二总线火灾报警系统编码与通信的实现

马芮，武一，花中秋，奉轲

（1.河北工业大学电子信息工程学院，天津300401；2.河北工业大学电子材料与器件天津市重点实验室，天津300401）

二总线火灾报警系统编码与通信的实现

马芮1，2，武一1，2，花中秋1，2，奉轲1，2

（1.河北工业大学电子信息工程学院，天津300401；2.河北工业大学电子材料与器件天津市重点实验室，天津300401）

依据二总线技术的工作原理，设计了火灾探测器的信号检测电路，将控制器和探测器双方需要传递的信息加载在总线电压和电流上.采用数字脉冲计数的方法，实现控制器对探测器的寻址与识别，并结合总线电压的变化向探测器发送编址指令，实现控制器对探测器的编码.通过探测器对返回总线电流的控制和通信时序的设计，实现了复合型火灾探测2种火灾参量信号的回传.

火灾报警；二总线；编码；通信

0 引言

火灾，是危害人类和社会最常见的灾害之一，其难以预料的性质不仅对社会安全造成了极大的威胁，无法挽回的损失更制约了经济的稳定发展.随着人们对火灾报警系统研究的深入，二总线技术以其结构简单、分工明确、无极性易接入等优点广泛用于火灾探测器和报警控制器之间[1].复合型火灾探测集合了至少2种火灾参量的探测原理于同一个探测器，有效地弥补了单一型火灾探测由于原理限制出现的误报、漏报的缺陷，也逐渐成为智能型火灾报警的应用趋势[2].

文献[3-4]采用数据帧的方式完成二总线系统的编码与通信，使得总线电流始终处于阶跃变化中，可能出现信号识别混乱从而导致系统崩溃[5]，还会缩短二总线的工作寿命.结合二总线技术的工作原理和复合型火灾探测的特点，通过对探测器信号检测电路的设计，把总线上的电压和电流变换为微处理器可识别的信号，控制电路的多态输出并结合时序设计和软件编程完成编码寻址、故障排查和火灾报警等信息的检测，每个状态信号的回传只改变一次总线电流，实现了基于二总线的复合型火灾报警系统的编码与通信.

1 二总线火灾报警系统结构

二总线火灾报警系统由报警控制器和火灾探测器组成，如图1所示，控制器通过2根总线与多个探测器相连，并通过地址编码技术为探测器编号使其具有唯一可识别地址[6].总线A是共用地线，总线B是电源/通信复用线[7].二总线可为现场设备供电，并联在总线上的探测器无需外接电源[8].总线B空闲时作电源线，两根总线之间的电压为24 V，探测器由控制器供电并为其内部储能电容充电；总线B作通信线时，两根总线之间的电压为10 V，探测器由内部储能电容放电提供功率，并于该时段向控制器返回当前探测器故障自检信号或火灾参量探测信号[9].

二总线火灾报警系统的工作过程，首先由作为主机节点的控制器采用总线电压的形式向探测器发起通信，如二总线设备的编码或寻址；作为从机节点的探测器根据控制器发来的指令执行相应的工作，并采用总线电流的形式向控制器回传检测信号，即探测器故障情况或火灾探测情况[10].

图1 二总线火灾报警系统结构图Fig.1 The structure of two-bus fire alarm system

2 信号检测电路设计

结合二总线技术通过总线电压和电流进行通信的特点，为探测器设计如图2所示的信号检测电路.通过对电路中“门”的控制，即二极管和三极管的状态切换，使电路实现多态输出，表示多种不同的通信信号[11].L+接在探测器的总线接口上，图2a）是依据二总线系统控制器采用电压形式向探测器发起通信的工作原理，把总线上的脉动电压信号变换成可供微处理器识别的数字脉冲信号的电路；图2b）是依据二总线系统探测器采用电流形式向控制器回传信号的工作原理，通过微处理器对S0、S1的电平控制改变返回总线上电流的电路.

