基于MCS_51单片机的现场总线型分布式火灾报警控制系统.pdf

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1、基于 MCS-51 单片机的现场总线型分布式火灾报警控制系统黄天录1,张专成2,庞新法3,汪成龙4(1.西安通信学院 陕西 西安 710106;2.武警工程学院 陕西 西安 710086;3.中共陕西省委党校 陕西 西安 710061;4.西安工程科技学院 陕西 西安 710048)摘 要:介绍了一种基于 MCS-51单片机的现场总线型分布式火灾报警控制系统。该系统具有以下特点:用简单的机器语言表示最基本的逻辑原型,为联动编程提供了良好的人机界面;采用现场总线结构,容易实现网络集成;网络通信采用同步计数顺序争用多址接入技术,使集中机摆脱了对区域机的巡访,增强了系统的分布化程度,提高了设备的利用

2、率。系统结构灵活、使用方便,可满足大、中、小各种规模的火灾报警及消防控制的要求。关键词:现场总线;分布式;集中机;区域机中图分类号:T U998 文献标识码:B 文章编号:1004-373X(2006)23-097-04A Fieldbus Type of Distributed Fire Alarm Control System Based onSingle Chip Microcomputer MCS-51HUANG Tianlu1,ZHANG Zhuancheng2,PANG Xinfa3,WANG Chenglong4(1.Xi can Communication Institute,

3、Xican,710106,China;2.College of the Peoplecs Armed Police Force,Xi can,710086,China;3.Shaanxi Province Party School of the CPC,Xican,710061,China;4.Xi can College of Engineering and Technique,Xican,710048,China)Abstract:A fieldbus type of distributed fire alarm control system based on single chip mi

4、crocomputer M CS-51 is intro-duced.T his system possesses features as follows:Most basic logical original types are expressed as simple machine languages,constructing a fine men-machine interface;Fieldbus structure is adopted,making network integration be implemented easily;The method of synchronous

5、 count-sequential capture mult-i access is adopted in network communication,freeing central unitfrom rol-l polling regional units,and improving level of system distribution,and enhancing utilization factor of equipment.Thissystem is flexible in structure,convenient for use,it will meet the needs of

6、all kinds of fire alarm and fire control.Keywords:fieldbus;distributed;central unit;regional unit收稿日期:2006-06-161 引 言随着经济建设的发展,社会对火灾报警控制系统规模的要求越来越大,而计算机技术,特别是单片微型计算机技术的发展,又为火灾报警控制系统的发展提供了强有力的技术支持。目前总线制产品已成为火灾报警及消防领域的主流产品。最前端的探测器与控制器之间通过总线连接,控制器与控制器之间又通过总线互相连接,组成具有较大规模的多级火灾报警控制系统。目前的火灾报警控制系统大多存在如下两个缺

7、陷:第一,由于没有规范化的编程语言支持,有些控制器的现场编程操作过分复杂,使用者难于掌握;第二,在多级火灾报警控制系统中,普遍采用轮询呼叫方式 1,集中机被专用于通信控制,向各区域机收集报警与故障信息,而自身不带探测器,由于火灾报警系统的通信业务完全是突发性质的,大部分情况下,通信网络处于空闲状态,这就造成了设备的浪费 2,当系统中区域机的数量很少时,这种浪费现象将更为严重。笔者研制的基于 MCS-51 单片机的现场总线型分布式火灾报警控制系统克服了上述缺陷。首先通过将线性组合逻辑归结为最基本的逻辑原型,再用简单的机器语言表示这些最基本的逻辑原型,为联动编程提供了良好的人机界面;其次网络通信采

8、用同步计数顺序争用多址接入技术,使集中机处在与区域机接近平等的位置,摆脱了对区域机的巡访,增强了系统的分布化程度,提高了设备的利用率。以下是系统的设计原理。2 控制器组成控制器组成如图 1 所示。图中的键盘用来实现人机对话,例如进行自检、现场编程等;显示器显示时间以及报警、故障等信息;打印机打印报警时间及报警的探测器所在房号;联动控制柜的作用是在发生火警时启动有关消防设备,如卷帘门、喷水阀等;编码及总线收发电路引出 3 条总线,即地线、+24 V 电源线、?12 V 信号线;计算机串行通讯电路是将 MCS-51 的 TXD 与 RXD 经过适当的逻辑97 现代电子技术 2006 年第 23 期

