基于CAN總線的大容量漢字火災(zāi)樓層顯示器報警系統(tǒng)方案設(shè)計

1 引言

　　火災(zāi)樓層顯示器作為火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的重要組成部分，是一種安裝在樓層或獨立防火區(qū)中的數(shù)字式火災(zāi)報警顯示裝置。它通過報警總線與火災(zāi)報警控制器相連，處理并顯示報警總線上的數(shù)據(jù)?；馂?zāi)樓層顯示器中的內(nèi)置單片機將接收到的總線信息進(jìn)行判斷、分析和處理，將報警的探測器地址編號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的火警地點信息（例如房間號和房間類型等），連同火警類型一道通過液晶顯示出來，同時發(fā)出聲光報警信號，通知失火區(qū)域的人員。

　　目前國內(nèi)現(xiàn)有的火災(zāi)樓層顯示器大都以51單片機作為MCU。因為ROM尋址空間所限，火災(zāi)樓層顯示器大都只能顯示火警所在樓層號和地址號，無法以直觀的漢字信息提示情況各異的具體火警地點。如果將漢字信息通過總線分發(fā)到各個樓層顯示器，巨大的通訊量又會給火警系統(tǒng)總線帶來沉重負(fù)荷，導(dǎo)致整個火警系統(tǒng)效率低下，延誤火警上報時機。本文提出了一種基于CAN總線的大容量漢字火災(zāi)樓層顯示器，很好的解決了上述問題。

　　2 火災(zāi)報警系統(tǒng)總體功能描述

　　火災(zāi)報警控制系統(tǒng)中，中央火警控制器通過CAN總線和各個單元進(jìn)行實時通訊并完成各項控制和報警功能。單元是火災(zāi)探測器、手動報警按鈕、輸入輸出模塊、樓層顯示器等設(shè)備的總稱。它們是系統(tǒng)終端，直接探測火災(zāi)信號，并通過通道上報給控制器，同時接收由各種通道轉(zhuǎn)發(fā)控制器給單元的聯(lián)動信息（啟動輸入輸出模塊控制的滅火裝置）、顯示信息（樓層顯示器顯示火災(zāi)信息）等。通道是回路模塊、轉(zhuǎn)接模塊和總線控制盤等設(shè)備的總稱。它們是控制設(shè)備和終端的通道，是拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的中繼設(shè)備?；馂?zāi)報警控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和樓層顯示器在系統(tǒng)的中的位置如圖1所示。

圖1 火災(zāi)報警控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及樓層顯示器所在位置顯示

　　3 系統(tǒng)功能及硬件描述

　　3.1 漢字樓層顯示器硬件設(shè)計方案

　　如圖2所示，漢字樓層顯示器包括單片機及其外圍電路，CAN總線模塊， FLASH存儲器，漢字液晶模塊，UART接口，以及燈和按鍵，蜂鳴器。單片機可通過UART接收PC上傳下來的漢字信息，存儲到FLASH中作為地址信息的查詢數(shù)據(jù)庫。通過CAN控制器MCP2510和CAN總線驅(qū)動器 PCA82C250組成的CAN通信模塊和火災(zāi)報警控制器進(jìn)行CAN總線通信。如果有火警發(fā)生，單片機將記錄火警信息，查詢FLASH得到火警發(fā)生的漢字地址信息，并在漢字液晶上滾動顯示火警和信息查詢結(jié)果。同時，發(fā)生火警時還可通過查詢鍵快速查詢火警信息，通過蜂鳴器報警，通過消音鍵消音，并點亮發(fā)光二極管報警。未發(fā)生火警時，通過自檢鍵自檢可以檢查各個功能是否能正常工作。

圖2 漢字樓層顯示器結(jié)構(gòu)框圖

　　3.2 FLASH存儲器電路設(shè)計

　　FLASH 選用的SST29SF040是SST公司推出的高速可編程閃存。它符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，具有512K×8 Bits的存儲結(jié)構(gòu);芯片擦除及寫入的時間快，整片擦除只需70毫秒，段擦除只需18毫秒，字編程寫入時間僅為14微秒;可靠性高，能夠重復(fù)寫100，000次，數(shù)據(jù)可以保存100年不丟失。

