二總線火災報警系統編碼與通信的實現

馬芮，武一，花中秋，奉軻

（1.河北工業大學電子信息工程學院，天津300401；2.河北工業大學電子材料與器件天津市重點實驗室，天津300401）

二總線火災報警系統編碼與通信的實現

馬芮1，2，武一1，2，花中秋1，2，奉軻1，2

（1.河北工業大學電子信息工程學院，天津300401；2.河北工業大學電子材料與器件天津市重點實驗室，天津300401）

依據二總線技術的工作原理，設計了火災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.采用數字脈沖計數的方法，實現控制器對探測器的尋址與識別，并結合總線電壓的變化向探測器發送編址指令，實現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計，實現了復合型火災探測2種火災參量信號的回傳.

火災報警；二總線；編碼；通信

0 引言

火災，是危害人類和社會最常見的災害之一，其難以預料的性質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濟的穩定發展.隨著人們對火災報警系統研究的深入，二總線技術以其結構簡單、分工明確、無極性易接入等優點廣泛用于火災探測器和報警控制器之間[1].復合型火災探測集合了至少2種火災參量的探測原理于同一個探測器，有效地彌補了單一型火災探測由于原理限制出現的誤報、漏報的缺陷，也逐漸成為智能型火災報警的應用趨勢[2].

文獻[3-4]采用數據幀的方式完成二總線系統的編碼與通信，使得總線電流始終處于階躍變化中，可能出現信號識別混亂從而導致系統崩潰[5]，還會縮短二總線的工作壽命.結合二總線技術的工作原理和復合型火災探測的特點，通過對探測器信號檢測電路的設計，把總線上的電壓和電流變換為微處理器可識別的信號，控制電路的多態輸出并結合時序設計和軟件編程完成編碼尋址、故障排查和火災報警等信息的檢測，每個狀態信號的回傳只改變一次總線電流，實現了基于二總線的復合型火災報警系統的編碼與通信.

1 二總線火災報警系統結構

二總線火災報警系統由報警控制器和火災探測器組成，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/通信復用線[7].二總線可為現場設備供電，并聯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，探測器由內部儲能電容放電提供功率，并于該時段向控制器返回當前探測器故障自檢信號或火災參量探測信號[9].

二總線火災報警系統的工作過程，首先由作為主機節點的控制器采用總線電壓的形式向探測器發起通信，如二總線設備的編碼或尋址；作為從機節點的探測器根據控制器發來的指令執行相應的工作，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探測情況[10].

圖1 二總線火災報警系統結構圖Fig.1 The structure of two-bus fire alarm system

2 信號檢測電路設計

結合二總線技術通過總線電壓和電流進行通信的特點，為探測器設計如圖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切換，使電路實現多態輸出，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）是依據二總線系統控制器采用電壓形式向探測器發起通信的工作原理，把總線上的脈動電壓信號變換成可供微處理器識別的數字脈沖信號的電路；圖2b）是依據二總線系統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

二總線火災報警系統依靠2根總線間24 V和10 V兩種電壓的不斷交替，實現控制器和探測器之間的斷續供電及信號通信，因此接在總線接口上的L+會形成規律的脈動電壓信號，該信號影響著電路中二極管和三極管的狀態，具體情況如表1所示.經電源穩壓后，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+規律的脈動電壓信號產生穩定的數字脈沖信號，LD處始終為低電平；若兩根總線間電壓出現0 V且S0或S1為高時，LD處變為高電平.總線上的脈動電壓信號通過電路轉換后，在CLK處形成的數字脈沖信號及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S0、S1均為低電平時，回傳到總線上的電流為0 mA；當S0為高電平、S1為低電平時，回傳到總線上的電流為6 mA；當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的表示.在實際的工程應用中，若探測器出現開路故障，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表示環境正常，18 mA表示火災報警或編碼完成，報警系統的火災探測和故障自檢同時進行.控制器將總線上返回的電流值轉換為電壓信號送到A/D轉換器，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轉換的結果進行比較，判斷該信號所代表的信息.