图2 探测器信号检测电路Fig.2 The signal detection circuit of fire detector

二总线火灾报警系统依靠2根总线间24 V和10 V两种电压的不断交替，实现控制器和探测器之间的断续供电及信号通信，因此接在总线接口上的L+会形成规律的脉动电压信号，该信号影响着电路中二极管和三极管的状态，具体情况如表1所示.经电源稳压后，V+电压为17 V左右，Vcc为5 V.若总线上始终处于24 V和10 V的交替变化，CLK处会伴随着L+规律的脉动电压信号产生稳定的数字脉冲信号，LD处始终为低电平；若两根总线间电压出现0 V且S0或S1为高时，LD处变为高电平.总线上的脉动电压信号通过电路转换后，在CLK处形成的数字脉冲信号及LD处的高低电平都可被微处理器检测和识别，从而获取到控制器通过总线电压发送的指令信息.

如图2b），S0、S1接在微处理器的I/O端口，控制I/O口的高低电平会改变探测器回传到总线上的电流大小.当S0、S1均为低电平时，回传到总线上的电流为0 mA；当S0为高电平、S1为低电平时，回传到总线上的电流为6 mA；当S0、S1均为高电平时，回传到总线上的电流为18 mA.由于这3种电流值存在明显差异，可直接用于多种状态的表示.在实际的工程应用中，若探测器出现开路故障，二总线上不会检测到电流.因此，定义0 mA表示探测器开路，6 mA表示环境正常，18 mA表示火灾报警或编码完成，报警系统的火灾探测和故障自检同时进行.控制器将总线上返回的电流值转换为电压信号送到A/D转换器，为消除总线电流波动造成的误差，控制器在信号分析时避免定值比较的限制，选取可波动的范围与A/D转换的结果进行比较，判断该信号所代表的信息.

表1 “门”的变化及特征点的电平检测Tab.1 Change of the gates and level detection of the feature points

3 编码与通信方法设计

二总线火灾报警控制器与复合型火灾探测器之间的通信包括2部分，一部分是探测器的编码通信，另一部分是火灾探测和故障自检通信.作为主机设备的控制器具有向作为从机设备的探测器发起通信的功能，当控制器向探测器发送编码指令后，探测器进入编码通信等待地址的接收，并于存储成功后向控制器返回应答.为保证探测器地址的唯一性，编码通信只能对一个探测器独立进行.当控制器向探测器发送探测/自检指令后，若探测器出现开路故障则向控制器返回开路信号，反之探测器对当前环境的火灾情况进行探测，并向控制器返回2种火灾参量的探测结果.总线上并联的所有探测器同时进行探测和自检工作，采用巡检的方式在一个循环周期内遍历接收所有探测器返回的信号.

在每个循环周期开始时给总线提供一段24 V供电电压，用于控制器和探测器之间程序和信号的同步处理.为使探测器能够区分控制器发送的是编码指令还是探测/自检指令，利用该段同步电压的长度表示区分指令，即探测器通过对信号检测电路中CLK处形成的低电平长度的识别确认本轮通信内容.如图3所示，若时序头长度为225 ms，探测器暂停火灾探测，等待接收控制器发送编码地址；若时序头长度为175 ms，探测器开始执行火灾探测和故障自检.

当控制器对单个探测器进行编码时，把编码地址n赋给电压信号，即在第n个电压脉动方波控制总线电压骤降为0 V.如图3a）所示，一个脉动方波由8 ms的24 V和4 ms的10 V组成，探测器对CLK处形成的数字脉冲信号进行检测并计数，同时启动LD处的电平检测.总线电压从24 V拉低至0 V并持续2 ms，探测器检测到LD电平为高，停止对CLK处的脉冲计数，并将此时的脉冲个数n记为本次编码的地址存入探测器存储中，控制I/O端口改变S0、S1的电平向总线返回18 mA电流表示编码地址接收成功.

图3 二总线复合火灾探测器编码与通信时序图Fig.3 The time sequence of coding and communication for two-bus compound fire detector

当控制器向总线上的所有探测器发送探测/自检指令后，探测器启动2种传感器对当前火灾情况的探测，并在微处理器中对转换后的电信号进行分析，再将结果用电流的方式回传到控制器.为保留单一型火灾参量独立报警的功能，实现控制器对2种火灾参量信号的区分，设计使用2个脉冲联合回传一个复合型火灾探测器的信息.如图3b），规定0号脉冲仅供电，从1号脉冲开始计数，当到达的脉冲个数与存储器中的地址n相关时，该探测器向控制器返回信号.第2n-1个脉冲时，n号探测器向控制器传递A类火灾参量探测结果，第2n个脉冲时则传递B类火灾参量探测结果.在探测器非开路的情况下，若仅有一个脉冲检测到返回总线电流为18 mA，则控制器显示A/B单一型火灾预警；若两个脉冲均检测到返回总线电流为18 mA，则即刻覆盖单一型预警显示火灾报警.

