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1、 http:/ -1-一种基于一种基于 CAN 总线的电气火灾监控系统的设计总线的电气火灾监控系统的设计 孙丁丁，王礼帅，齐辉 中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院信电系，北京（100083）E-mail： 摘摘 要要:本文在分析了电气火灾监控系统的功能要求的基础上，设计了一种使用高档 AVR 单片机的电气火灾监控系统。CAN 网络由于具有速率高、抗干扰能力强等优点在火灾报警系统中得到广泛应用。提出了基于 CAN 总线的火灾监控系统的拓扑结构，主要介绍了其关键部分监控设备的硬件设计原理,以及软件流程。关键词关键词:CAN 总线；电气火灾监控系统；ATMEGA128 1.引言引言 随着新技术的
2、不断发展,对火灾报警控制器联网的要求也越来越高1。火灾报警控制器不但要完成本机的报警、联动等功能,还要把报警信息传送到其他报警控制器或显示系统中。这就对其控制系统的通信能力,尤其是可靠性和实时性提出了更高的要求。RS485 总线是火灾报警系统中最早应用的一种总线,但其传输速率较低,抗干扰能力差,对火灾报警及显示的响应速度慢。于是基金会现场总线(FF)、LonWorks、CAN 等多种新的总线方式应运而生。2.电气火灾监控设备总体方案设计电气火灾监控设备总体方案设计 根据电气火灾监控系统的基本功能，可以把电气火灾监控设备所要完成的任务概括如下：1）采用CANBus通讯方式，实现无主从方式的网络架
3、构设计；2）应具有黑匣子功能，能存储10000条数据；3）能进行全中文的报警及操作提示；4）能打印漏电、故障及温度超限等信息；5）应具备时钟功能，能对漏电、故障及温度超限等发生时刻进行记录；6）具备声光报警功能；7）具有消防联动功能。3.电气火灾监控设备硬件设计电气火灾监控设备硬件设计 根据总体方案设计的要求和特点，参考国内外同类系统的设计，吸取他们的优点，按照功能齐全、成本低廉、易于实现、便于生产、安全可靠的设计思想，对电气火灾监控设备进行了设计。按照功能独立、易于维护的原则，所设计的电气火灾监控设备主要可分为CAN通信单元、人机接口单元、中央处理单元三部分。本设计中采用Atmega128L
4、单片机2为核心，其硬件结构框图如图1所示。http:/ -2-图1 电气火灾监控设备硬件结构框图 Fig 1 Hardware functional block diagram of electrical fire monitoring and control device CAN 通信单元部分 1.CAN总线技术简介 CAN总线技术是德国BOSCH公司在20世纪80年代中期为解决现代汽车众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议3。CAN总线具有以下优点：(1)CAN总线是多主总线。(2)CAN总线实时性好。(3)CAN总线可靠性高。(4)CAN协议采用总线式结构。本设计
5、中，采用CAN总线与探测器进行通信，探测器实时上传漏电流值和母线温度；电气火灾监控设备接收并显示该值，若漏电流超限，则发声光报警并在液晶上显示故障位置，用户可通过监控装置给探测器发断电命令。其硬件原理图如图2所示：http:/ -3-A14RD/1R116.8K12A09R173.3K12TXD_CANA13CAN_INTR1450KC161uFA11WR/1A10A15CAN_CSVCCA08VCCALEC1715PZ316MU6SJA1000232425262728126459108211572019131218221731116AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7WRCSRD
6、X1X2VSS1VSS2VSS3CLKOUTRX1RX0TX0VDD3VDD2VDD1RSTALEMODEINTC1815PA12RXD_CAN 图2 CAN总线硬件原理图 Fig.2 Schematic of CAN protocol controller 与电气火灾探测器一样，监控系统也采用PCA82C250作为CAN总线驱动芯片4，使总线能带至少110个节点。PCA82C250是Philips公司生产的专门用于作为CAN总线通信协议控制芯片与物理通信总线间的接口芯片，采用差分方式发送和接收总线数据。内部具有过流保护电路，可防止总线短路对CAN总线控制芯片和驱动芯片本身的损坏。其硬件原理图
7、如图3所示：R15 12012CLTXD_CANCLR1939012VCCRXD_CANU882C25012345678TXDGNDVCCRXD VREFCANLCANHRSCON2CON2VCCD5SA5012CHCHS1SW-PB12D6SA5012VCCR2639012 图3 CAN总线驱动电路 Fig.3 Schematic of CAN bus driving circuit 其中，CON2为CAN总线接线端子，S1为120匹配电阻的跳线端子。CAN总线二端须跨接120匹配电阻，一般使用时，一端由上位机提供，而另一端由最远端的电气火灾探测器通过接通跳线实现。4.电气火灾监控设备软件设
