摘? 要: 介紹一種帶標準報警探頭接口、具有本地和全局聯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結構靈活、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">輪詢相結合的通訊方式,該系統具有性能穩定、可靠等特點。
關鍵詞: 本地聯動? 全局聯動? 退避算法
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報警系統" title="報警系統">報警系統作為安全防范系統的重要組成部分,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。
報警系統可分為單機獨立式和聯網式兩大類。獨立式報警器一般只有現場報警(帶驅動警笛、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。
聯網式報警系統由控制中心和帶聯網功能的報警控制器組成。報警控制器與主控計算機的聯網方式一般采用電話撥號方式和總線方式,其中總線方式聯網的報警系統因其具有技術先進、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網方式,采用CSMA技術和輪詢相結合實現報警信息的可靠傳送,同時具有報警區域布防、撤防和本地聯動等功能,在主控計算機支持下還可以實現全局聯動功能。與傳統的報警控制器相比,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。對探測到的信息進行分析處理,執行相應的本地聯動,并直接發送給主控計算機,便可實現全局聯動、主控計算機上警情顯示和處理報警信息。同時,能根據主控計算機的命令實現布防和撤防。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,立即向主控室發送報警信息。
??? 報警控制器上的兩路繼電器輸出用于觸發當地報警系統(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。
報警控制器與主控計算機之間采用RS485方式聯網。根據主控計算機的設定,可以工作在等待輪詢或主動呼叫狀態。在輪詢狀態下,報警控制器接收到輸入端報警信息后,不主動發送,而是等待主控計算機輪詢到該控制器時才將狀態發送出去。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送,實時性很強,但當系統內報警控制器數量太多,在同一時間內兩個控制器同時發送報警信息時,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,采用基于退避算法的CSMA(載波監聽多點接入技術)隨機接入方式通訊,大大地提高了系統的性能。
2 系統結構
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監測電路,利用具有瞬變電壓抑制的RS485收發器SN75LBC184實現設備間的通信,X25045可編程看門狗EEPROM 芯片用作看門狗和系統參數存儲,同時提供狀態可編程的兩路三態輸入、一路開關量輸入和兩路繼電器輸出。
系統原理框圖如圖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)和軟件協議進行讀寫操作,節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/字節的使用期限和至少100年的數據保存期。
利用X25045的電壓檢測電路,可以保護系統免受低電壓狀況影響而產生誤操作:當電壓低于規定電壓時,可以使系統保持在復位狀態,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,禁止對其內部EEPROM寫數據；高電平時,允許寫操作。本控制器利用X25045來保存系統的所有參數,利用X25045的
寫保護引腳,將系統分為編程模式和工作模式。控制器上電時首先判斷工作在什么模式。在工作模式下,直接調用X25045中保存的參數運行,而在編程模式下才可以修改模塊的地址和通信參數,從而提高了系統的安全性和可靠性。
2.2 報警探頭三態檢測電路
圖2所示為報警探頭狀態檢測電路。利用89C2051內部所提供的模擬比較器和外部多路模擬轉換開關CD4052組成兩路三狀態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。??
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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。以報警發生時繼電器觸點閉合、正常狀態下斷開為例,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。考慮到線路傳輸損耗,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;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,否則是處于報警狀態。同理,改變A、B的電平可以檢測出報警探頭2的工作狀態。
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,結合軟件濾波措施,有效地消除了環境干擾可能產生的誤報警。
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收發器SN75LBC184及其外圍保護電路組成。SN75LBC184是一種與SN75176差分數據收發器完全兼容的RS-485芯片,其片內的RS485收發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動器,減少回波反射和電磁干擾的影響,適合在惡劣環境條件下工作;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動。在本地聯動生效時,報警控制器檢測到來自報警探頭的報警信息后,根據控制器內的參數設置,按一定方式觸發對應的繼電器。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操作,從而實現全局聯動功能。
3 系統特點
3.1 系統參數可編程
通過控制器上的編程選擇開關,可以選擇系統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送的控制器設置參數,并將其保存到X25045中。這些參數將在工作模式下應用,這樣即使由于某種原因使系統掉電而停止工作,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 聯動功能靈活方便
與其它的通用報警控制器相比,本系統通過狀態和觸發條件的可編程,提供了靈活的聯動功能,可以根據聯動機構的不同、應用場合的不同而設置不同的聯動方式。回路上各個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動,而在主控計算機干預下可以完成全局聯動。聯動狀態、觸發條件、繼電器狀態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,是工業現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和現場總線控制系統中采用最多的通信和組網方法。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。如果有多于1個的站點在“說”,數據將在通信總線上碰撞,結果是處于接收狀態的站點不能收到正確的數據。在RS-485總線通信網中,必須控制好每個站點的“聽、說”狀態,即收發狀態,以保證能及時、正確地傳輸數據。系統處于上電復位階段時,所有的485芯片都處于輸出狀態。若此時只有一臺分機發送數據，由于485的功率和耗散功率接近，485芯片經常損壞。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。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,每個站在發送數據前監聽其它的站是否發送數據。如正在發送,則此站就暫時不發送數據,減少了發生沖突的可能性,提高了整個系統的吞吐量。監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即當監聽到信道忙,就不再堅持下去,而是根據協議的算法延遲一隨機的時間后重新監聽;如載波監聽發現信道空閑,則將準備好的數據發送出去。P堅持CSMA的特點是當監聽到信道忙時,仍堅持聽下去,一直堅持到信道空閑為止,然后以概率p發送數據,即延遲(1-p)T(T為端到端的單程延時)后重新監聽信道;這樣可以防止兩臺(或多于兩臺)控制器在監聽到信道空閑后同時發送數據。P堅持CSMA可根據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。
在大型報警系統中，掛接的分機數量很大，數據幀沖突的可能性非常大。采用載波監聽多點接入技術的系統,除了必須考慮載波監測需要的硬件措施外,軟件上采用截斷二進制指數類型的退避算法決定重發幀所需的延時,在保持了系統穩定工作的的基礎上,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類型的退避算法決定重發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，設它為R;K=Min[重發次數，n],其中n為最大重發次數。重發所需的時延就是R倍的基本退避時間。當重發次數達到n次時,則丟棄該幀,并報警。
這種算法根據重發次數對退避時間加權,所以減小了沖突發生的可能性,即使采用1堅持(即p=1),仍能保持系統的穩定。
根據單片機的局限性和實際系統的需要,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,保證了系統的可靠工作和無誤差傳輸。
4 系統軟件實現方案
整個報警系統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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