4 软件设计及结果分析

MICROCHIP公司生产的PIC系列微控制器因其具有高速度、低功耗、低价位、低工作电压、小体积等优势，广泛用于火灾监控的智能检测中.设计的探测器选用PIC16F716芯片，基于MPLAB X IDE进行软件实验，该集成环境包含了PIC芯片的C语言程序编写环境以及PIC全系列芯片的头文件，同时也包含了PIC程序编译所需要的编译器，可以实现程序编写编译一体化的设计.

探测器软件部分的设计目的是通过对二总线上脉动信号的检测及对开关电路的控制，实现编码地址的接收及探测/自检信号的回传.采用微处理器定时器/计数器中断服务程序来完成这一检测功能，结合信号检测电路和编码与通信时序的设计，整体的软件流程图如图4所示.

图5是控制器和探测器编码与通信时的信号检测图.控制器给探测器编码时，如图5a）为CLK处数字脉冲信号的检测，0号脉冲仅供电，图5b）所示总线电压在第4个脉冲时降为0 V，LD的电平发生相应突变，CLK处会伴随总线电压的交替继续产生数字脉冲，通过程序控制关闭计数器，并将4作为编码地址存入探测器存储中.

图4 探测器软件流程图Fig.4 The flow chart of the detection

给二总线系统挂接10个复合型火灾探测器，控制器发起探测/自检指令时，如图5c）是根据探测器返回总线上的电流转化为电压信号的检测.根据复合型火灾探测的时序设计，0号脉冲仅供电，每个探测器的2种火灾参量信号由2个脉冲分时回传到控制器上，可见除1号、3号、5号和7号外其他探测器呈开路状态.1（2n-1=1，n= 1）号脉冲信号表示报警，2（2n=2，n=2）号脉冲信号表示正常，控制器将1号探测器探测情况显示为A类火灾参量预警；同理3号探测器2个脉冲信号均表示正常；5号探测器2个脉冲信号均表示报警，控制器将该信号显示为复合火灾报警；7号探测器则显示为B类火灾参量预警.

图5 编码计数与报警通信结果检测图Fig.5 The detection of coding counting and alarm communication

5 结论

将二总线技术应用到复合型火灾报警系统中，设计了多态输出的信号检测电路，实现了总线制终端设备可编码的功能，并设计通信时序采用2个脉冲分时回传一个探测器的状态信息，先将2种火灾参量信号分时上传至控制器再分别进行判断，保留了单一型火灾参量独立预警的功能，有助于工作人员在控制器发出预警的时候尽早排查探测区域发生的异状，同时，这种通信方法可扩展应用于3种及以上火灾参量的探测中.此外，系统可对探测器是否发生开路进行自检，并即时向控制器发送故障信号，完善了火灾报警系统的智能性.

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[责任编辑 代俊秋]

Realization of coding and communication for two-bus fire alarm system

MA Rui1，2，WU Yi1，2，HUA Zhongqiu1，2，FENG Ke1，2
（1.School of Electronic and Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Tianjin Key Laboratory of Electronic Materials and Devices,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

Based on the principle of the two-bus technology,the signal detection circuit of the fire detector is designed, and loads the information that the controller and the detector need to transmit on the bus voltage and current.The digital pulse counting is used for the addressing and identification of the detector by the controller.And the addressing command send from the controller was recognized by changing the voltage of bus.The returns of two types of fire parameter signals in compound fire detection are realized through the control of bus current and the design of timing sequence.

fire alarm;two-bus;coding;communication

TP277；TU892

A

1007-2373（2017）03-0018-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.03.004

2016-12-14

河北省自然科学基金（F2016202214）

马芮（1991-），女，硕士研究生.通讯作者：武一（1964-），女，教授.