基于CAN總線的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一、引言

火災(zāi)是目前最常見(jiàn)、最普遍的威脅公共場(chǎng)所安全和建設(shè)和諧社會(huì)的重要災(zāi)害之一。傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)往往只對(duì)單一物理或化學(xué)信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，容易出現(xiàn)誤報(bào)或漏報(bào)，因此設(shè)計(jì)一種新型的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)顯得尤為重要。CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線作為一種應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有數(shù)據(jù)通信可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。本文提出了一種基于CAN總線的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，旨在提高火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性和可靠性。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

基于CAN總線的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要由電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備和電氣火災(zāi)探測(cè)器兩部分組成。每個(gè)電氣火災(zāi)探測(cè)器至少可帶一路漏電流互感器、一個(gè)斷路器和一路溫度傳感器。輸電線路經(jīng)過(guò)斷路器和漏電流互感器接到用戶負(fù)載。探測(cè)器通過(guò)互感器檢測(cè)一組用戶線路的漏電流，通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)線纜溫度。探測(cè)器和監(jiān)控設(shè)備之間通過(guò)CAN總線通信。

2.2 系統(tǒng)功能

1. 漏電流和溫度檢測(cè)：探測(cè)器通過(guò)互感器檢測(cè)漏電流，通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)線纜溫度，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送給監(jiān)控設(shè)備。

2. 報(bào)警信號(hào)處理：一旦檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)，探測(cè)器會(huì)再次復(fù)核，若還能檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)，探測(cè)器會(huì)控制斷路器迅速切斷電路，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并把報(bào)警信息發(fā)送給監(jiān)控設(shè)備。

3. 監(jiān)控設(shè)備顯示和報(bào)警：監(jiān)控設(shè)備通過(guò)液晶屏實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)控線路的運(yùn)行狀態(tài)，如果接收到報(bào)警信息，則顯示報(bào)警所在節(jié)點(diǎn)的位置、報(bào)警類型、報(bào)警值和設(shè)定值等，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

4. 遠(yuǎn)程設(shè)置和操作：監(jiān)控設(shè)備可遠(yuǎn)程設(shè)置各探測(cè)器的漏電流和溫度報(bào)警值，指定探測(cè)器的斷路器脫扣以切斷用戶線路，并對(duì)探測(cè)器進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位、消音等操作。

三、硬件設(shè)計(jì)

3.1 探測(cè)器硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 主控制芯片

探測(cè)器的主控制芯片選用Microchip公司的PIC系列單片機(jī)PIC24H64GP506。該芯片是一款高性能16位單片機(jī)，采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，具有以下特點(diǎn)：

• 高性能：有53個(gè)通用I/O口、64K的程序存儲(chǔ)區(qū)、8通道硬件DMA、集成PLL可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。

• CAN通信：帶一個(gè)增強(qiáng)型的ECAN模塊，在報(bào)文接收和發(fā)送時(shí)采用DMA的FIFO模式，提高了代碼的執(zhí)行效率。

3.1.2 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單，只需一根數(shù)據(jù)線接到單片機(jī)的I/O口，數(shù)據(jù)線通過(guò)4.7K電阻上拉。溫度傳感器采用DS18B20，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.3 剩余電流測(cè)量電路

剩余電流測(cè)量采用的是穿心式電流互感器。在三相四線制線路中，正常情況下是沒(méi)有剩余電流的，流過(guò)A相、B相和C相的電流應(yīng)和流過(guò)N相的相等，即矢量和為零。如果發(fā)生漏電，則矢量和不為零，二級(jí)繞組上就有感應(yīng)電流，該電流經(jīng)過(guò)負(fù)荷后就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這個(gè)電壓經(jīng)過(guò)調(diào)理電路整形放大，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)A/D采樣處理后就能得到準(zhǔn)確的剩余電流值。

3.1.4 CAN通信電路

CAN通信電路必須具備較強(qiáng)的抗干擾能力，如雷擊、強(qiáng)電場(chǎng)、電磁輻射的干擾。本設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)高速光耦6N137，分別加在了電路的CAN發(fā)送和接收端口，用于把總線和電路隔離開(kāi)來(lái)，這樣總線的干擾就不會(huì)影響電路運(yùn)行。同時(shí)在光耦兩邊用不同的獨(dú)立電源供電，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的電氣隔離。CAN收發(fā)器采用TJAl050，完全符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，最高速度1Mbps，電磁輻射EME非常低，差動(dòng)接收器具有較寬的共模范圍，可抗電磁干擾（EMI）。

3.2 監(jiān)控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 主控制芯片

監(jiān)控設(shè)備的主控制芯片采用Atmel公司的AT90CANl28。該芯片是一款高性能8位AVR單片機(jī)，基于AVR RISC結(jié)構(gòu)，具有以下特點(diǎn)：

• 高性能：采用哈佛結(jié)構(gòu)，所有的寄存器直接與算術(shù)邏輯單元相連，大大提高了代碼效率。

• 資源豐富：有53個(gè)通用I/O口，程序存儲(chǔ)器大小為128KB，同時(shí)帶4k容量的內(nèi)部EEPROM。

• CAN通信：內(nèi)置CAN控制器，支持ITAG在線仿真技術(shù)，給軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的方便。

