基于CAN的火灾探测报警及信息传输系统设计.docx
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基于CAN的火灾探测报警及信息传输系统设计
目录
第一章概述2
1.1智能防火系统2
1.2CAN总线2
第二章系统总体设计3
2..1火灾报警控制系统4
2.2消防网络通信技术6
2.3消防联动控制技术6
2.4嵌入式Internet技术的发展及其在火灾报警控制系统中的应用7
2.5CAN通信8
2.6CAN总线的智能节点10
第三章系统具体设计10
3.1CAN总线收发器10
3.1.1TJA1040的特点10
3.1.2TJA1040的一些参考数据11
3.1.3TJA1040的引脚参数12
3.1.4TJA1040的工作模式13
3.1.5TJA1040的功能描述14
3.2CAN总线控制器15
3.3节点控制器17
第四章原理图设计19
第五章PCB图19
第六章总结21
参考文献:
22
智能楼宇的火灾探测报警及信息传输系统设计
摘要:
CAN总线是目前应用非常广泛的现场总线之一。
本文介绍了使用CAN总线的实际意义、CAN的发展历程和基本知识,以及火灾报警控制系统。
提出了一种基于CAN总线的火灾报警系统设计方案,系统以80C52单片机为节点控制器,PCA82C200为总线控制器,TJA1040为总线收发器。
关键词:
CAN总线通信火灾报警控制系统
TheDesignofTntelligentBuilding'sFireSurveysTheWarningAndTheInformationTransmissionSystem
Abstract:
CANBusisoneofthefieldbuseswhicharewidelyapplied.ThispapersimplyintroducesthesignificanceofCANprotocolandthedevelopmentconditionofCANbus,andintelligentfirealertingsystem.ThedesignmethodofthefirealarmsystembasedonCANBusisproposed.Thissystemuses80C52chipmicrocomputerasnodecontroller,usesPCA82C200asbuscontroller,andusesTJA1040asbustransceiver.
KeyWords:
CAN(ControlAreaNetwork)Bus,communication,intelligentfirealertingsystem
第一章概述
1.1智能防火系统
智能防火系统,是以火灾为监控对象,利用计算机技术、检测技术和现场总线技术,根据防火要求和特点而设计、构成和工作的。
它作为楼宇自控系统(BAS)的部分在智能建筑中与保安系统、其它建筑的智能防火系统联网通信,并向上级管理系统报警和传递信息,同时向远端城市消防中心、防灾管理中心实施报警和传递信息;也可以与BAS的其它子系统及智能建筑管理中心网络通信。
该系统既能对火灾发生进行早期探测和自动报警,又能根据火情位置,及时输出联动灭火信号,启动相应的消防设施,进行灭火。
火灾智能报警具备对火灾信号的容错识别、分析判断功能。
1.2CAN总线
CAN(ControlAreaNetwork)属于工业现场总线,最初是由德国Bosch公司在80年代初期,为了解决汽车中众多的控制与测量设备之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线,属于现场总线的范畴,1993年成为国际标准(ISOl1898:
道路车辆的高速控制器局域岗数字交换系统标准)。
基于CAN总线构建的通信网络,也是依照开放系统互连规范按层次结构设计的。
考虑到作为工业测控底层网络,其信息传输量相对较少,信息传输的实时性要求较高,网络连接方式相对较简单,因此,CAN总线网络在低层只采用了OSI7层通信模型的最低两层,即物理层和数据链路层,而在高层只有应用层。
