基于USB-CAN轉(zhuǎn)接口和CAN總線實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警分散式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

如何有效地預(yù)防火災(zāi)事故一直是全社會(huì)關(guān)注的問(wèn)題。近年來(lái)，全國(guó)居民用電設(shè)備逐年增加，由此引發(fā)的火災(zāi)事故有不斷上長(zhǎng)的趨勢(shì)。據(jù)公安部調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2009-01-09，全國(guó)共發(fā)生火災(zāi)106 191起（不含森林、草原、軍隊(duì)、礦井地下部分火災(zāi)），死亡831人，受傷509人，直接財(cái)產(chǎn)損失10．6億元。其中，電氣引發(fā)火災(zāi)31731起，造成死亡265人，受傷114人，損失41514．6萬(wàn)元，分別占總數(shù)的29．9％，31．9％，22．4％和39．1％；居各類火災(zāi)事故之首。這類火災(zāi)事故不僅僅造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，還有可能引發(fā)火災(zāi)發(fā)生地及附近區(qū)域電力系統(tǒng)的大面積癱瘓，給社會(huì)生產(chǎn)和人們的生活帶來(lái)極大的不便。

火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)在早期預(yù)測(cè)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)與報(bào)警以及消防聯(lián)動(dòng)等方面都起著重要的作用，早期的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)存在線路繁雜、檢修不便、有效范圍小、實(shí)時(shí)性低、誤報(bào)與漏報(bào)率高等諸多缺陷。本文提出的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)充分發(fā)揮CAN總線與SoPC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，有效克服了上述缺點(diǎn)，能對(duì)智能樓宇小區(qū)、賓館、醫(yī)院、娛樂(lè)場(chǎng)所等人員密集的區(qū)域的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)生的趨勢(shì)，將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)送至監(jiān)控室，以便及時(shí)提醒值班人員采取有效措施防止火災(zāi)事故的發(fā)生。

1、 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)

1．1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的工作原理

電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)一般是通過(guò)多種傳感器采集電流、電壓、溫度相關(guān)數(shù)據(jù)，送至監(jiān)控智能節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行分析處理，通過(guò)數(shù)據(jù)異常變化的趨勢(shì)預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)生的機(jī)率。同時(shí)，將這種預(yù)測(cè)結(jié)果在主監(jiān)控室的上位機(jī)中顯示出來(lái)，以便讓值班人員圾時(shí)了解火災(zāi)發(fā)生的可能性，采取有效措施制止火災(zāi)事故的發(fā)生，如果無(wú)法控制險(xiǎn)情，則及時(shí)向特定區(qū)域發(fā)出警報(bào)信號(hào)，有序組織相關(guān)人員撤離以避免人員傷亡。并且，火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)還應(yīng)該具有在火災(zāi)事故發(fā)生后正確啟動(dòng)消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)和保護(hù)周邊區(qū)域電力系統(tǒng)不受事故影響、保持正常工作的功能。

火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵有2個(gè)，一是要實(shí)現(xiàn)大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)要保證監(jiān)控地點(diǎn)的設(shè)備與值班室上位機(jī)之間快速、可靠的通信，及時(shí)讓值班人員了解信息，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，另外，CAN網(wǎng)絡(luò)的有效節(jié)點(diǎn)高達(dá)110個(gè)，能很好地保證CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的有效覆蓋范圍。CAN總線具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，目前已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；二是對(duì)于火災(zāi)趨勢(shì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性，盡可能的減少因誤報(bào)和漏報(bào)而帶來(lái)的人員恐慌。

1．2 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為分散式控制系統(tǒng)，采用三級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)，USB-CAN轉(zhuǎn)接口和CAN總線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)3個(gè)部分組成。其中，上位機(jī)的主要作用是讓值班人員通過(guò)上位機(jī)了解目前系統(tǒng)的監(jiān)控情況，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制；USB-CAN轉(zhuǎn)接口負(fù)責(zé)上位機(jī)與CAN網(wǎng)絡(luò)的連接；CAN總線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)用于完成數(shù)據(jù)采集和部分?jǐn)?shù)據(jù)分析功能，CAN網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)上位機(jī)與CAN總線節(jié)點(diǎn)間信息的傳遞。CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有效節(jié)點(diǎn)可達(dá)110個(gè)，并且還可以通過(guò)中繼進(jìn)行擴(kuò)展，有效保證了系統(tǒng)的監(jiān)控范圍。系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

2．1 硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題有2個(gè)，一是監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集與信息處理；二是CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的對(duì)象為電力低壓線路，主要監(jiān)測(cè)電流、電壓、溫度和漏電流等參數(shù)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括FPGA、互感器及信號(hào)調(diào)理電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)電路、顯示電路、語(yǔ)音報(bào)警電路、CAN總線控制器及其收發(fā)模塊、鍵盤接口和脫扣裝置與保護(hù)電路等模塊，其中FPGA選用Altera公司生產(chǎn)的EPC28Q208C8N芯片，主要作用為負(fù)責(zé)各參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和分析相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行火災(zāi)預(yù)測(cè)；存儲(chǔ)電路用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)結(jié)果和相關(guān)參數(shù)；互感器及信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊用于采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并在液晶顯示模塊中顯示出來(lái)；CAN總線控制器及其收發(fā)模塊模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)間的通信；語(yǔ)音報(bào)警模塊