9、总第 238 期 6测试#测量#自动化4与电平转换后形成的一个标准的 EIA-485 现场总线接口 3,从中引出 4 条通讯总线,即 1 条地线、1 条控制线、2 条数据线。图 1 控制器组成3 系统组成控制器的编码及总线收发电路引出的 3 条总线可并接 160 个离子感烟探测器,28 个控制输出适配器,15 个重复显示屏。当一个控制器单独使用时可组成一个中、小规模的火灾报警控制系统。当多个控制器联网使用时,可组成一个现场总线型分布式火灾报警控制系统,系统组成如图 2 所示。图中的集中机和区域机就是上述的控制器。该控制器使集中机与区域机完全通用,其功能由控制器主板上的拨码开关来决定,拨码开关为

10、 0 时选择集中机功能,为非 0 时选择区域机功能。一个总线系统最多可挂接 64 个控制器,其中1 个为集中机,其余 63 个为区域机,因此,整个系统最多可接探测器达 10 240 个,适配器达 1 792 个,重显屏达960 个。集中机和每个区域机都是一个独立的基本报警控制单元(即监控站),其功能与单独使用时的情况完全一样。集中机与区域机之间,区域机与区域机之间都可依靠现场总线直接通信。报警时,集中机处理报警信息的原则是,根据事先存入本地站逻辑库中的输入输出关系,决定需要启动的有关消防设备,若该设备是本地站管辖的,就直接启动,若是异地站管辖的,就立即呼叫某异地站启动,实现交互控制;区域机除按

11、上述原则处理报警信息外,还要呼叫集中机,将报警信息传送给集中机,由集中机再按上述原则处理,集中机还可对整个系统的警情进行存档、统计与综合分析,以备查考。故障时,集中机不作呼叫,而区域机则要呼叫集中机,将本地站故障的探测器或消防设备的编号传送给集中机。正常时,集中机可通过键盘接收手动命令而转入呼叫,以便对系统配置进行自检。4 现场编程的实现要使火灾报警控制系统适合于千家万户的不同要求,现场编程是必不可少的。本系统为现场编程提供了良好的人机界面,主要完成以下 2 个任务:(1)房号编程:每个探测器依靠其上的拨码开关被设置一个逻辑编号,所谓房号编程就是将探测器的逻辑编号与物理房号对应起来。本系统利用

12、/向上0与/向下0键在数码显示器上滚动显示探测器的逻辑编号,在逻辑编号的下面输入相应的物理房号就完成了房号编程。图 2 系统组成(2)联动编程:就整个系统来说,火警与联动是一个多输入多输出的线性组合逻辑关系,经过适当的逻辑分解与整和,可将其等效为两种最基本的逻辑原型,即多输入单输出的与/或逻辑关系。根据火灾报警控制系统的特点,本系统为基本逻辑原型设计了 3 种简单的机器语言语句,如图 3 所示。图 3(a)、(b)是一般与/或逻辑关系的机器语言表示,这两条语句都是可变长度的,第 1 个数据8100/8200 表示与/或逻辑功能,第 2 个数据是与联动设备关连的适配器编号,表示逻辑输出,从第 3

13、 个数据开始设置探测器编号,表示逻辑输入,最后一个数据 8800 表示语句结束。在火灾报警控制系统中一个联动设备常常需要由许多编号连在一起的探测器来驱动,例如某些小系统的联动设备可能只有一个用于声音报警的蜂鸣器,无论那个探测器报警都要启动蜂鸣器,就属于这种情况。针对这种情况,为了简化编程输入,本系统设计了 1 条索引逻辑语句,如图 3(c)所示,他是固定长度的,由 6 个数据组成,第1 个数据 8300 表示索引逻辑功能,第 2 和第 6 个数据,与上述一样,分别表示逻辑输出和语句结束,第 3 个数据探测器有效数表示使联动设备动作所必须的报警探测器最少数,第 4 和第 5 个数据表示探测器的最