CAN的数据链路层又分为逻辑链路控制(LLC)子层和媒体访问控制(MAC)子层。
物理层定义信号怎样传输,完成电气连接,实现驱动器/接收器特性;MAC子层是实现CAN协议的核心,它的功能主要是传送规则,即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定;LLC子层的功能主要是报文滤波、超载通知和恢复管理。
物理层和数据链路层的功能可由CAN接口器件来完成。
应用层的功能是由微处理器完成的。
CAN总线可有效支持分布式控制或实时控制。
该总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤,其主要特点如下:
(1)CAN总线为多主站总线,各节点可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息,且不分主从;
(2)CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术,高优先级节点优先传送数据,故实时性好;
(3)CAN总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能;
(4)CAN总线采用短帧结构,每帧有效字节数最多为8个,数据传输时间短,并有CRC及其它校验措施,数据出错率极低;
(5)CAN总线上某一节点出现严重错误时,可自动脱离总线,而总线上的其他操作不受影响;
(6)CAN总线系统扩充时,可直接将新节点挂在总线上,因而走线少,系统扩充容易,改型灵活;
(7)CAN总线的最大传输速率可达1Mb/s,直接通信距离最远可达到10km(速率在5kbps以下);
(8)CAN总线上的节点数取决于总线驱动电路。
在标准帧(11位报文标识符)时可达到110个,而在扩展帧(29位报文标识符)时,个数不受限。
由于其独特的设计思想、良好的功能特性、极高的可靠性和现场抗干扰能力,已经被广泛应用于各个领域,被认为是最有前途的现场总线之CAN总线作为应用最广泛的现场总线技术之一。
它的数据通信在可靠性、实时性和灵活性等方面有着突出的优点,能够较好地满足智能大厦对火灾防范的要求。
本文介绍了一种主要由CAN总线收发器TJA1040、CAN总线控制器PCA82C200和节点控制器80C52组成的基于CAN总线的报警信息传输系统。
第二章系统总体设计
该报警信息传输系统的结构框图如图1所示。
整个系统由一台集中火灾报警控制器、一台消防联动控制设备、三台区域火灾报警控制器(由CAN总线收发器、CAN总线控制器和节点控制器组成)、A/D转换电路、放大电路、火灾探测器、手动火灾报警按钮、火灾报警装置等组成。
在本文系统中,一个区域机通过一种专门设计的探测器总线可以连接感烟、感光、感温等各种火警探测器。
利用CAN通信技术将区域机联网,管理人员在集中机上就可以观察各个部分的情况,便于管理和检测,随时可以了解到各区域机运行的是否正常,有无报警发生,也可以使各个区域机通过信息交互,实现资源共享,联防控制。
每个区域机都是一个独立的基本报警控制单元,其功能与单独使用时的情况完全一样,它们从本区域机的探测器上采集数据,如有警情出现,在启动本区的有关消防设备的同时,通过CAN总线将报警信号传送给集中火灾报警控制器,集中火灾报警控制器再决定需要起动的由其它区域机管辖的有关消防设备,并通过CAN总线发出联动命令。
图1:
系统结构框图[4]
2..1火灾报警控制系统
火灾探测报警控制系统简称火灾报警控制系统或火警控制系统,其结构经历了由多线制系统结构到总线制系统结构,再到集中智能系统结构,最终也发展到分布智能系统结构。
分布智能型系统结构是在保留二总线制集中智能型系统优点基础上发展而来的。
它将集中智能型系统中对火灾探测信息的基本原理、环境补偿、探头报脏和故障判断等功能由火灾报警控制器返还给现场的火灾探测器,从而免去火灾报警控制器大量的信号处理负担,使之能够从容地实现上级管理功能,如系统寻检、火灾参数算法运算、消防设备监控、联网通讯等,提高了系统寻检速度、稳定性和可靠性。
