智能煙火報(bào)警系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

郭建花

摘 要：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)日益惡化的電磁干擾環(huán)境，使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)不再是簡(jiǎn)單的“拼湊”工作，信號(hào)完整性、電磁兼容性與產(chǎn)品工作性能變得同等重要。因此，從事產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作的設(shè)計(jì)人員必須具備可靠性設(shè)計(jì)思想。

關(guān)鍵詞：可靠性;振蕩器;報(bào)警

1 引言

單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性是內(nèi)部因素和外部因素綜合作用的結(jié)果，所謂的內(nèi)部因素是指系統(tǒng)自身穩(wěn)定運(yùn)行和抑制干擾的能力，而外部因素是指引起系統(tǒng)不可靠或影響系統(tǒng)可靠的外界因素。但是，外部環(huán)境的改善總是有限的，往往是愛(ài)莫能助。

硬件是單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是單片機(jī)系統(tǒng)的靈魂。因此，以故障為核心的煙火報(bào)警系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)也應(yīng)該從這兩個(gè)方面著手，硬件、軟件自身可靠性以及它們的完美組合是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的有力保障[1]。

2 提高系統(tǒng)可靠性的措施

2.1 硬件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的可靠性，硬件系統(tǒng)綜合運(yùn)用了抗干擾和冗余保障技術(shù)。優(yōu)先考慮CMOS工藝高性能工業(yè)級(jí)元器件，提高電路噪聲容限，增加系統(tǒng)抗干擾能力;電源變換模塊設(shè)計(jì)前級(jí)濾波電路，不僅能夠有效抑制外界對(duì)單板的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)也可濾除單板對(duì)外的傳導(dǎo)發(fā)射;在盡可能靠近集成芯片電源引腳放置高品質(zhì)的陶瓷去耦小電容，能夠?yàn)V除高頻諧波干擾，提供一個(gè)穩(wěn)定的局部電源。

可靠性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜龐大的工程，除以上防護(hù)措施外，探測(cè)器還進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

1）隔離技術(shù)。隔離可細(xì)分為物理隔離和信號(hào)隔離，物理隔離是指通過(guò)良好的PCB布局、布線，將容易產(chǎn)生干擾和干擾敏感的器件、線路隔離開(kāi)來(lái)，將系統(tǒng)可能產(chǎn)生的干擾降到最低。探測(cè)器模擬電路和數(shù)字電路分板設(shè)計(jì)，供電電源采用星型布線，模擬電源、數(shù)字電源和模擬地、數(shù)字地僅在公共節(jié)點(diǎn)連接，從而有效阻斷了數(shù)字電路產(chǎn)生的電源噪聲對(duì)模擬信號(hào)的影響。

2）屏蔽技術(shù)。屏蔽技術(shù)是利用金屬隔離的原理來(lái)控制電磁干擾由一個(gè)區(qū)域向另一個(gè)區(qū)域感應(yīng)和輻射傳播。探測(cè)器采用不銹鋼外殼構(gòu)成電磁屏蔽體，通過(guò)屏蔽材料的吸收和反射作用來(lái)削弱進(jìn)入殼體的電磁能量，金屬網(wǎng)蓋板和DB9外殼共地設(shè)計(jì)，進(jìn)一步保證了屏蔽體接合完整性，從而使系統(tǒng)具有較高的抗電磁干擾能力。

3）基于冗余設(shè)計(jì)思想的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路。為確保程序跑飛時(shí)系統(tǒng)也能自動(dòng)納入正常軌道，智能火災(zāi)探測(cè)器采用冗余設(shè)計(jì)，除使能MCU自帶的看門(mén)狗定時(shí)器外，還用單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器搭建了死機(jī)顯示電路。

設(shè)計(jì)只用第一通道，A是上升沿觸發(fā)信號(hào)，是下降沿觸發(fā)信號(hào)，Q和是輸出信號(hào)，其配置邏輯如表1所示。由表可知U5工作在第五觸發(fā)模式，來(lái)自MCU的上升沿觸發(fā)信號(hào)控制輸出一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為τ的低電平脈沖信號(hào)，τ值大小由C20、R29共同決定，如公式（1）所示。

