隨著經濟建設的發展，社會對火災報警控制系統的規模的要求越來越大，為了適應市場的需要，筆者利用CAN現場總線技術，設計出了一種集散型火災報警控制系統，該系統結構靈活、使用方便，可滿足大、中、小各種規模的火災報警及消防控制的要求。CAN（Controller Area Network）即控制器區域網——一種有效的支持分布式控制和實時控制的串行通訊網絡，由于其高性能、高可靠行，及獨特的設計，越來越受到人們的重視，其總線規范已被ISO國際標準化組織制定為國際標準，并被公認為是最有前途的現場總線之一。本文主要介紹由MCP2510與MCP2551組成的CAN現場總線的在集散型火災報警控制系統中的應用。

1、系統組成與工作原理概述

本文提出的基于CAN現場總線的集散型火災報警控制系統的網絡結構如圖1所示，每個節點都以AT89C51單片機為節點控制器，MCP2510為總線控制器，MCP2551為總線收發器，其中，與控制臺工作站相連接的節點被稱為集中機，其余為區域機。在集中機中，所謂控制臺工作站，就是一臺PC機，單片機通過外部串行接口與控制臺工作站交換信息。各個區域機分布在不同的地理位置上，獨立地執行一個完整的任務。在本文系統中，一個區域機通過一種專門設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備以及各種聲光報警設備，探測器總線上的設備通稱為前端設備。利用CAN通信技術將區域機聯網，管理人員在集中機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域機運行的是否正常，有無報警發生，也可以使各個區域機通過信息交互，實現資源共享，聯防控制。每個區域機都是一個獨立的基本報警控制單元，其功能與單獨使用時的情況完全一樣，它們從本區域機的探測器上采集數據，如有警情出現，在啟動本區的有關消防設備的同時，通過CAN總線將報警信號傳送給集中機，集中機再決定需要起動的由其它區域機管轄的有關消防設備，并通過CAN總線發出聯動命令。另外，由于CAN總線是基于報文的，總線上的節點可以做到即插即用，因而系統的可擴展性比較好;并且，增刪CAN總線上除集中機以外的任何一個節點，不會對其它的節點造成任何影響。

圖1中的MCP2510是Microchip公司為簡化CAN總線的接口應用而專門設計的一種獨立CAN控制器芯片，支持 CAN協議2.0A/2.0B，最大可編程波特率為1Mbps;MCP2551是Microchip公司生產的可容錯的高速CAN總線收發器芯片，支持1Mbps的運行速率，可連接高達112個節點，適合12V和24V系統，管腳特性與MCP2510完全兼容。

2 、硬件電路與SPI接口技術

圖2是本文系統節點進行CAN通信的硬件電路圖，在原理圖中，總線控制器MCP2510與總線收發器MCP2551直接相連，因為它們的管腳是完全兼容的，另外，考慮到系統總線速率比較低，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，又可簡化線路設計。下面重點說明一下MCP2510與AT89C51的接口技術。

圖2 節點進行CAN通信的硬件接口電路

MCP2510面向單片機有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、串行數據輸入S I和輸出SO等4個引腳組成。AT89C51不具備標準的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，串行數據從RXD輸入或輸出，TXD輸出移位脈沖，每次發送或接收8位數據，波特率固定為時鐘頻率的1/12，即1個位周期對應1個機器周期，1個機器周期由12個時鐘周期組成，等分為6個狀態（S1～S6），每個狀態又等分為2個相位P1、P2，因此1個機器周期的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。發送時，每個機器周期的S6P2輸出數據，數據有效時間完全覆蓋了TXD輸出脈沖的負半周，顯然，無論是在TXD的上升沿，還是下降沿，外設都可從RXD輸入有效數據。接收時，每個機器周期的S5P2輸入數據，顯然，外設如果在TXD的下降沿輸出數據，單片機就可接收到有效數據。因為MCP2510的SPI接口是在SCK的上升沿輸入數據，在SCK的下降沿輸出數據，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，首先接收單片機發出的讀命令和地址，這時，輸出信號線SO處于高祖態，之后，在輸出數據時，輸入信號線SI的狀態可為任意值。而在寫過程中，SO始終處于高阻態。一個寫過程或讀過程的啟動或結束，都是由片選信號CS控制的。根據SPI接口的這一工作機理，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的準雙向數據線RXD連接在一起，實驗結果證明，MCP2510與AT89C51的這種連接方式是完全正確的。因為在單片機應用領域，51系列單片機一直是主流產品，所以將其應用于CAN總線系統，無疑可以降低成本，縮短開發周期。

為了實現與MCP2510的SPI接口交互，單片機的UART接口選擇方式0，采用12MHz晶振作為單片機的時鐘頻率，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進行數據交互，對MCP2510進行寫操作和讀操作的匯編語言子程序從略。值得指出的是，因為SPI傳輸數據的順序是先高位后低位，與UART傳輸數據的順序相反，因此，編寫單片機與MCP2510的接口程序時，對MCP2510的控制字、狀態字以及寄存器地址，要進行二進制到排處理。例如，MCP2510的接收緩沖寄存器RXB0的首地址是01010110B，單片機讀其中的內容時，寫入單片機的串口緩沖寄存器SBUF的地址值應該是01101010B。

