摘? 要: 介紹一種帶標準報警探頭接口、具有本地和全局聯(lián)動功能的報警控制器。利用這種報警控制器的RS485接口組成的報警控制系統(tǒng)結(jié)構靈活、使用方便。由于采用基于退避算法" title="退避算法">退避算法的CSMA 隨機接入和輪詢" title="輪詢">輪詢相結(jié)合的通訊方式,該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、可靠等特點。
關鍵詞: 本地聯(lián)動? 全局聯(lián)動? 退避算法
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報警系統(tǒng)" title="報警系統(tǒng)">報警系統(tǒng)作為安全防范系統(tǒng)的重要組成部分,其自身在安全性、可靠性、智能化程度以及功能的完善等方面越來越受到人們的關注。
報警系統(tǒng)可分為單機獨立式和聯(lián)網(wǎng)式兩大類。獨立式報警器一般只有現(xiàn)場報警(帶驅(qū)動警笛、頻閃報警燈等外設)和自動撥號等功能,無法通過主控計算機對其進行遠程布防、撤防等控制,也無法實現(xiàn)報警記錄的存儲、報警地點在電子地圖上顯示等功能,常用于家庭和其它對安防要求不高的場合。
聯(lián)網(wǎng)式報警系統(tǒng)由控制中心和帶聯(lián)網(wǎng)功能的報警控制器組成。報警控制器與主控計算機的聯(lián)網(wǎng)方式一般采用電話撥號方式和總線方式,其中總線方式聯(lián)網(wǎng)的報警系統(tǒng)因其具有技術先進、實時性好、控制功能強等特點而得到越來越廣泛的應用。本文介紹的智能化報警控制器就是利用總線聯(lián)網(wǎng)方式,采用CSMA技術和輪詢相結(jié)合實現(xiàn)報警信息的可靠傳送,同時具有報警區(qū)域布防、撤防和本地聯(lián)動等功能,在主控計算機支持下還可以實現(xiàn)全局聯(lián)動功能。與傳統(tǒng)的報警控制器相比,具有更高的可靠性和更強大的功能。
1 系統(tǒng)功能
為了保證報警控制器自身的安全性和安裝方便,本報警控制器設有兩路標準報警輸入接口,可與各種報警探頭(如紅外、煙感、玻璃破碎探頭)相連,能檢測出報警、正常和線路故障三種狀態(tài)。對探測到的信息進行分析處理,執(zhí)行相應的本地聯(lián)動,并直接發(fā)送給主控計算機,便可實現(xiàn)全局聯(lián)動、主控計算機上警情顯示和處理報警信息。同時,能根據(jù)主控計算機的命令實現(xiàn)布防和撤防。另外,本報警控制器還帶有防拆開關接口,當安裝報警控制器的機箱被非法打開時,立即向主控室發(fā)送報警信息。
??? 報警控制器上的兩路繼電器輸出用于觸發(fā)當?shù)貓缶到y(tǒng)(聲光報警設備)或其它緊急設備(如火災報警時打開逃生門)。受主控計算機的控制,可以設置成常開、常閉和開啟若干時間等模式。當本地聯(lián)動被激活時,報警控制器的輸入可以直接控制其繼電器的輸出狀態(tài)。
報警控制器與主控計算機之間采用RS485方式聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)主控計算機的設定,可以工作在等待輪詢或主動呼叫狀態(tài)。在輪詢狀態(tài)下,報警控制器接收到輸入端報警信息后,不主動發(fā)送,而是等待主控計算機輪詢到該控制器時才將狀態(tài)發(fā)送出去。這種方式比較可靠,但實時性略差。而在主動呼叫方式下,一旦收到報警信息,立即向主控計算機發(fā)送,實時性很強,但當系統(tǒng)內(nèi)報警控制器數(shù)量太多,在同一時間內(nèi)兩個控制器同時發(fā)送報警信息時,就有通信堵塞的可能。為此,在設計報警控制器時,通過檢測RS485總線狀態(tài),采用基于退避算法的CSMA(載波監(jiān)聽多點接入技術)隨機接入方式通訊,大大地提高了系統(tǒng)的性能。
2 系統(tǒng)結(jié)構
本報警控制器的控制核心采用89C2051" title="89C2051">89C2051。利用89C2051自帶的比較器和外圍模擬開關" title="模擬開關">模擬開關配合組成報警回路狀態(tài)監(jiān)測電路,利用具有瞬變電壓抑制的RS485收發(fā)器SN75LBC184實現(xiàn)設備間的通信,X25045可編程看門狗EEPROM 芯片用作看門狗和系統(tǒng)參數(shù)存儲,同時提供狀態(tài)可編程的兩路三態(tài)輸入、一路開關量輸入和兩路繼電器輸出。
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
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2.1 看門狗電路
