一種基于CAN總線的集散型火災(zāi)報警控制系統(tǒng)

1、系統(tǒng)組成與工作原理概述

　　本文提出的基于CAN現(xiàn)場總線的集散型火災(zāi)報警控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個節(jié)點(diǎn)都以AT89C51單片機(jī)為節(jié)點(diǎn)控制器，MCP2510為總線控制器，MCP2551為總線收發(fā)器，其中，與控制臺工作站相連接的節(jié)點(diǎn)被稱為集中機(jī)，其余為區(qū)域機(jī)。在集中機(jī)中，所謂控制臺工作站，就是一臺PC機(jī)，單片機(jī)通過外部串行接口與控制臺工作站交換信息。各個區(qū)域機(jī)分布在不同的地理位置上，獨(dú)立地執(zhí)行一個完整的任務(wù)。在本文系統(tǒng)中，一個區(qū)域機(jī)通過一種專門設(shè)計的探測器總線可以連接感煙、感光、感溫等各種火警探測器，還可以借助適配器控制諸如噴水閥、卷簾門等各種消防設(shè)備以及各種聲光報警設(shè)備，探測器總線上的設(shè)備通稱為前端設(shè)備。利用CAN通信技術(shù)將區(qū)域機(jī)聯(lián)網(wǎng)，管理人員在集中機(jī)上就可以觀察各個部分的情況，便于管理和檢測，隨時可以了解到各區(qū)域機(jī)運(yùn)行的是否正常，有無報警發(fā)生，也可以使各個區(qū)域機(jī)通過信息交互，實(shí)現(xiàn)資源共享，聯(lián)防控制。每個區(qū)域機(jī)都是一個獨(dú)立的基本報警控制單元，其功能與單獨(dú)使用時的情況完全一樣，它們從本區(qū)域機(jī)的探測器上采集數(shù)據(jù)，如有警情出現(xiàn)，在啟動本區(qū)的有關(guān)消防設(shè)備的同時，通過CAN總線將報警信號傳送給集中機(jī)，集中機(jī)再決定需要起動的由其它區(qū)域機(jī)管轄的有關(guān)消防設(shè)備，并通過CAN總線發(fā)出聯(lián)動命令。另外，由于CAN總線是基于報文的，總線上的節(jié)點(diǎn)可以做到即插即用，因而系統(tǒng)的可擴(kuò)展性比較好;并且，增刪CAN總線上除集中機(jī)以外的任何一個節(jié)點(diǎn)，不會對其它的節(jié)點(diǎn)造成任何影響。

　　圖1中的MCP2510是Microchip公司為簡化CAN總線的接口應(yīng)用而專門設(shè)計的一種獨(dú)立CAN控制器芯片，支持CAN協(xié)議2.0A/2.0B，最大可編程波特率為1Mbps;MCP2551是Microchip公司生產(chǎn)的可容錯的高速CAN總線收發(fā)器芯片，支持1Mbps的運(yùn)行速率，可連接高達(dá)112個節(jié)點(diǎn)，適合12V和24V系統(tǒng)，管腳特性與MCP2510完全兼容。

2硬件電路與SPI接口技術(shù)

　　圖2是本文系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行CAN通信的硬件電路圖，在原理圖中，總線控制器MCP2510與總線收發(fā)器MCP2551直接相連，因?yàn)樗鼈兊墓苣_是完全兼容的，另外，考慮到系統(tǒng)總線速率比較低，所以使MCP2551的斜率電阻輸入引腳RS懸空，選擇最小斜率，這樣，既可將RFI抑制到最小，又可簡化線路設(shè)計。下面重點(diǎn)說明一下MCP2510與AT89C51的接口技術(shù)。

圖2節(jié)點(diǎn)進(jìn)行CAN通信的硬件接口電路

　　MCP2510面向單片機(jī)有1個高速SPI接口（5Mhz），該接口由片選控制輸入CS、移位脈沖輸入SCK、串行數(shù)據(jù)輸入SI和輸出SO等4個引腳組成。AT89C51不具備標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，但是，可以利用UART接口與SPI接口通信。圖3為AT89C51的UART接口工作在方式0，即移位寄存器方式時的工作時序圖。AT89C51的UART有4種工作方式，按方式0工作時，串行數(shù)據(jù)從RXD輸入或輸出，TXD輸出移位脈沖，每次發(fā)送或接收8位數(shù)據(jù)，波特率固定為時鐘頻率的1/12，即1個位周期對應(yīng)1個機(jī)器周期，1個機(jī)器周期由12個時鐘周期組成，等分為6個狀態(tài)（S1～S6），每個狀態(tài)又等分為2個相位P1、P2，因此1個機(jī)器周期的12個時鐘周期可記為S1P1、S1P2、S2P1、……、S6P2。TXD輸出的移位脈沖在每個機(jī)器周期的S3、S4和S5期間為低電平，而在其余時間為高電平。發(fā)送時，每個機(jī)器周期的S6P2輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有效時間完全覆蓋了TXD輸出脈沖的負(fù)半周，顯然，無論是在TXD的上升沿，還是下降沿，外設(shè)都可從RXD輸入有效數(shù)據(jù)。接收時，每個機(jī)器周期的S5P2輸入數(shù)據(jù)，顯然，外設(shè)如果在TXD的下降沿輸出數(shù)據(jù)，單片機(jī)就可接收到有效數(shù)據(jù)。因?yàn)镸CP2510的SPI接口是在SCK的上升沿輸入數(shù)據(jù)，在SCK的下降沿輸出數(shù)據(jù)，所以，在電路圖中，可以將TXD直接作為SCK的輸入信號。MCP2510的SPI接口在讀過程中，首先接收單片機(jī)發(fā)出的讀命令和地址，這時，輸出信號線SO處于高祖態(tài)，之后，在輸出數(shù)據(jù)時，輸入信號線SI的狀態(tài)可為任意值。而在寫過程中，SO始終處于高阻態(tài)。一個寫過程或讀過程的啟動或結(jié)束，都是由片選信號CS控制的。根據(jù)SPI接口的這一工作機(jī)理，在電路圖中，將MCP2510的SI和SO連接在一起，形成一個雙向信號線，再與AT89C51的準(zhǔn)雙向數(shù)據(jù)線RXD連接在一起，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，MCP2510與AT89C51的這種連接方式是完全正確的。因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，51系列單片機(jī)一直是主流產(chǎn)品，所以將其應(yīng)用于CAN總線系統(tǒng)，無疑可以降低成本，縮短開發(fā)周期。

　　為了實(shí)現(xiàn)與MCP2510的SPI接口交互,單片機(jī)的UART接口選擇方式0，采用12MHz晶振作為單片機(jī)的時鐘頻率，在方式0下，波特率固定為1Mbps。在圖2所示的硬件電路的支持下，AT89C51就可按照普通移位寄存器的方式與MCP2510進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對MCP2510進(jìn)行寫操作和讀操作的匯編語言子程序從略。值得指出的是，因?yàn)镾PI傳輸數(shù)據(jù)的順序是先高位后低位，與UART傳輸數(shù)據(jù)的順序相反，因此，編寫單片機(jī)與MCP2510的接口程序時，對MCP2510的控制字、狀態(tài)字以及寄存器地址，要進(jìn)行二進(jìn)制到排處理。例如，MCP2510的接收緩沖寄存器RXB0的首地址是01010110B，單片機(jī)讀其中的內(nèi)容時，寫入單片機(jī)的串口緩沖寄存器SBUF的地址值應(yīng)該是01101010B。