一種基于CAN總線(xiàn)的集散型火災報警控制系統

1、系統組成與工作原理概述

　　本文提出的基于CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的集散型火災報警控制系統的網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示，每個(gè)節點(diǎn)都以AT89C51單片機為節點(diǎn)控制器，MCP2510為總線(xiàn)控制器，MCP2551為總線(xiàn)收發(fā)器，其中，與控制臺工作站相連接的節點(diǎn)被稱(chēng)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(guò)外部串行接口與控制臺工作站交換信息。各個(gè)區域機分布在不同的地理位置上，獨立地執行一個(gè)完整的任務(wù)。在本文系統中，一個(gè)區域機通過(guò)一種專(zhuān)門(mén)設計的探測器總線(xiàn)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(mén)等各種消防設備以及各種聲光報警設備，探測器總線(xiàn)上的設備通稱(chēng)為前端設備。利用CAN通信技術(shù)將區域機聯(lián)網(wǎng)，管理人員在集中機上就可以觀(guān)察各個(gè)部分的情況，便于管理和檢測，隨時(shí)可以了解到各區域機運行的是否正常，有無(wú)報警發(fā)生，也可以使各個(gè)區域機通過(guò)信息交互，實(shí)現資源共享，聯(lián)防控制。每個(gè)區域機都是一個(gè)獨立的基本報警控制單元，其功能與單獨使用時(shí)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(dòng)本區的有關(guān)消防設備的同時(shí)，通過(guò)CAN總線(xiàn)將報警信號傳送給集中機，集中機再決定需要起動(dòng)的由其它區域機管轄的有關(guān)消防設備，并通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)出聯(lián)動(dòng)命令。另外，由于CAN總線(xiàn)是基于報文的，總線(xiàn)上的節點(diǎn)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(xiàn)上除集中機以外的任何一個(gè)節點(diǎn)，不會(huì )對其它的節點(diǎn)造成任何影響。

　　圖1中的MCP2510是Microchip公司為簡(jiǎn)化CAN總線(xiàn)的接口應用而專(zhuān)門(mén)設計的一種獨立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(xiàn)收發(fā)器芯片，支持1Mbps的運行速率，可連接高達112個(gè)節點(diǎn)，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(shù)

　　圖2是本文系統節點(diǎn)進(jìn)行CAN通信的硬件電路圖，在原理圖中，總線(xiàn)控制器MCP2510與總線(xiàn)收發(fā)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(xiàn)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(jiǎn)化線(xiàn)路設計。下面重點(diǎn)說(shuō)明一下MCP2510與AT89C51的接口技術(shù)。

圖2節點(diǎn)進(jìn)行CAN通信的硬件接口電路

　　MCP2510面向單片機有1個(gè)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SI和輸出SO等4個(gè)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(shí)的工作時(shí)序圖。AT89C51的UART有4種工作方式，按方式0工作時(shí)，串行數據從RXD輸入或輸出，TXD輸出移位脈沖，每次發(fā)送或接收8位數據，波特率固定為時(shí)鐘頻率的1/12，即1個(gè)位周期對應1個(gè)機器周期，1個(gè)機器周期由12個(gè)時(shí)鐘周期組成，等分為6個(gè)狀態(tài)（S1～S6），每個(gè)狀態(tài)又等分為2個(gè)相位P1、P2，因此1個(gè)機器周期的12個(gè)時(shí)鐘周期可記為S1P1、S1P2、S2P1、……、S6P2。TXD輸出的移位脈沖在每個(gè)機器周期的S3、S4和S5期間為低電平，而在其余時(shí)間為高電平。發(fā)送時(shí)，每個(gè)機器周期的S6P2輸出數據，數據有效時(shí)間完全覆蓋了TXD輸出脈沖的負半周，顯然，無(wú)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(shí)，每個(gè)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(guò)程中，首先接收單片機發(fā)出的讀命令和地址，這時(shí)，輸出信號線(xiàn)SO處于高祖態(tài)，之后，在輸出數據時(shí)，輸入信號線(xiàn)SI的狀態(tài)可為任意值。而在寫(xiě)過(guò)程中，SO始終處于高阻態(tài)。一個(gè)寫(xiě)過(guò)程或讀過(guò)程的啟動(dòng)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(gè)雙向信號線(xiàn)，再與AT89C51的準雙向數據線(xiàn)RXD連接在一起，實(shí)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(lǐng)域，51系列單片機一直是主流產(chǎn)品，所以將其應用于CAN總線(xiàn)系統，無(wú)疑可以降低成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

　　為了實(shí)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(shí)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)行數據交互，對MCP2510進(jìn)行寫(xiě)操作和讀操作的匯編語(yǔ)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(xiě)單片機與MCP2510的接口程序時(shí)，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，單片機讀其中的內容時(shí)，寫(xiě)入單片機的串口緩沖寄存器SBUF的地址值應該是01101010B。