3 、MCP2510初始化

MCP2510的初始化包括設定可編程引腳功能、總線波特率以及接收過濾器與屏蔽器，以下主要介紹總線波特率以及接收過濾器與屏蔽器的初始化。

3.1 波特率初始化

MCP2510內含的波特率發生器由可編程預分頻器、固定2分頻器和位定時器級連而成，它使設計者可以方便地選擇所需要的任何波特率。在位定時器中，MCP2510將一個位周期依次分割為同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2等4個時間段，每個時間段的長度都是輸入信號周期TQ的整數倍，其中同步段固定為1TQ，其余3個時間段的長度都是可編程的。所謂波特率初始化，就是設置可編程預分頻器和位定時器各可編程時間段的值，使其滿足波特率的需要。

根據CAN技術協議，波特率為1Mbps時，通信距離為40m，波特率為5Kbps時，通信距離最遠可以達到10Km。考慮到本文系統既可用作一個高層樓宇的火災報警控制網絡，又可用作一個單位內部多個倉庫、車間等的火災報警控制網絡，所以通信距離應該在數千米以上，而所要傳輸的數據量不大，故可以選擇較低的波特率。在實際應用中，筆者選擇波特率為8Kbps。

本文系統選擇12Mhz晶體振蕩器為MCP2510提供時鐘信號。根據位定時器中各個時間段的長度必須滿足的約束條件，初始化傳播段寄存器PRSEG=3，相位緩沖段1寄存器PHSEG1=4，相位緩沖段2寄存器PHSEG2=4;然后初始化預分頻器BRP=49。從而可得總分頻系數為（49+1）×2×［1+（3+1）+（4+1）+（4+1）］=1500，最終獲得8Kbps的波特率。

3.2 過濾器與屏蔽器初始化

MCP2510具有完善的總線爭用功能，可用于分布式系統，但是，在火災報警控制系統中，因為集中機擔負著對區域機的監管任務，所以本文系統采用了集中-分散控制方式，集中機不斷地巡回查詢區域機，在工作臺上隨時反映區域機工作的情況，為工作人員提供維護設備的依據。

MCP2510支持標準幀、擴展幀和遠程幀，數據段長度為0-8個字節。器件對CAN總線上的數據接收是通過2個接收緩沖器、6個接收過濾器和2個接收屏蔽器的組合來實現的。CAN總線上的幀只有至少滿足一個接收過濾器的條件才可被接收。為了說明過濾器與屏蔽器的初始化方法，這里首先介紹報文幀。本文系統只使用標準數據幀進行數據傳輸。標準數據幀的長度為44+8n位，其中11位ID段在本文系統中被分為兩部分，高7位用來表示區域機的邏輯地址碼，整個系統允許接入的區域機最多為50個，低4位用來表示報文類型碼。集中機發送的報文幀如表1所示，區域機發送的報文幀如表2所示。8n位數據段可有可無，在表1中，只有選呼聯動報文含有數據段，表示請求聯動的設備號，在表2中，只有請求點名報文不含數據段，其余報文必須至少含有1個字節數據，用來表示區域機的邏輯地址碼，其余數據用來表示故障、報警的探測器號和設備號，或區域機配置。

表1：集中機發送的報文幀

表2：區域機發送的報文幀

表1中的xx xxxx表示集中機要訪問的區域機的邏輯地址碼。表1的報文是發送給區域機的，表2的報文是發送給集中機的，報文能否被接收，要由MCP2510的過濾器來決定，因此，初始化時，集中機按從上到下的順序將表2中的數據依次寫入MCP2510的過濾器RXF1～RXF5，區域機在用本機的邏輯地址碼代替表1中的xx xxxx之后，也按從上到下的順序將表1中的數據依次寫入MCP2510的過濾器RXF1～RXF5，未曾用到的過濾器RXF0被設置為全“1”，使其不接收總線上的任何有效報文。初始化時，在區域機方面，將2個接收屏蔽器都設置為全“1”，在集中機方面，將接收屏蔽器RXM1設置為全“1”，而將RXM0設置為101 1011 1010B，表示除集中機的過濾器RXF1的SID9、SID6、SID2和SID0等4位外，過濾器的其余所有位都參與信息過濾，這是因為上述4位與請求點名幀的ID碼在跳變位置上的隱性位相對應，而請求點名幀容許多個區域機同時發送，從而由傳輸延遲引起的碼間串擾，很可能使這些位的狀態不確定。

4 、通信過程簡介

集散型火災報警控制系統的通信過程，也就是集中機對區域機循環進行的點名和查詢過程。在點名階段，集中機發送廣播點名幀，區域機以請求點名幀響應，若接收到未被登錄的區域機發出的請求點名幀，集中機進行選呼點名，區域機以配置幀響應;在查詢階段，集中機反復判斷有無自檢請求，若有自檢請求，則對區域機逐個選呼自檢，區域機以配置幀響應，自檢結束，繼續選呼查詢，區域機以正常幀、或故障幀，或報警幀響應，在查詢中若接收到報警信號，再根據需要發送選呼聯動幀，區域機以正常幀確認。

5 、結束語

實驗結果表明，因為MCP2510具有完善的現場總線管理機制和面向單片機的SPI接口，一方面簡化了系統的軟、硬件設計，另一方面使節點控制器擺脫了對網絡通信的頻繁干預，從而大大提高了系統的整體性能，與采用RS232等其它串行通信技術的集散型系統相比較，本文提出的基于CAN總線的集散型火災報警控制系統具有較高的安全性、可靠性和實時性，可用于各種場合的火災報警控制。

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