基于CAN总线的电气火灾报警系统设计方案

一、引言

火灾是目前最常见、最普遍的威胁公共场所安全和建设和谐社会的重要灾害之一。传统的火灾报警系统往往只对单一物理或化学信号进行探测，容易出现误报或漏报，因此设计一种新型的火灾报警系统显得尤为重要。CAN（Controller Area Network，控制器局域网）总线作为一种应用广泛的现场总线技术，具有数据通信可靠、实时性强、灵活性高等优点，非常适合应用于火灾报警系统。本文提出了一种基于CAN总线的电气火灾报警系统设计方案，旨在提高火灾报警的准确性和可靠性。

二、系统总体设计

2.1 系统组成

基于CAN总线的电气火灾报警系统主要由电气火灾监控设备和电气火灾探测器两部分组成。每个电气火灾探测器至少可带一路漏电流互感器、一个断路器和一路温度传感器。输电线路经过断路器和漏电流互感器接到用户负载。探测器通过互感器检测一组用户线路的漏电流，通过温度传感器检测线缆温度。探测器和监控设备之间通过CAN总线通信。

2.2 系统功能

1. 漏电流和温度检测：探测器通过互感器检测漏电流，通过温度传感器检测线缆温度，并将采集到的数据通过CAN总线发送给监控设备。

2. 报警信号处理：一旦检测到报警信号，探测器会再次复核，若还能检测到报警信号，探测器会控制断路器迅速切断电路，同时发出声光报警，并把报警信息发送给监控设备。

3. 监控设备显示和报警：监控设备通过液晶屏实时显示各监控线路的运行状态，如果接收到报警信息，则显示报警所在节点的位置、报警类型、报警值和设定值等，同时发出声光报警信号。

4. 远程设置和操作：监控设备可远程设置各探测器的漏电流和温度报警值，指定探测器的断路器脱扣以切断用户线路，并对探测器进行远程复位、消音等操作。

三、硬件设计

3.1 探测器硬件设计

3.1.1 主控制芯片

探测器的主控制芯片选用Microchip公司的PIC系列单片机PIC24H64GP506。该芯片是一款高性能16位单片机，采用改进型哈佛结构，具有以下特点：

• 高性能：有53个通用I/O口、64K的程序存储区、8通道硬件DMA、集成PLL可实现扩频。

• CAN通信：带一个增强型的ECAN模块，在报文接收和发送时采用DMA的FIFO模式，提高了代码的执行效率。

3.1.2 温度检测电路

温度检测电路比较简单，只需一根数据线接到单片机的I/O口，数据线通过4.7K电阻上拉。温度传感器采用DS18B20，具有结构简单、可靠性高等优点。

3.1.3 剩余电流测量电路

剩余电流测量采用的是穿心式电流互感器。在三相四线制线路中，正常情况下是没有剩余电流的，流过A相、B相和C相的电流应和流过N相的相等，即矢量和为零。如果发生漏电，则矢量和不为零，二级绕组上就有感应电流，该电流经过负荷后就会产生感应电压。这个电压经过调理电路整形放大，再经过单片机A/D采样处理后就能得到准确的剩余电流值。

3.1.4 CAN通信电路

CAN通信电路必须具备较强的抗干扰能力，如雷击、强电场、电磁辐射的干扰。本设计使用了两个高速光耦6N137，分别加在了电路的CAN发送和接收端口，用于把总线和电路隔离开来，这样总线的干扰就不会影响电路运行。同时在光耦两边用不同的独立电源供电，实现了真正意义上的电气隔离。CAN收发器采用TJAl050，完全符合ISO11898标准，最高速度1Mbps，电磁辐射EME非常低，差动接收器具有较宽的共模范围，可抗电磁干扰（EMI）。