看門狗復位電路選用 Xicor公司的X25045芯片。X25045是一種集看門狗定時器、電壓監(jiān)控和EEPROM為一體的多功能芯片。X25045通過三根總線工作的串行外設接口(SPI)和軟件協(xié)議進行讀寫操作,節(jié)約了單片機的口資源。X25045的存儲器部分是CMOS的4096位串行EEPROM,它在內(nèi)部按512×8來組織。采用了Xicor公司專有的Direct WriteTM晶片,提供最小為100000周期/字節(jié)的使用期限和至少100年的數(shù)據(jù)保存期。
利用X25045的電壓檢測電路,可以保護系統(tǒng)免受低電壓狀況影響而產(chǎn)生誤操作:當電壓低于規(guī)定電壓時,可以使系統(tǒng)保持在復位狀態(tài),直至電壓恢復正常。
X25045的第三腳
是寫保護引腳,當其為低電平時,禁止對其內(nèi)部EEPROM寫數(shù)據(jù)；高電平時,允許寫操作。本控制器利用X25045來保存系統(tǒng)的所有參數(shù),利用X25045的
寫保護引腳,將系統(tǒng)分為編程模式和工作模式?？刂破魃想姇r首先判斷工作在什么模式。在工作模式下,直接調(diào)用X25045中保存的參數(shù)運行,而在編程模式下才可以修改模塊的地址和通信參數(shù),從而提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。
2.2 報警探頭三態(tài)檢測電路
圖2所示為報警探頭狀態(tài)檢測電路。利用89C2051內(nèi)部所提供的模擬比較器和外部多路模擬轉(zhuǎn)換開關CD4052組成兩路三狀態(tài)報警探頭的通用接口電路。P1.0和P1.1為89C2051的比較器輸入端,P3.6為比較器的輸出端(89C2051內(nèi)部使用)。CD4052為雙四選一模擬開關,A、B為通道選擇輸入,X、Y分別為模擬開關的兩路輸出。電阻R1、R2、R3、R4為比較器提供參考比較電壓。改變P1.2和P1.3的輸出電平,可以將報警探頭線路狀態(tài)分別和參考電壓高值VH和低值VL進行比較,從而確定報警狀態(tài)。??
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報警探頭一般都帶有干觸點繼電器輸出,在使用時要接終端[EOL]電阻。以報警發(fā)生時繼電器觸點閉合、正常狀態(tài)下斷開為例,分析一下報警探頭1的檢測原理:若設電阻R5與Rt阻值相等,Vs取5V,則在正常情況下,報警探頭繼電器觸點斷開,模擬開關輸入端S1處電壓為2.5V;當報警探頭傳輸線路被短接或報警發(fā)生時(繼電器觸點閉合),S1處電壓為0V;而當傳輸線路斷路(如被剪斷)時,S1處電壓為5V?？紤]到線路傳輸損耗,取參考電壓高值VH和低值VL分別為3.5V和1.5V。具體檢測過程為:令模擬開關選擇端AB=00,此時輸出Y為報警探頭1的線路電平,輸出X為VH,若P1.0電平大于P1.1電平,則線路處于斷開狀態(tài);否則令AB=01,此時輸出Y仍為報警探頭1的線路電平,輸出X為VL,若P1.0電平大于P1.1電平,則報警探頭處于正常狀態(tài),否則是處于報警狀態(tài)。同理,改變A、B的電平可以檢測出報警探頭2的工作狀態(tài)。
為了保證測量的準確性,實際檢測線路上還有硬件濾波和過壓過流保護電路,結(jié)合軟件濾波措施,有效地消除了環(huán)境干擾可能產(chǎn)生的誤報警。
2.3 通信總線接口
報警控制器提供了RS-485通訊接口。RS-485接口由具有瞬變電壓抑制的RS-485收發(fā)器SN75LBC184及其外圍保護電路組成。SN75LBC184是一種與SN75176差分數(shù)據(jù)收發(fā)器完全兼容的RS-485芯片,其片內(nèi)的RS485收發(fā)端接有高能量瞬變干擾保護裝置,能承受峰值為400W的瞬時過壓;同時使用了限斜率驅(qū)動器,減少回波反射和電磁干擾的影響,適合在惡劣環(huán)境條件下工作;具有接收器輸入端開路故障保護和熱關斷保護功能,可在總線上掛接64個收發(fā)器。
2.4 繼電器輸出接口
繼電器輸出接口主要用于本地和全局聯(lián)動。在本地聯(lián)動生效時,報警控制器檢測到來自報警探頭的報警信息后,根據(jù)控制器內(nèi)的參數(shù)設置,按一定方式觸發(fā)對應的繼電器。當控制器接收到來自主控計算機的命令時,也可以對繼電器實現(xiàn)操作,從而實現(xiàn)全局聯(lián)動功能。
3 系統(tǒng)特點
3.1 系統(tǒng)參數(shù)可編程
通過控制器上的編程選擇開關,可以選擇系統(tǒng)運行于編程模式或工作模式。在編程模式下可以接收主控計算機發(fā)送的控制器設置參數(shù),并將其保存到X25045中。這些參數(shù)將在工作模式下應用,這樣即使由于某種原因使系統(tǒng)掉電而停止工作,但重新工作后,仍可按掉電前的工作模式運行而不需重新設置。
3.2 聯(lián)動功能靈活方便
