基于CAN總線的電氣火災報警系統設計方案

一、引言

火災是目前最常見、最普遍的威脅公共場所安全和建設和諧社會的重要災害之一。傳統的火災報警系統往往只對單一物理或化學信號進行探測，容易出現誤報或漏報，因此設計一種新型的火災報警系統顯得尤為重要。CAN（Controller Area Network，控制器局域網）總線作為一種應用廣泛的現場總線技術，具有數據通信可靠、實時性強、靈活性高等優點，非常適合應用于火災報警系統。本文提出了一種基于CAN總線的電氣火災報警系統設計方案，旨在提高火災報警的準確性和可靠性。

二、系統總體設計

2.1 系統組成

基于CAN總線的電氣火災報警系統主要由電氣火災監控設備和電氣火災探測器兩部分組成。每個電氣火災探測器至少可帶一路漏電流互感器、一個斷路器和一路溫度傳感器。輸電線路經過斷路器和漏電流互感器接到用戶負載。探測器通過互感器檢測一組用戶線路的漏電流，通過溫度傳感器檢測線纜溫度。探測器和監控設備之間通過CAN總線通信。

2.2 系統功能

1. 漏電流和溫度檢測：探測器通過互感器檢測漏電流，通過溫度傳感器檢測線纜溫度，并將采集到的數據通過CAN總線發送給監控設備。

2. 報警信號處理：一旦檢測到報警信號，探測器會再次復核，若還能檢測到報警信號，探測器會控制斷路器迅速切斷電路，同時發出聲光報警，并把報警信息發送給監控設備。

3. 監控設備顯示和報警：監控設備通過液晶屏實時顯示各監控線路的運行狀態，如果接收到報警信息，則顯示報警所在節點的位置、報警類型、報警值和設定值等，同時發出聲光報警信號。

4. 遠程設置和操作：監控設備可遠程設置各探測器的漏電流和溫度報警值，指定探測器的斷路器脫扣以切斷用戶線路，并對探測器進行遠程復位、消音等操作。

三、硬件設計

3.1 探測器硬件設計

3.1.1 主控制芯片

探測器的主控制芯片選用Microchip公司的PIC系列單片機PIC24H64GP506。該芯片是一款高性能16位單片機，采用改進型哈佛結構，具有以下特點：

• 高性能：有53個通用I/O口、64K的程序存儲區、8通道硬件DMA、集成PLL可實現擴頻。

• CAN通信：帶一個增強型的ECAN模塊，在報文接收和發送時采用DMA的FIFO模式，提高了代碼的執行效率。

3.1.2 溫度檢測電路

溫度檢測電路比較簡單，只需一根數據線接到單片機的I/O口，數據線通過4.7K電阻上拉。溫度傳感器采用DS18B20，具有結構簡單、可靠性高等優點。

3.1.3 剩余電流測量電路

剩余電流測量采用的是穿心式電流互感器。在三相四線制線路中，正常情況下是沒有剩余電流的，流過A相、B相和C相的電流應和流過N相的相等，即矢量和為零。如果發生漏電，則矢量和不為零，二級繞組上就有感應電流，該電流經過負荷后就會產生感應電壓。這個電壓經過調理電路整形放大，再經過單片機A/D采樣處理后就能得到準確的剩余電流值。

3.1.4 CAN通信電路

CAN通信電路必須具備較強的抗干擾能力，如雷擊、強電場、電磁輻射的干擾。本設計使用了兩個高速光耦6N137，分別加在了電路的CAN發送和接收端口，用于把總線和電路隔離開來，這樣總線的干擾就不會影響電路運行。同時在光耦兩邊用不同的獨立電源供電，實現了真正意義上的電氣隔離。CAN收發器采用TJAl050，完全符合ISO11898標準，最高速度1Mbps，電磁輻射EME非常低，差動接收器具有較寬的共模范圍，可抗電磁干擾（EMI）。