3.2 监控设备硬件设计

3.2.1 主控制芯片

监控设备的主控制芯片采用Atmel公司的AT90CANl28。该芯片是一款高性能8位AVR单片机，基于AVR RISC结构，具有以下特点：

• 高性能：采用哈佛结构，所有的寄存器直接与算术逻辑单元相连，大大提高了代码效率。

• 资源丰富：有53个通用I/O口，程序存储器大小为128KB，同时带4k容量的内部EEPROM。

• CAN通信：内置CAN控制器，支持ITAG在线仿真技术，给软件开发带来了极大的方便。

3.2.2 显示电路

为了达到良好的人机交互界面效果，监控设备采用了320×240点阵的液晶模块。该模块为蓝底白字，带中文字库，支持图形和文字模式，使用十分方便。

3.2.3 键盘电路

键盘电路采用5×5矩阵键盘，一共25个键，实际用到24个，功能包括0~9数字输入、上下左右4个方向键、确定、取消、自检、消音、复位和5个功能键。键盘的列分别连接单片机的5个外部中断口，键盘的行与单片机的5个普通I/O口相连。

四、软件设计

4.1 探测器软件设计

探测器的软件设计主要包括初始化、数据采集、报警处理和CAN通信等部分。

4.1.1 初始化

初始化程序包括单片机I/O口初始化、A/D初始化、CAN控制器初始化等准备工作。

4.1.2 数据采集

为了保证采样的实时性，漏电流的采集采用了定时采样。温度数据的采集则通过DS18B20传感器进行。

4.1.3 报警处理

一旦检测到报警信号，探测器会再次复核，若还能检测到报警信号，探测器会控制断路器迅速切断电路，同时发出声光报警，并把报警信息打包成CAN数据包发送到CAN总线上。

4.1.4 CAN通信

CAN通信程序包括CAN节点初始化、接收数据、发送数据和总线异常处理等部分。CAN节点的初始化主要包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器的设置等。

4.2 监控设备软件设计

监控设备的软件设计主要包括初始化、CAN通信、数据处理和报警显示等部分。

4.2.1 初始化

初始化程序包括单片机I/O口初始化、CAN控制器初始化、液晶模块初始化和键盘初始化等。

4.2.2 CAN通信

监控设备通过CAN总线接收探测器发送的数据包，并进行解析和处理。

4.2.3 数据处理

监控设备对接收到的数据进行处理，判断是否有报警信号。如果有报警信号，则根据报警类型、报警值和设定值等信息进行报警处理。

4.2.4 报警显示

一旦检测到报警信号，监控设备会通过液晶屏显示报警节点的具体信息，如节点地址、报警类型和报警值等，同时发出声光报警信号。

五、主控芯片型号及作用

5.1 探测器主控芯片PIC24H64GP506

PIC24H64GP506是Microchip公司推出的一款高性能16位单片机，采用改进型哈佛结构。在基于CAN总线的电气火灾报警系统中，PIC24H64GP506的主要作用包括：

• 数据采集：通过A/D转换模块采集温度和漏电流数据。

• 数据处理：对采集到的数据进行处理，判断是否有报警信号。

• CAN通信：通过内置的ECAN模块实现与监控设备之间的CAN总线通信。

• 控制功能：控制断路器的脱扣功能，实现电路的切断。

5.2 监控设备主控芯片AT90CANl28

AT90CANl28是Atmel公司推出的一款高性能8位AVR单片机，基于AVR RISC结构。在基于CAN总线的电气火灾报警系统中，AT90CANl28的主要作用包括：

• CAN通信：通过内置的CAN控制器实现与探测器之间的CAN总线通信。

• 数据处理：对接收到的数据进行处理，判断是否有报警信号，并进行报警处理。

• 显示功能：通过液晶屏显示报警节点的具体信息，如节点地址、报警类型和报警值等。

• 键盘输入：通过键盘接收用户的输入，实现远程设置和操作功能。

六、结论

基于CAN总线的电气火灾报警系统采用分布式结构，通过CAN总线将各个探测器与监控设备连接起来，实现了对电气火灾的实时监测和报警。该系统具有反应迅速、工作稳定、安全可靠等优点，能够有效地减少火灾的发生，保护人们的生命财产安全。通过选用高性能的主控芯片PIC24H64GP506和AT90CANl28，实现了数据采集、处理和CAN通信等功能，为系统的稳定运行提供了有力保障。