Q2、Q3、Q5是三個(gè)N溝道MOSFET，導(dǎo)通電壓最高為3V，如果撇開(kāi)振蕩器輸出信號(hào)，三個(gè)管始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)漏源電壓很小，漏極相當(dāng)于接地，此時(shí)火警/正常、故障輸出和探測(cè)器LED指示三個(gè)控制信號(hào)都失去控制作用。反之，如果振蕩器A腳觸發(fā)信號(hào)提供一個(gè)周期小于7ms的方波，那么U5輸出信號(hào)始終保持低電平，三個(gè)MOS管始終處于截止?fàn)顟B(tài)，三個(gè)控制信號(hào)就能夠正常行使控制邏輯。

2.2 軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

1）數(shù)字濾波。探測(cè)器煙霧處理程序采用中位值平均濾波算法，連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均，中位值平均濾波算法能夠有效濾除隨機(jī)干擾，保證了數(shù)據(jù)可信度。

2）軟件防抖。軟件防抖的原理是檢測(cè)到控制信號(hào)后并不立即執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，而是等待一段時(shí)間后再判斷一次，如果前后兩次判斷結(jié)果一致才執(zhí)行控制動(dòng)作。按鍵處理和控制信號(hào)檢測(cè)程序采用軟件防抖，有力地保證了人機(jī)交互的可靠性。

3）看門(mén)狗定時(shí)器。使能探測(cè)器MCU自帶的看門(mén)狗定時(shí)器，當(dāng)程序失控時(shí)，得不到及時(shí)清零的看門(mén)狗定時(shí)器溢出，溢出端復(fù)位MCU，探測(cè)器自動(dòng)重啟。

3 系統(tǒng)自檢診斷功能設(shè)計(jì)

在工程實(shí)踐中，單片機(jī)系統(tǒng)具有一定的自檢診斷功能是非常有用的，它可以幫助使用者快速準(zhǔn)確地確定故障部位[2]。自檢信號(hào)產(chǎn)生電路如圖1所示。

系統(tǒng)正常工作情況下，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接5V電壓，與非門(mén)反相輸出低電平，晶體管Q3和復(fù)合管Q2都處于截止?fàn)顟B(tài)，自檢信號(hào)不能正常輸出。當(dāng)自檢按鈕按下，開(kāi)關(guān)接地電平，Q2和Q3均飽和導(dǎo)通，最終輸出0V和24V自檢信號(hào)。

24V電壓信號(hào)被探測(cè)器的自檢信號(hào)檢測(cè)電路檢測(cè)到，探測(cè)器MCU控制U4C和U4D兩路電子開(kāi)關(guān)都導(dǎo)通，兩級(jí)交流電壓放大倍數(shù)變化如式（2）、（3）所示。

如此高的前置電壓放大倍數(shù)，使得光電接收管靜態(tài)工作電流最終轉(zhuǎn)換為近乎滿偏電壓輸出，經(jīng)預(yù)置火災(zāi)探測(cè)算法處理，必判定為火警邏輯，繼電器輸出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)也是必然的。控制器像對(duì)待正常的火災(zāi)報(bào)警信號(hào)一樣，觸發(fā)蜂鳴器蜂鳴、繼電器輸出火警匯總信號(hào)。

4 結(jié)論

綜上所述，一個(gè)設(shè)計(jì)合理、功能完善的自檢診斷系統(tǒng)已經(jīng)搭建完畢。系統(tǒng)自檢狀態(tài)下，探測(cè)器微處理器、煙霧數(shù)據(jù)采集模塊、智能火災(zāi)探測(cè)算法、輸入輸出模塊和控制器LED指示模塊、蜂鳴指示模塊、VCU驅(qū)動(dòng)模塊以及控制器微處理器本身都得到了充分而完備的自檢，如果系統(tǒng)某個(gè)部分或者某個(gè)功能出現(xiàn)故障，均可通過(guò)控制器的LED和蜂鳴提示得到準(zhǔn)確判斷。

參考文獻(xiàn)

[1]唐鐘，周小偉.大型復(fù)雜分布式控制系統(tǒng)可靠性及可擴(kuò)充性設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)測(cè)量與控制，2006，25（10）：67-69.

[2]任曉榮.單片機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2003，11（8）：621-623.