3.2 監控設備硬件設計

3.2.1 主控制芯片

監控設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，基于AVR RISC結構，具有以下特點：

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

• 資源豐富：有53個通用I/O口，程序存儲器大小為128KB，同時帶4k容量的內部EEPROM。

• CAN通信：內置CAN控制器，支持ITAG在線仿真技術，給軟件開發帶來了極大的方便。

3.2.2 顯示電路

為了達到良好的人機交互界面效果，監控設備采用了320×240點陣的液晶模塊。該模塊為藍底白字，帶中文字庫，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個鍵，實際用到24個，功能包括0~9數字輸入、上下左右4個方向鍵、確定、取消、自檢、消音、復位和5個功能鍵。鍵盤的列分別連接單片機的5個外部中斷口，鍵盤的行與單片機的5個普通I/O口相連。

四、軟件設計

4.1 探測器軟件設計

探測器的軟件設計主要包括初始化、數據采集、報警處理和CAN通信等部分。

4.1.1 初始化

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

4.1.2 數據采集

為了保證采樣的實時性，漏電流的采集采用了定時采樣。溫度數據的采集則通過DS18B20傳感器進行。

4.1.3 報警處理

一旦檢測到報警信號，探測器會再次復核，若還能檢測到報警信號，探測器會控制斷路器迅速切斷電路，同時發出聲光報警，并把報警信息打包成CAN數據包發送到CAN總線上。

4.1.4 CAN通信

CAN通信程序包括CAN節點初始化、接收數據、發送數據和總線異常處理等部分。CAN節點的初始化主要包括工作方式的設置、接收濾波方式的設置、波特率參數設置和中斷允許寄存器的設置等。

4.2 監控設備軟件設計

監控設備的軟件設計主要包括初始化、CAN通信、數據處理和報警顯示等部分。

4.2.1 初始化

初始化程序包括單片機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

監控設備通過CAN總線接收探測器發送的數據包，并進行解析和處理。

4.2.3 數據處理

監控設備對接收到的數據進行處理，判斷是否有報警信號。如果有報警信號，則根據報警類型、報警值和設定值等信息進行報警處理。

4.2.4 報警顯示

一旦檢測到報警信號，監控設備會通過液晶屏顯示報警節點的具體信息，如節點地址、報警類型和報警值等，同時發出聲光報警信號。

五、主控芯片型號及作用

5.1 探測器主控芯片PIC24H64GP506

PIC24H64GP506是Microchip公司推出的一款高性能16位單片機，采用改進型哈佛結構。在基于CAN總線的電氣火災報警系統中，PIC24H64GP506的主要作用包括：

• 數據采集：通過A/D轉換模塊采集溫度和漏電流數據。

• 數據處理：對采集到的數據進行處理，判斷是否有報警信號。

• CAN通信：通過內置的ECAN模塊實現與監控設備之間的CAN總線通信。

• 控制功能：控制斷路器的脫扣功能，實現電路的切斷。

5.2 監控設備主控芯片AT90CANl28

AT90CANl28是Atmel公司推出的一款高性能8位AVR單片機，基于AVR RISC結構。在基于CAN總線的電氣火災報警系統中，AT90CANl28的主要作用包括：

• CAN通信：通過內置的CAN控制器實現與探測器之間的CAN總線通信。

• 數據處理：對接收到的數據進行處理，判斷是否有報警信號，并進行報警處理。

• 顯示功能：通過液晶屏顯示報警節點的具體信息，如節點地址、報警類型和報警值等。

• 鍵盤輸入：通過鍵盤接收用戶的輸入，實現遠程設置和操作功能。

六、結論

基于CAN總線的電氣火災報警系統采用分布式結構，通過CAN總線將各個探測器與監控設備連接起來，實現了對電氣火災的實時監測和報警。該系統具有反應迅速、工作穩定、安全可靠等優點，能夠有效地減少火災的發生，保護人們的生命財產安全。通過選用高性能的主控芯片PIC24H64GP506和AT90CANl28，實現了數據采集、處理和CAN通信等功能，為系統的穩定運行提供了有力保障。