14、小和最大编号。图 3(d)给出了索引逻辑语句的使用例子,该语句表明,编号在 1 160 之间的探测器只要有 1 个报警,就可向 3 号适配器发出联动信号。使用者根据系统对联动的具体要求,应用上述 3 条语句,事先编写好机器语言程序,程序以数据 8000 作为结束标志,最后在控制器面板上将机器语言程序一个数据接一个数据的连续输入,即可完成联动编程任务。5 通迅网络的设计5.1 硬件设计图 2 中,SYNC 表示同步控制线,GND 表示地线,都是 1 根线,DATA 表示数据总线,由 2 根线组成,采用双端98自动化技术黄天录等:基于 MCS-51单片机的现场总线型分布式火灾报警控制系统传送。图

15、4 所示为与网络通信有关的外围电路,其中双向双端三态总线驱动电路满足现场总线标准 EIA-485 的接口要求。系统利用 MCS-51 内部的串行接口进行异步串行半双工通信。网络通信采用同步计数顺序争用多址接入技术 4,其基本原理是,在包括集中机与所有区域机在内的每个控制器中选择 T0 作为同步计数器,当 MCS-51选用 12 MHz 晶振时,输入给 T0 的基准时钟信号频率为2 MHz,在 SYNC线的控制下进行同步计数,当 SYNC 线为高电平时,门电路允许时钟信号通过,使 T0 计数,当SYNC线为低电平时,门电路禁止时钟信号通过,使 T0 暂停计数。根据同步计数器的数值把时间分割为 6

16、4 个间隔相等的时间片,各时 间片所对应的数值范围为 000003FFH,0400 07FFH,FC00 FFFFH,每个控制器分配一个时间片,规定每个控制器只能在所分配的时间片内去扑获通信控制权,这样就可避免数据碰撞现象发生。通信控制权随同步计数器数值而转移的过程如图 5 所示。图 3 基本逻辑原型机器语言表示图 4 通信网络外围电路图 5 通信控制权转移过程5.2 软件设计(1)初始化程序5系统选择串行通信波特率为 2 400,发送与接收均采用中断方式。串行口初始化 包括对串行口控制寄存器 SCON,电源控制寄存器 PCON 的编程设定。具体编程如下:MOV SCON,#70H;选择方式

17、1,允许接收,只有收到有效的停止位才激活 RIMOV PCON,#1;波特率=(定时器 T1 的溢出率/16)定时器 初始 化 包 括对定 时器 方式 控制 寄 存器TMOD、定时器控制寄存器 T CON 的编程设定并将初值写入寄存器 TH1,TL1,TH0,TL0。设定 T1 为串行通讯波特率发生器,T0 为定时器。具体编程如下:MOV T MOD,#21H;T0 选择方式 1,T 1选择方式 2MOV T H1,#1AH;初值为 185MOV T L1,#1AH;MOV T CON,#54H;启动 T 0与 T1,且选择外部中断 1 为边沿触发式T1 的溢出率=12 106(晶振频率)/1

18、2/(256-230)=38 462,由此可求得本系统的波特率为 2 400。中断系统初始化 包括对中断控制寄存器 IE、中断优先级寄存器 IP 的编程设定。具体编程如下:MOV IE,#96H;允许外部中断 1、串口、T0 中断MOV IP,#04H;设置外部中断 1为高优先级,其余为低优先级(2)通信程序通信程序不仅对系统进行数据传输是必要的,而且对于同步计数器的同步控制也是必不可少的。火灾报警控制系统的数据传输是属于突发性质的,大部分情况下,通信网络处于空闲状态。突发的通信业务分为 4 种情况:自检通信,故障通信,报警通信,联动通信。为了便于程序设计和实现对同步计数器的同步控制,对所有的

19、通信业务系统统一采用了图 6 所示的帧格式,不同的通信业务由数据段的任务码来区分。按照图 6 所示帧格式进行通信,通信程序的设计与一般串行通信程序的设计几无差别,所不同的只是增加了对同步计数器的同步控制 4。下面先就同步计数器的控制策略作以简要说明。图 6 通信帧格式同步计数器 T0 计数到零产生中断请求,建立了入网标志的控制器,如果需要发送信息,首先实施计数暂停策略,使 SYNC 线变低,封锁时钟信号,然后等到当前通信过程结束之后,启动新的通信过程。获得通信控制权的控制器按照图 6 所示帧格式向数据总线发送数据,在发送完主叫地址之后,实施计数开放策略,使 SYNC 线变高,计数重新开始。各控