3.2.2 顯示電路

為了達(dá)到良好的人機(jī)交互界面效果，監(jiān)控設(shè)備采用了320×240點(diǎn)陣的液晶模塊。該模塊為藍(lán)底白字，帶中文字庫(kù)，支持圖形和文字模式，使用十分方便。

3.2.3 鍵盤電路

鍵盤電路采用5×5矩陣鍵盤，一共25個(gè)鍵，實(shí)際用到24個(gè)，功能包括0~9數(shù)字輸入、上下左右4個(gè)方向鍵、確定、取消、自檢、消音、復(fù)位和5個(gè)功能鍵。鍵盤的列分別連接單片機(jī)的5個(gè)外部中斷口，鍵盤的行與單片機(jī)的5個(gè)普通I/O口相連。

四、軟件設(shè)計(jì)

4.1 探測(cè)器軟件設(shè)計(jì)

探測(cè)器的軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警處理和CAN通信等部分。

4.1.1 初始化

初始化程序包括單片機(jī)I/O口初始化、A/D初始化、CAN控制器初始化等準(zhǔn)備工作。

4.1.2 數(shù)據(jù)采集

為了保證采樣的實(shí)時(shí)性，漏電流的采集采用了定時(shí)采樣。溫度數(shù)據(jù)的采集則通過(guò)DS18B20傳感器進(jìn)行。

4.1.3 報(bào)警處理

一旦檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)，探測(cè)器會(huì)再次復(fù)核，若還能檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)，探測(cè)器會(huì)控制斷路器迅速切斷電路，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并把報(bào)警信息打包成CAN數(shù)據(jù)包發(fā)送到CAN總線上。

4.1.4 CAN通信

CAN通信程序包括CAN節(jié)點(diǎn)初始化、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和總線異常處理等部分。CAN節(jié)點(diǎn)的初始化主要包括工作方式的設(shè)置、接收濾波方式的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等。

4.2 監(jiān)控設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化、CAN通信、數(shù)據(jù)處理和報(bào)警顯示等部分。

4.2.1 初始化

初始化程序包括單片機(jī)I/O口初始化、CAN控制器初始化、液晶模塊初始化和鍵盤初始化等。

4.2.2 CAN通信

監(jiān)控設(shè)備通過(guò)CAN總線接收探測(cè)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行解析和處理。

4.2.3 數(shù)據(jù)處理

監(jiān)控設(shè)備對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否有報(bào)警信號(hào)。如果有報(bào)警信號(hào)，則根據(jù)報(bào)警類型、報(bào)警值和設(shè)定值等信息進(jìn)行報(bào)警處理。

4.2.4 報(bào)警顯示

一旦檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)，監(jiān)控設(shè)備會(huì)通過(guò)液晶屏顯示報(bào)警節(jié)點(diǎn)的具體信息，如節(jié)點(diǎn)地址、報(bào)警類型和報(bào)警值等，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

五、主控芯片型號(hào)及作用

5.1 探測(cè)器主控芯片PIC24H64GP506

PIC24H64GP506是Microchip公司推出的一款高性能16位單片機(jī)，采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)。在基于CAN總線的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，PIC24H64GP506的主要作用包括：

• 數(shù)據(jù)采集：通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊采集溫度和漏電流數(shù)據(jù)。

• 數(shù)據(jù)處理：對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否有報(bào)警信號(hào)。

• CAN通信：通過(guò)內(nèi)置的ECAN模塊實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控設(shè)備之間的CAN總線通信。

• 控制功能：控制斷路器的脫扣功能，實(shí)現(xiàn)電路的切斷。

5.2 監(jiān)控設(shè)備主控芯片AT90CANl28

AT90CANl28是Atmel公司推出的一款高性能8位AVR單片機(jī)，基于AVR RISC結(jié)構(gòu)。在基于CAN總線的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，AT90CANl28的主要作用包括：

• CAN通信：通過(guò)內(nèi)置的CAN控制器實(shí)現(xiàn)與探測(cè)器之間的CAN總線通信。

• 數(shù)據(jù)處理：對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否有報(bào)警信號(hào)，并進(jìn)行報(bào)警處理。

• 顯示功能：通過(guò)液晶屏顯示報(bào)警節(jié)點(diǎn)的具體信息，如節(jié)點(diǎn)地址、報(bào)警類型和報(bào)警值等。

• 鍵盤輸入：通過(guò)鍵盤接收用戶的輸入，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置和操作功能。

六、結(jié)論

基于CAN總線的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，通過(guò)CAN總線將各個(gè)探測(cè)器與監(jiān)控設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。該系統(tǒng)具有反應(yīng)迅速、工作穩(wěn)定、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地減少火災(zāi)的發(fā)生，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。通過(guò)選用高性能的主控芯片PIC24H64GP506和AT90CANl28，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和CAN通信等功能，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。