火灾报警控制系统一般由火灾探测器、火灾报警装置、火灾警报装置、消防控制设备和电源五部分组成。
(1)火灾探测器
火灾探测器是系统的“感觉器官”,它的作用是监视环境中有没有火灾的发生。
一旦有了火情,就将火灾的特征物理量,如温度、烟雾、气体和辐射光强等
转换成电信号,并立即动作,向火灾自动报警系统发送数据。
经过消防网络系统
处理后,发出报警或相应的动作[1]。
对于易燃易爆场合,火灾探测器主要探测其
周围空间的气体浓度,在浓度达到爆炸下限以前报警。
在个别场合下,火灾探测
器也可探测压力和声波。
根据监测的火灾特性的不同,火灾探测器可分为感烟式、感温式、光电式、
可燃气体式和复合式。
复合式火灾探测器是一种能响应两种或两种以上火灾参数
的火灾探测器。
主要有感烟感温、感光感温、感光感烟火灾探测器。
它们各有自
己的特点,但也有一定的局限和适用范围,要根据安装高度、预期火灾特性及环
境条件等选用。
火灾探测器正在向智能化方向发展。
1)探测智能
探测器可以根据根据环境的变化校正自身探测零点,进行补偿并判断能否作
出正确检测,控制采用开关量信号,解决了探测器的零点漂移问题。
缺点是准确
度还不够高。
2)监控智能
模拟量探测器,由控制器对信号进行处理,判断是否发生火灾。
可以输出一个真实的模拟信号或是一个同敏感值等效的数字编码,与传统的开关量探测器不同,模拟量感烟探测器具有阀值补偿功能,本身不判定火警,与开关量探测器相比具有显著的优越性[2]。
3)智能探测器
智能探测器利用微处理器技术,通过对火灾初期采集到的数据进行分析处理,判断现场是否发生火灾。
它将测量到的数据进行处理,与以前采集的数据进行对比、判断,可以更有效地消除非火灾信号的干扰,达到识别真实火灾信号的目的。
能够适应不同的环境,同时还具备自动调整运行参数的自适应的能力,为火灾信号处理开辟了崭新的发展途径。
因此智能探测器能够更加客观、准确地发现火情,大大减少了误报,提高了系统的可靠性。
(2)火灾报警装置
在火灾报警控制系统中,用以接收、显示和传输火灾报警信号,并能发出控制信号和具有其他辅助功能的控制指示设备称为火灾报警设备。
火灾报警控制器就是其中最基本的一种。
火灾报警控制器具备为火灾探测器供电,接收、显示和传输火灾报警信号,并能对自动消防设备发出控制信号的完整功能,是火灾报警控制系统的核心组成部分。
(3)火灾警报装置
在火灾报警控制系统中,用以发出区别于环境声、光的火灾报警信号的装置称为火灾警报装置。
火灾警报器就是一种最基本的火灾警报装置,它以声、光方式向报警区域发出火灾报警信号,以警示人们采取安全疏散、灭火救灾措施。
(4)消防控制设备
在火灾报警控制系统中,当接收到来自触发器件的火灾报警信号,能自动或手动启动相关消防设备并显示其状态的设备,称为消防控制设备。
主要包括火灾报警控制器,自动灭火系统的控制装置,室内消火栓系统的控制装置,防烟排烟系统及空调通风系统的控制装置,常开防火门,防火卷帘的控制装置,电梯回降控制装置以及火灾应急广播、火灾警报装置、消防通信设备、火灾应急照明与疏散指示标志的控制装置等十类控制装置中的部分或全部。
消防控制设备一般在消防控制中心,以便实行集中统一控制。
也有的消防控制设备装置被控消防设备所在现场,但其动作信号必须返回消防控制室,实行集中与分散相结合的控制方式。
(5)电源
火灾报警控制系统属于消防用供电设备,其主电源应当采用消防电源,其备用电源采用蓄电池。
消防电源除为火灾报警控制器供电外,还为与系统相关的消防控制设备等供电。
2.2消防网络通信技术
早期多为多线型火灾自动报警系统,每个探测器除需提供两根电源线外,还需提供一根报警信号线,均连接到报警显示盘上,报警时点亮相应的指示灯,如
日本“日探”公司生产的CPF火灾报警系统。
此类系统以报警为主,辅以简单的联动功能如驱动警铃,对外围探测器无故障检测功能,系统安装繁琐,特别校线工作量较大。
总线制系统形式是在多线制系统形式的基础上发展起来的。
探测器和模块,均采用地址编码形式,通过总线与控制器实现信号传送。