20、制器在收到通信请求标志与被叫地址之后,实施计数对准策略,为 T0 设置一与被叫控制器的时间片相对应的新的初值,这样就消除了由传输延迟、中断响应与其他分布参数引起的积累偏差。由于 MCS-51 内部定时计数器是加法计数器,所以,实际置入 T0 的新的计数初99 现代电子技术 2006 年第 23 期总第 238 期 6测试#测量#自动化4值 Im是按照下式计算出来的:Im=216(m-n)$l-3$l/4 mod 216 式中 n 为被叫控制器编号,m 为本控制器编号,$l 为时间片长度。对被叫控制器来说,因为 m 等于 n,代入上式,可得:Im=216-3$l/4 以图 4 所示时间片为例,设

21、 2 号区域机为被叫,按照上式计算出来的集中机与各区域机的新的计数初值依次为:0500H,0100H,FD00H,F900H,F500H,0B00H。由于初值不同,计数重新开放之后,各控制器同步计数器将依次在不同时刻产生中断请求,其间隔等于时间片长度,从而实现了对通信总线的无冲突争用。由上述计算公式可知,如果本控制器为被叫,同步计数器总是最早到达计数终点,所用时间仅为 01 384 ms,远远小于串行通信的一个字节周期(波特率为 2 400 时,字节周期约为4117 Lm),在当前通信过程结束之后,被叫对访问可立即作出响应,由此可见,这种基于同步计数的顺序争用多址接入技术,既实现了信道资源的无

22、冲突争用,又实现了信息交互的随问随答。除过与同步计数器的控制策略有关的程序段而外,通信程序的其余部分与一般的串行通信程序无本质区别。集中机与区域机的通信程序都采用中断方式,要发送的数据事先按照图 6 所示帧格式存入发送缓冲区,串行发送中断服务程序从缓冲区取数发送,串行接收中断服务程序根据接收的数据作出相应的处理。基于同步计数的顺序争用多址接入技术对串行发送中断服务程序与串行接收中断服务程序是完全透明的。6 结 语本文介绍的基于 MCS-51 单片机的现场总线型分布式火灾报警控制系统,创造性地用机器语言表示最基本的逻辑原型,为联动编程提供了良好的人机界面;在网络通信中又采用同步计数顺序争用多址接

23、入技术,使集中机摆脱了对区域机的巡访,集中机与区域机完全通用,既提高了设备的利用率,又提高了模块化和标准化水平,系统呈现出高度灵活的软结构模式,因此具有性能价格比高、控制能力强、便于网络集成、易于扩充和维护等特点,可适应于各种目标的火灾监视与消防控制,其中的总线传输技术与通讯软件也可用于其他工业测控系统。参 考 文 献1 林生.计算机通信网原理 M.西安:西安电子科技大学出版社,1991.2 胡劲松,吴捷.智能仪表与微型机的新型通信接口 J.测控技术,1997(4):20-22.3 阳宪惠.现场总线技术及其应用 M.北京:清华大学出版社,1999.4 张专成,李广林,邹涛.用于总线通信网的同步

24、计数顺序争用多址接入技术J.计算机系统应用,1998(5):16-17.5 何立民.单片机应用系统设计 M.北京:北京航空航天大学出版社,1990.作者简介 黄天录 男,1964年出生,陕西凤翔人,本科。从事电子技术和计算机教学与研究。(上接第 96 页)图 3 控制单元流程图6 结 语此次的防尾随控制设计具有及时快速的特点,特别是采用数字信号处理器作为主控芯片,大大提高了整个系统的性能,能够在第一时间检测出是否有尾随现象,并能够自动报警,达到了设计的要求,对特殊的场所必须的门禁系统的高标准安全性就得到了保证。参 考 文 献 1 北京数码人科技有限公司.门禁系统在防尾随门中的应用 J.安防工程,2004(7):106-107.2 江思敏.TMS320LF240X DSP 硬件开发教程 M.北京:机械工业出版社,2003.3Texas Instruments Incorporated.TM S320LF/LC24 系 列DSP 的 CPU 与外设 M.北京:清华大学出版社,2004.作者简介 郭晓星 女,1977年出生,河南洛阳人,河南科技大学电子信息工程学院硕士研究生。主要研究方向为楼宇自动化。刘兆魁 男,河南科技大学教授。研究方向为楼宇自动化,系统与数字化技术,计算机控制。100自动化技术黄天录等:基于 MCS-51单片机的现场总线型分布式火灾报警控制系统