與其它的通用報警控制器相比,本系統(tǒng)通過狀態(tài)和觸發(fā)條件的可編程,提供了靈活的聯(lián)動功能,可以根據(jù)聯(lián)動機構的不同、應用場合的不同而設置不同的聯(lián)動方式?；芈飞细鱾€不同模塊即使在通訊中斷的情況下也可以獨立完成本地聯(lián)動,而在主控計算機干預下可以完成全局聯(lián)動。聯(lián)動狀態(tài)、觸發(fā)條件、繼電器狀態(tài)的靈活選擇可以應用于各種領域、各種警訊處理的場合,使模塊的適應性、通用性大大提高。
3.3 可靠的通信接口
RS-485總線傳送距離遠、速度快、抗干擾能力強,是工業(yè)現(xiàn)場廣泛應用的通信標準。RS-485總線是一種半雙工通信標準,支持總線方式多點互連,使其成為集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中采用最多的通信和組網(wǎng)方法。采用RS-485總線連接多個站點,任一時刻只能有一個站點在“說”,其它站點只能處于“聽”狀態(tài)。如果有多于1個的站點在“說”,數(shù)據(jù)將在通信總線上碰撞,結(jié)果是處于接收狀態(tài)的站點不能收到正確的數(shù)據(jù)。在RS-485總線通信網(wǎng)中,必須控制好每個站點的“聽、說”狀態(tài),即收發(fā)狀態(tài),以保證能及時、正確地傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)處于上電復位階段時,所有的485芯片都處于輸出狀態(tài)。若此時只有一臺分機發(fā)送數(shù)據(jù)，由于485的功率和耗散功率接近，485芯片經(jīng)常損壞。要解決這個問題，可以采用降低485的功率損耗的方法,如在485的A、B線分別串接100Ω的電阻,把功耗控制在安全范圍之內(nèi)。這種方法也解決了通信電路失控的問題。
CSMA采用附加的硬件裝置,每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽其它的站是否發(fā)送數(shù)據(jù)。如正在發(fā)送,則此站就暫時不發(fā)送數(shù)據(jù),減少了發(fā)生沖突的可能性,提高了整個系統(tǒng)的吞吐量。監(jiān)聽載波的策略方案中可分為非堅持CSMA和P堅持CSMA。非堅持CSMA即當監(jiān)聽到信道忙,就不再堅持下去,而是根據(jù)協(xié)議的算法延遲一隨機的時間后重新監(jiān)聽;如載波監(jiān)聽發(fā)現(xiàn)信道空閑,則將準備好的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。P堅持CSMA的特點是當監(jiān)聽到信道忙時,仍堅持聽下去,一直堅持到信道空閑為止,然后以概率p發(fā)送數(shù)據(jù),即延遲(1-p)T(T為端到端的單程延時)后重新監(jiān)聽信道;這樣可以防止兩臺(或多于兩臺)控制器在監(jiān)聽到信道空閑后同時發(fā)送數(shù)據(jù)。P堅持CSMA可根據(jù)信道上通信量的多少來確定p的值,使信道的利用率進一步提高。
在大型報警系統(tǒng)中，掛接的分機數(shù)量很大，數(shù)據(jù)幀沖突的可能性非常大。采用載波監(jiān)聽多點接入技術的系統(tǒng),除了必須考慮載波監(jiān)測需要的硬件措施外,軟件上采用截斷二進制指數(shù)類型的退避算法決定重發(fā)幀所需的延時,在保持了系統(tǒng)穩(wěn)定工作的的基礎上,充分利用信道資源,提高了資源利用率。
采用截斷二進制指數(shù)類型的退避算法決定重發(fā)幀所需的時延的計算步驟為:首先從離散的集合[0,1,....，2K-1]中隨機取一個數(shù)，設它為R;K=Min[重發(fā)次數(shù)，n],其中n為最大重發(fā)次數(shù)。重發(fā)所需的時延就是R倍的基本退避時間。當重發(fā)次數(shù)達到n次時,則丟棄該幀,并報警。
這種算法根據(jù)重發(fā)次數(shù)對退避時間加權,所以減小了沖突發(fā)生的可能性,即使采用1堅持(即p=1),仍能保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。
根據(jù)單片機的局限性和實際系統(tǒng)的需要,本報警控制器采用了1堅持,選擇n=5。實踐表明能夠有效保證通訊的準確性,保證了系統(tǒng)的可靠工作和無誤差傳輸。
4 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案
整個報警系統(tǒng)軟件分為報警控制器底層軟件和PC 機管理軟件。底層軟件采用模塊化程序設計,利用C51編寫。圖3為報警控制器主程序流程圖。圖4為通訊子程序流程圖。
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參考文獻
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