用于報(bào)警并通知人員撤離；鍵盤電路用于設(shè)置參數(shù)和查詢；脫扣裝置與保護(hù)電路則是在線路出現(xiàn)嚴(yán)重故障情況下隔離火災(zāi)地點(diǎn)與周圍區(qū)域的電力線路，保證其他用電設(shè)備不受其影響，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在本系統(tǒng)中，采集的各參數(shù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度和實(shí)時(shí)性將會(huì)對(duì)火災(zāi)預(yù)測(cè)和判斷產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至產(chǎn)生誤報(bào)、漏報(bào)，因此互感器及信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)和選擇甚為關(guān)鍵，這里選用高速的A／D轉(zhuǎn)換電路TLC2543，可滿足對(duì)電流、電壓和漏電流等參數(shù)的采集要求，其與SoPC的連接電路如圖3所示。

傳統(tǒng)的CAN總線節(jié)點(diǎn)之間通信的控制方式有2種，一種是利用單片機(jī)控制獨(dú)立的CAN總線控制器；另一種是用帶有CAN總線控制器的單片機(jī)進(jìn)行控制。這2種方式都存在線路復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高以及無(wú)法實(shí)時(shí)處理大理數(shù)據(jù)信息的弱點(diǎn)。本系統(tǒng)采用SoPC技術(shù)對(duì)CAN總線通信進(jìn)行控制，可編程片上系統(tǒng)（System on a Programmable Chip，SoPC）技術(shù)是由Altera公司提出的一種靈活、高效的片上系統(tǒng)（Systemon a Chip，SOC）解決方案，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)中用嵌入式軟核NiosⅡ作為控制器，以MieroChip公司的MCP2515作為CAN總線控制器。

以往的CAN總線收發(fā)器，通常采用2個(gè)高速光耦（如6N137），以實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電源上的DC—DC隔離，從而提高CAN總線通信的抗干擾性，另外還需要對(duì)阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)、匹配才能搭出合理的電路，本系統(tǒng)采用廣州周立功公司的CTM1050T。模塊作為CAN總線收發(fā)裝置。它是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離與收發(fā)器件，能直接與CAN總線控制器的TXD，RXD引腳相連，具體電路連接如圖4所示。

系統(tǒng)采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大的好處在于降低了系統(tǒng)線路的復(fù)雜程度，同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并在一定程度上降低了功耗和生產(chǎn)成本。

2．2 軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)方面，一是系統(tǒng)對(duì)于電氣火災(zāi)的預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)的算法實(shí)現(xiàn)；二是上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)和下位機(jī)功能軟件的實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要是為了解決傳統(tǒng)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中的誤報(bào)、漏報(bào)率高的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，火災(zāi)探測(cè)器一段時(shí)間內(nèi)的各采集的量值相互獨(dú)立，呈一種相關(guān)隨機(jī)分布，火災(zāi)探測(cè)信號(hào)是非平移隨機(jī)過(guò)程，因此本文對(duì)探測(cè)器的量測(cè)判斷提出一種新的決策方法，即模式分類判別方法，火災(zāi)探測(cè)器在臨界點(diǎn)附近的傳感器的量值判斷，對(duì)應(yīng)著實(shí)際情況就是2類分類的問(wèn)題，第一類是線路一般故障，不會(huì)引發(fā)火災(zāi)；第二類是線路存在嚴(yán)重故障，有發(fā)生火災(zāi)的可能性，一般在臨界點(diǎn)（閾值）范圍的傳感器在實(shí)際情況中會(huì)出現(xiàn)幾種情況：正常，報(bào)警，但是在這一臨界點(diǎn)上，出現(xiàn)這各種情況卻是一種隨機(jī)分布，也就是說(shuō)在臨界點(diǎn)上是一種概率分布，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的值到了一定的范圍（一般取臨界點(diǎn)的一個(gè)范圍）內(nèi)，為了減少漏報(bào)和誤報(bào)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用貝葉斯決策進(jìn)行情況分類，于是問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)特定模式的決策分類問(wèn)題。

上位機(jī)軟件主要是顯示目前系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和預(yù)測(cè)結(jié)果，下位機(jī)SoPC系統(tǒng)功能軟件中與CAN總線通信部分的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中較為關(guān)鍵的部分，SoPC系統(tǒng)中采用NiosⅡ?yàn)?a target="_blank">處理器，通過(guò)Avalon總線與定制的SPI核在FPGA芯片EP2C8Q208C8N中進(jìn)行系統(tǒng)集成，這一過(guò)程可以通過(guò)QuartusⅡ軟件中的SoPC Builder工具完成，然后通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境NiosⅡIDE對(duì)定制的SPI的IP核進(jìn)行訪問(wèn)與操作，待仿真驗(yàn)證無(wú)誤后，利用ISP電纜線將程序燒寫至SoPC系統(tǒng)的配置芯片中，使CAN總線節(jié)點(diǎn)正常工作，上、下位機(jī)程序流程圖如圖5，圖6所示。

CAN總線的通信通過(guò)SoPC中定制的SPI核進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，其SPI接口的部分控制程序如下：

3、 結(jié)語(yǔ)

文中介紹的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)用了當(dāng)今電子通信和自動(dòng)化領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，使用了SoPC嵌入式處理系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，符合我國(guó)大型建筑的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的要求，并且該系統(tǒng)克服了以往火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的諸多缺點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高以及誤報(bào)、漏報(bào)率低的特點(diǎn)。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和通訊技術(shù)的逐步發(fā)展，以及電子工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)成本的進(jìn)一步降低，該系統(tǒng)在樓宇自動(dòng)化、消防以及監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

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