8、计电气火灾监控设备软件设计 4.1 主程序设计主程序设计 主程序流程图如图4所示。http:/ -4-图4 主程序流程 Fig.4 Flow chart main program 系统初始化完毕之后转入主循环体，开始与各探测器通讯，将探测器上传的漏电流值和温度值保存并在液晶显示屏上实时刷新相应值。若有漏电故障或通讯故障，则发声光报警并在液晶显示屏上显示相关故障信息，并将该信息存值得与外部存储器中，以备查询。或有键盘操作，则转入相应的按键处理程序。4.2 通讯子程序流程图通讯子程序流程图 通讯子程序流程图如图 5 所示。通讯一般采用上位机查询方式，当进入通讯子程序时，先向 CANbus 发送数据
9、查询帧并进入等待状态，等待时间为 20ms。在此期间，相应地址的探测器回传数据帧。当电气火灾监控设备接收到该数据帧时，根据状态变量判定该供电线路是否存在漏电故障，若是则置漏电故障标志，保存该组数据，并返回。若无漏电故障，则判别是否存在温度超限，若有则置温度超限标志，保存该组数据，并返回。若无漏电故障，则保存完数据后直接返回。若在等待期间末收到返回的数据帧，则再次发送数据查询命令，若连续三次都没有返回的数据帧，则置通信故障标志，并返回。http:/ -5-数据是否上传？发送探测器地址码等待数据上传是否有漏电？是否温度超限？数据保存返回置相应报警标志否是否是否是重发次数3？否是置通讯故障标志 图5
10、 通讯子程序流程图 Fig.5 Flow chart of communication subprogram 5.结论结论 本文提出了基于CAN总线的火灾监控系统的拓扑结构5，对电气火灾监控设备的功能和结构进行了描述，并且详细介绍了各个功能单元的设计思想和具体软硬件实现。电气火灾监控设备在整个电气火灾监控系统中起着非常重要的作用，对探测器上传的数据进行处理并显示，实现对整个供电网络剩余电流状况的实时监控，若有故障发生，则发声光报警并通过液晶显示屏指示故障位置。http:/ -6-参考文献参考文献 1 姜涛.电气火灾隐患分析及预防对策.消防科学与技术，2004，5 2丁化成、耿德根、李君凯.AV
11、R 单片机应用设计.北京：北京航空航天大学出版社，2002，5 3 赖昊，薛君英.CAN 总线技术及其系统实现.微处理机，2000，2 4 邬宽明.CAN 总线设计中的几个问题.电子技术应用，1998，9 5 杨学友，叶声华.基于 CAN 总线的分布式测量系统通信网络.天津大学学报，1999，3 A Research on Electrical Fire Monitoring and Control System Sun Dingding,Wang Lishuai,Qi Hui China University Of Mining And Technology(Bei Jing),Beijin
12、g(100083)Abstract In this paper,on the basis of analyzing the functions,requirements,and products characteristics，an advanced kind of electrical fire monitoring and control system based on AVR MCU is designed.Firstly,the system design of electrical fire monitoring and control system is introduced.It
13、 divides the system into three functional sections that are residual current instrument transformer,electrical fire detector and electrical fire monitoring and control device.And then,the presentation of performance indexes of instrument transformer is emphasized,as well as the hardware and software
14、 of detector and monitoring and control device.At last,the system reliability is analyzed,and practical methods of improving reliability are discussed from the aspects of both hardware and software.Keywords：Electrical fire monitoring and control system；AVR；CAN bus 作者简介作者简介：孙丁丁（1982-），男，安徽砀山人，硕士研究生，主要从事电力电子技术研究。