此类系统可通过现场编程,并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制。
己具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能,具有先进的报警和控制功能,使工程布线灵活、方便。
目前消防网络系统多采用Rs485、CAN、二总线等。
2.3消防联动控制技术
消防系统的控制模块主要控制各种联动设备的启动和关闭。
信号模块的作用
是把各种开关的动作信号反馈到报警器,在报警器上显示该开关设备的位置,从
而了解火场的位置。
控制模块的控制对象包括控制消防水泵的开与关、控制自动喷水灭火系统的打开与关闭、控制二氧化碳气体自动灭火系统的紧急启动和切断功能,应能控制电动防火卷帘的启动和切断非消防电源如空调、照明和电梯等。
2.4嵌入式Internet技术的发展及其在火灾报警控制系统中的应用
单片机或微控制器(MCU)都可以通称嵌入式系统。
因为计算机芯片是嵌入在有关的设备中的,没有自己独立的外壳,目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段。
以MCU为核心,与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能。
在一些工业和汽车应用中,为了实现多个MCU之间的信息交流,利用CAN、RS-232、RS-485等总线将MCU组网,但这种网络的有效半径比较有限,有关的通信协议也比较少,并且一般是孤立于Internet以外的。
Internet现已成为社会重要的基础信息设施之一,是信息流通的重要渠道,如果嵌入式系统能够连接到Internet上面,则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。
将嵌入式系统与Internet结合起来的想法其实很早以前就有了,从技术角度的解决方法经历了三个阶段:
第一阶段是在二十世纪九十年代中期,人们采用PC机+网卡+采集插卡组成以太网测控网关,进行协议转换,将由现场总线连接测控设备组成的分布式测控系统接入以太网,将管理PC机放在以太网内,组成一个较大的自控系统。
这种组成方式成本很高,只适用于大的自控系统。
第二阶段是二十世纪末期,人们采用嵌入式系统+以太网卡+采集卡来组成以太网测控网关。
嵌入式系统实际上是在硬件和软件上均可按用户需要进行剪裁的PC机,例如PC-104实际就是一台没有显示器、键盘、硬盘、软盘的PC-486DX计算机,它有电子硬盘及各种I/O插口,可装入WINDOWSCE或其它PC机应用软件。
所以它实际上是第一种网关的简化和微型化。
它的成本比第一种有所下降,但价格还是较高,但它利用了PC机的软件,开发速度较快。
第三阶段是本世纪初期,人们利用单片微机加上以太网接口芯片组成以太网测控网关。
这实际上是嵌入式网关向大众化、普及化的进一步发展,它以单片微机取代PC机,用以太网接口芯片取代以太网卡,使嵌入式网关的价格下降到几百元,这就使设备能以低廉的费用、以简捷的方式接入以太网,使网络化各种电器设备变为现实,使以太网分布式测控系统能得到迅速的发展,也才进入真正的嵌入式Internet阶段。
其应用也成为人们研究的重点。
智能公路、植物工厂、信息家电、工业制冷、VR库房、VR家政系统、工业自动化、POS网络及电子商务、环境工程与自然等众多行业都已经成为嵌入式Internet的主要应用范围。
将火灾报警控制器连接入Internet,正是在嵌入式Internet进入第三个阶段后在火灾报警行业提出的。
就此项技术而言国内外并没有什么差别,国外的日本“报时机”公司、国内的海湾、亨利等公司都在研究并推出了具有一定远程报警功能的火灾报警控制器。
2.5CAN通信
控制器局域网CAN为串行通讯协议,能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。
CAN的应用范围很广,从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN,其传输速度可达1Mb1t/s。