表1 “門”的變化及特征點的電平檢測Tab.1 Change of the gates and level detection of the feature points

3 編碼與通信方法設計

二總線火災報警控制器與復合型火災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，另一部分是火災探測和故障自檢通信.作為主機設備的控制器具有向作為從機設備的探測器發起通信的功能，當控制器向探測器發送編碼指令后，探測器進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立進行.當控制器向探測器發送探測/自檢指令后，若探測器出現開路故障則向控制器返回開路信號，反之探測器對當前環境的火災情況進行探測，并向控制器返回2種火災參量的探測結果.總線上并聯的所有探測器同時進行探測和自檢工作，采用巡檢的方式在一個循環周期內遍歷接收所有探測器返回的信號.

在每個循環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.為使探測器能夠區分控制器發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本輪通信內容.如圖3所示，若時序頭長度為225 ms，探測器暫停火災探測，等待接收控制器發送編碼地址；若時序頭長度為175 ms，探測器開始執行火災探測和故障自檢.

當控制器對單個探測器進行編碼時，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處形成的數字脈沖信號進行檢測并計數，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2 ms，探測器檢測到LD電平為高，停止對CLK處的脈沖計數，并將此時的脈沖個數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 二總線復合火災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

當控制器向總線上的所有探測器發送探測/自檢指令后，探測器啟動2種傳感器對當前火災情況的探測，并在微處理器中對轉換后的電信號進行分析，再將結果用電流的方式回傳到控制器.為保留單一型火災參量獨立報警的功能，實現控制器對2種火災參量信號的區分，設計使用2個脈沖聯合回傳一個復合型火災探測器的信息.如圖3b），規定0號脈沖僅供電，從1號脈沖開始計數，當到達的脈沖個數與存儲器中的地址n相關時，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類火災參量探測結果，第2n個脈沖時則傳遞B類火災參量探測結果.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單一型火災預警；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警顯示火災報警.

4 軟件設計及結果分析

MICROCHIP公司生產的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、小體積等優勢，廣泛用于火災監控的智能檢測中.設計的探測器選用PIC16F716芯片，基于MPLAB X IDE進行軟件實驗，該集成環境包含了PIC芯片的C語言程序編寫環境以及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，可以實現程序編寫編譯一體化的設計.

探測器軟件部分的設計目的是通過對二總線上脈動信號的檢測及對開關電路的控制，實現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/計數器中斷服務程序來完成這一檢測功能，結合信號檢測電路和編碼與通信時序的設計，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的電平發生相應突變，CLK處會伴隨總線電壓的交替繼續產生數字脈沖，通過程序控制關閉計數器，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

給二總線系統掛接10個復合型火災探測器，控制器發起探測/自檢指令時，如圖5c）是根據探測器返回總線上的電流轉化為電壓信號的檢測.根據復合型火災探測的時序設計，0號脈沖僅供電，每個探測器的2種火災參量信號由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.1（2n-1=1，n= 1）號脈沖信號表示報警，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類火災參量預警；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警，控制器將該信號顯示為復合火災報警；7號探測器則顯示為B類火災參量預警.

圖5 編碼計數與報警通信結果檢測圖Fig.5 The detection of coding counting and alarm communication

5 結論

將二總線技術應用到復合型火災報警系統中，設計了多態輸出的信號檢測電路，實現了總線制終端設備可編碼的功能，并設計通信時序采用2個脈沖分時回傳一個探測器的狀態信息，先將2種火災參量信號分時上傳至控制器再分別進行判斷，保留了單一型火災參量獨立預警的功能，有助于工作人員在控制器發出預警的時候盡早排查探測區域發生的異狀，同時，這種通信方法可擴展應用于3種及以上火災參量的探測中.此外，系統可對探測器是否發生開路進行自檢，并即時向控制器發送故障信號，完善了火災報警系統的智能性.

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[責任編輯 代俊秋]

Realization of coding and communication for two-bus fire alarm system

MA Rui1，2，WU Yi1，2，HUA Zhongqiu1，2，FENG 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

河北省自然科學基金（F2016202214）

馬芮（1991-），女，碩士研究生.通訊作者：武一（1964-），女，教授.