩沖寄存器SBUF的地址值應(yīng)該是01101010B。
3 MCP2510初始化
MCP2510的初始化包括設(shè)定可編程引腳功能、總線波特率以及接收過濾器與屏蔽器，以下主要介紹總線波特率以及接收過濾器與屏蔽器的初始化。
3.1 波特率初始化
MCP2510內(nèi)含的波特率發(fā)生器由可編程預(yù)分頻器、固定2分頻器和位定時器級連而成，它使設(shè)計者可以方便地選擇所需要的任何波特率。在位定時器中，MCP2510將一個位周期依次分割為同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2等4個時間段，每個時間段的長度都是輸入信號周期TQ的整數(shù)倍，其中同步段固定為1TQ，其余3個時間段的長度都是可編程的。所謂波特率初始化，就是設(shè)置可編程預(yù)分頻器和位定時器各可編程時間段的值，使其滿足波特率的需要。
根據(jù)CAN技術(shù)協(xié)議，波特率為1Mbps時，通信距離為40m，波特率為5Kbps時，通信距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到10Km。考慮到本文系統(tǒng)既可用作一個高層樓宇的火災(zāi)報警控制網(wǎng)絡(luò)，又可用作一個單位內(nèi)部多個倉庫、車間等的火災(zāi)報警控制網(wǎng)絡(luò)，所以通信距離應(yīng)該在數(shù)千米以上，而所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，故可以選擇較低的波特率。在實際應(yīng)用中，筆者選擇波特率為8Kbps。
本文系統(tǒng)選擇12Mhz晶體振蕩器為MCP2510提供時鐘信號。根據(jù)位定時器中各個時間段的長度必須滿足的約束條件，初始化傳播段寄存器PRSEG=3，相位緩沖段1寄存器PHSEG1=4，相位緩沖段2寄存器PHSEG2=4;然后初始化預(yù)分頻器BRP=49。從而可得總分頻系數(shù)為（49+1）×2×[1+（3+1）+（4+1）+（4+1）]=1500，最終獲得8Kbps的波特率。
3.2 過濾器與屏蔽器初始化
MCP2510具有完善的總線爭用功能，可用于分布式系統(tǒng)，但是，在火災(zāi)報警控制系統(tǒng)中，因為集中機(jī)擔(dān)負(fù)著對區(qū)域機(jī)的監(jiān)管任務(wù)，所以本文系統(tǒng)采用了集中-分散控制方式，集中機(jī)不斷地巡回查詢區(qū)域機(jī)，在工作臺上隨時反映區(qū)域機(jī)工作的情況，為工作人員提供維護(hù)設(shè)備的依據(jù)。
MCP2510支持標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀和遠(yuǎn)程幀，數(shù)據(jù)段長度為0-8個字節(jié)。器件對CAN總線上的數(shù)據(jù)接收是通過2個接收緩沖器、6個接收過濾器和2個接收屏蔽器的組合來實現(xiàn)的。CAN總線上的幀只有至少滿足一個接收過濾器的條件才可被接收。為了說明過濾器與屏蔽器的初始化方法，這里首先介紹報文幀。本文系統(tǒng)只使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的長度為44+8n位，其中11位ID段在本文系統(tǒng)中被分為兩部分，高7位用來表示區(qū)域機(jī)的邏輯地址碼，整個系統(tǒng)允許接入的區(qū)域機(jī)最多為50個，低4位用來表示報文類型碼。集中機(jī)發(fā)送的報文幀如表1所示，區(qū)域機(jī)發(fā)送的報文幀如表2所示。8n位數(shù)據(jù)段可有可無，在表1中，只有選呼聯(lián)動報文含有數(shù)據(jù)段，表示請求聯(lián)動的設(shè)備號，在表2中，只有請求點名報文不含數(shù)據(jù)段，其余報文必須至少含有1個字節(jié)數(shù)據(jù)，用來表示區(qū)域機(jī)的邏輯地址碼，其余數(shù)據(jù)用來表示故障、報警的探測器號和設(shè)備號，或區(qū)域機(jī)配置。
表1：集中機(jī)發(fā)送的報文幀
表2：區(qū)域機(jī)發(fā)送的報文幀
表1中的xx xxxx表示集中機(jī)要訪問的區(qū)域機(jī)的邏輯地址碼。表1的報文是發(fā)送給區(qū)域機(jī)的，表2的報文是發(fā)送給集中機(jī)的，報文能否被接收，要由MCP2510的過濾器來決定，因此，初始化時，集中機(jī)按從上到下的順序?qū)⒈?中的數(shù)據(jù)依次寫入MCP2510的過濾器RXF1～RXF5，區(qū)域機(jī)在用本機(jī)的邏輯地址碼代替表1中的xx xxxx之后,也按從上到下的順序?qū)⒈?中的數(shù)據(jù)依次寫入MCP2510的過濾器RXF1～RXF5，未曾用到的過濾器RXF0被設(shè)置為全“1”，使其不接收總線上的任何有效報文。初始化時，在區(qū)域機(jī)方面，將2個接收屏蔽器都設(shè)置為全“1”，在集中機(jī)方面，將接收屏蔽器RXM1設(shè)置為全“1”，而將RXM0設(shè)置為101 1011 1010B，表示除集中機(jī)的過濾器RXF1的SID9、SID6、SID2和SID0等4位外，過濾器的其余所有位都參與信息過濾，這是因為上述4位與請求點名幀的ID碼在跳變位置上的隱性位相對應(yīng)，而請求點名幀容許多個區(qū)域機(jī)同時發(fā)送，從而由傳輸延遲引起的碼間串?dāng)_，很可能使這些位的狀態(tài)不確定。
4 通信過程簡介
集散型火災(zāi)報警控制系統(tǒng)的通信過程，也就是集中機(jī)對區(qū)域機(jī)循環(huán)進(jìn)行的點名和查詢過程。在點名階段，集中機(jī)發(fā)送廣播點名幀,區(qū)域機(jī)以請求點名幀響應(yīng)，若接收到未被登錄的區(qū)域機(jī)發(fā)出的請求點名幀，集中機(jī)進(jìn)行選呼點名，區(qū)域機(jī)以配置幀響應(yīng);在查詢階段，集中機(jī)反復(fù)判斷有無自檢請求，若有自檢請求，則對區(qū)域機(jī)逐個選呼自檢，區(qū)域機(jī)以配置幀響應(yīng)，自檢結(jié)束，繼續(xù)選呼查詢，區(qū)域機(jī)以正常幀、或故障幀，或報警幀響應(yīng)，在查詢中若接收到報警信號，再根據(jù)需要發(fā)送選呼聯(lián)動幀，區(qū)域機(jī)以正常幀確認(rèn)。
5 結(jié)束語
實驗結(jié)果表明，因為MCP2510具有完善的現(xiàn)場總線管理機(jī)制和面向單片機(jī)的SPI接口，一方面簡化了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，另一方面使節(jié)點控制器擺脫了對網(wǎng)絡(luò)通信的頻繁干預(yù)，從而大大提高了系統(tǒng)的整體性能，與采用RS232等其它串行通信技術(shù)的集散型系統(tǒng)相比較，本文提出的基于CAN總線的集散型火災(zāi)報警控制系統(tǒng)具有較高的安全性、可靠性和實時性，可用于各種場合的火災(zāi)報警控制。
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