CAN总线通信原理的制定目的是为了在任何两个CAN仪器之间建立兼容性。
CAN总线通信系统协议中定义了许多通信传输的规范,这些规范保证着CAN总线系统的正常通信:
报文:
总线上的报文以不同的固定报文格式发送,但长度受限。
当总线空闲
时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。
信息路由:
在CAN系统里,CAN的节点不使用任何关于系统配置的报文(比如,站地址)。
以下为几个重要的概念[3]:
(1)系统灵活性:
不需要应用层以及任何节点软件和硬件的任何改变,可以在CAN网络中直接添加节点。
(2)报文路由:
报文的内容由识别符命名。
识别符不指出报文的目的地,但解释数据的含义。
因此,网络上所有的节点可以通过报文滤波确定是否应对该数据做出反应。
(3)多播:
由于引入了报文滤波的概念,任何节点都可以接收报文,并与此同时对此报文做出反应。
(4)数据连贯性:
应确保报文在CAN网络里同时被所有的节点接收(或同时不被接收)。
因此,系统的数据连贯性是通过多播和错误处理的原理实现的。
位速率:
不同的系统,CAN的速度不同。
可是,在一个给定的系统里,位速率是唯一的,并且是固定的。
优先权:
在总线访问期间,识别符定义一个静态的报文优先权。
远程数据请求:
通过发送远程帧,需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。
数据帧和相应的远程帧是由相同的识别符命名的。
多主机:
总线空闲时,任何单元都可以开始传送报文。
具有较高优先权报文的单元苛以获得总线访问权。
仲裁:
只要总线空闲,任何单元都可以开始发送报文。
如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文,那么就会有总线访问冲突。
通过使用了识别符的逐位仲裁可以解决这个冲突。
仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。
当具有相同识别符的数据帧和远程帧同时初始化时,数据帧优先于远程帧。
仲裁期间,每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。
如果电平相同,则这个单元可以继续发送。
如果发送的是一“隐性”电平而监视的是一“显性”电平,那么单元就失去了仲裁,必须退出发送状态。
安全性:
为了获得最安全的数据发送,CAN的每一个节点均采取了强有力的措施以便于错误检测、错误标定及错误自检。
错误检测:
要进行检测错误,必须采取以下措施:
(1)监视(发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较);
(2)循环冗余检查;
(3)位填充;
(4)报文格式检查。
错误检测的执行:
错误检测的机制要具有以下的属性:
(l)检测到所有的全局错误;
(2)检测到发送器所有的局部错误;
(3)可以检测到报文里多达5个任意分布的错误;
(4)检测到报文里长度低于巧(位)的突发性错误;
(5)检测到报文里任一奇数个的错误。
错误标定和恢复时间:
任何检测到错误的节点会标志出损坏的报文。
此报文会失效并将自动地开始重新传送。
如果不再出现错误的话,从检测到错误到下一报文的传送开始为止,恢复时间最多为31个位的时间。
故障界定:
CAN节点能够把永久故障和短暂扰动区别开来。
故障的节点会被关闭。
连接:
CAN串行通讯链路是可以连接许多单元的总线。
理论上,可连接无数多的单元。
但由于实际上受延迟时间以及/或者总线线路上电气负载的影响,连接单元的数量是有限的。
单通道:
总线包括有一单独的通道。
通过此通道可以获得数据的再同步报文。
要使此通道实现通讯,有许多的方法可以采用,如使用单芯线(加上接地)、2条差分线、光缆等等。
总线值(Busvalues):
总线有一个补充的逻辑值:
“显性”或“隐性”。
“显性”位和“隐性”位同时传送时,总线的结果值为“显性”。
比如,在总线的“写-与”执行时,逻辑。
代表“显性”等级,逻辑1代表“隐性”等级。
应答:
所有的接收器检查报文的连贯性。
对于连贯的报文,接收器应答,对于不连贯的报文,接收器作出标志。
睡眠模式/唤醒:
为了减少系统电源的功率消耗,可以将CAN器件设为睡眠模式以便停止内部活动及断开与总线驱动器的连接。
CAN器件可由总线激活,或系统内部状态而被唤醒。
唤醒时,虽然MAC子层要等待一段时间使振荡器稳定,然后还要等待一段时间直到与总线活动同步(通过检查n个连续的“隐性”的位),但在总线驱动器被重新设置为“总线在线”之前,内部运行已重新开始。
2.6CAN总线的智能节点
节点,是网络上信息的接收和发送站点,而所谓智能节点,用当前流行的说法来讲,就是一个嵌入式系统。
在本系统中,它位于传感器和执行机构所在的工业现场,起着承上启下的作用。
智能节点一方面和上位机(PC)进行通信,完成数据交换,另一方面又根据系统需要对现场执行机构或传感器进行控制或采集。
实现两大基本功能:
通信和I/O口管理。
为了提高系统的实时性,一些简单的处理运算可以不通过上位机的干预和控制,直接在现场完成,从而大大减少通信量,以发挥智能节点的优势。
CAN总线把挂接在现场总线上所有智能节点连接成一个网络体系,实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。
为实现上述这些功能,正确的设计集检测、控制、执行和通信于一身的底层智能模块的硬件电路就显得至关重要。
第三章系统具体设计
3.1CAN总线收发器
本系统CAN总线收发器采用PHILIPS公司生产的TJA1040芯片。
TJA1040是控制器局域网CAN协议控制器和物理总线之间的接口,它主要应用在客车的高速应用速度可达1Mbaud。
TJA1040为总线提供差动的发送功能为CAN控制器提供差动的接收功能完全符合ISO11898标准,它还有优秀的EMC性能,在不上电状态下有理想的无源性能。
3.1.1TJA1040的特点
(1)最适合用于汽车内的高速通迅
1)完全符合ISO11898标准;
2)速度高高达1Mbaud;
3)电磁辐射EME非常低;
4)差动接收器具有较宽的共模范围可抗电磁干扰EMI;
5)不上电状态下的无源性能;
6)I/O级自动适应主机控制器的电源电压;
7)如果使用分裂终端电压源可以稳定隐性总线电平进一步改善EME;
8)只听模式;
9)至少可以连接110个节点;
(2)低功耗管理
1)消耗电流极低的待机模式和睡眠模式有本地和远程唤醒的功能;
2)唤醒源识别;
(3)诊断检测和发信
1)总线线路短路;
2)过热;
3)发送数据TXD显性超时;
4)接收数据RXD隐性箝位;
5)RXD对TXD短路;
6)总线显性超时;
7)冷起动首次连接电池;
(4)保护
1)TXD显性超时功能;
2)RXD隐性箝位功能;
3)RXD对TXD短路的处理;
4)在汽车暂态时保护总线引脚和引脚VBAT;
5)防止总线引脚和引脚SPLIT对电池和对地短路;
6)热保护;
7)引脚VccVI/O和VBAT的低压检测。
3.1.2TJA1040的一些参考数据
TJA1040芯片的一些参考数据如表1所示:
表1:
参考数据
助记符
参数
条件
最小值
最大值
单位
VBAT
引脚VBAT的电源电压
5
27
V
VCC
引脚Vcc的电源电压
4.75
5.25
V
VI/O
引脚VI/O的电源电压
2.8
5.25
V
IBAT
引脚VBAT电源电流
VBAT=12V
10
30
μA
VCANH
引脚CANH的直流电压
0 -27 +40 V VCANL 引脚CANL的直流电压 0 -27 +40 V VSPLIT 引脚SPLIT的直流电压 0 -27 +40 V Tvj 实际连接点温度 -40 +150 ℃ Vesd 所有引脚的静电放电电压 人体模型HBM -4 +4 kV TPD TXD到RXD的传播延迟 VSTB=0V ——
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- 基于 CAN 火灾 探测 报警 信息 传输 系统 设计