　　SST29SF040 的容量是512K Bytes，而51系列單片機的ROM直接尋址范圍是64K Bytes，如果不加以處理而直接使用，將會浪費大量的存儲空間。我們使用了一種分頁存儲方式，使得FLASH存儲空間得以充分利用，大大擴充了單片機ROM尋址范圍。按照每條漢字信息占用32個Bytes計算，理論上可以最大存儲16384條火警地址信息，足以應(yīng)付絕大多數(shù)復(fù)雜的工程環(huán)境。圖3為存儲器電路，最高位地址線A16-A18接單片機的P1.0-P1.2，因而 FLASH存儲器實現(xiàn)了8頁，每頁64K的外部存儲結(jié)構(gòu)。在每次讀寫FLASH時，將P1.0-P1.2賦不同的值即可實現(xiàn)不同的頁選。假設(shè)page為待選取的頁號變量（0-7），在Keil Cx51中通過下列語句即可實現(xiàn)讀寫前的選頁操作：P1 = （P1 & 0xf8） | page;

圖3 FLASH存儲器分頁存儲電路
　3.3漢字液晶顯示模塊設(shè)計

　　我們選用金鵬電子公司的OJM2＊8A漢字液晶模塊作為顯示設(shè)備。OJM2＊8A中文液晶顯示模塊內(nèi)含GB 2312的15＊15點陣國標(biāo)一、二級簡體漢字和 8＊8點陣及8＊16點陣ASCII字符，用戶輸入GB2312區(qū)位碼或ASCII碼即可實現(xiàn)文本顯示。每個漢字的區(qū)位碼只占用兩個字節(jié)，是原來漢字點陣所需存儲單元的1/16。

漢字液晶模塊接口協(xié)議為請求/應(yīng)答（REQ/BUSY）握手方式。應(yīng)答B(yǎng)USY高電平（BUSY =1）表示液晶模塊忙于內(nèi)部處理，不能接收用戶命令;BUSY低電平（BUSY =0）表示液晶模塊空閑，等待接收用戶命令。發(fā)送命令到液晶模塊可在BUSY =0后的任意時刻開始，先把用戶命令的當(dāng)前字節(jié)放到數(shù)據(jù)線上，接著發(fā)高電平REQ信號（REQ =1）通知液晶模塊處理當(dāng)前數(shù)據(jù)線上的命令或數(shù)據(jù)。液晶模塊在收到外部REQ高電平信號后立即讀取數(shù)據(jù)線上的命令或數(shù)據(jù)，同時將應(yīng)答線BUSY 變?yōu)楦唠娖?，表明模塊已收到數(shù)據(jù)并正在忙于對此數(shù)據(jù)的內(nèi)部處理。此時用戶對模塊的寫操作已經(jīng)完成，用戶可以撤消數(shù)據(jù)線上的信號并可作模塊顯示以外的其他工作，也可不斷地查詢應(yīng)答線BUSY是否為低（BUSY=0 ?），如果BUSY=0，表明模塊對用戶的寫操作已經(jīng)執(zhí)行完畢，可以再送下一個數(shù)據(jù)。如向模塊發(fā)出一個完整的顯示漢字的命令，包括坐標(biāo)及漢字代碼在內(nèi)共需5個字節(jié)。模塊在接收到最后一個字節(jié)后才開始執(zhí)行整個命令的內(nèi)部操作，因此最后一個字節(jié)的應(yīng)答B(yǎng)USY 高電平（BUSY =1）持續(xù)時間較長。對液晶模塊寫漢字時序圖如圖4所示。

圖4 對液晶模塊寫漢字時序圖

　　3.4 CAN總線通訊模塊設(shè)計

　　我們選擇Microchip公司的MCP2510CAN控制器和Philips公司的PCA82C250CAN收發(fā)器構(gòu)建CAN總線通訊模塊。 MCP2510支持CAN2.0A/B協(xié)議，可接收和發(fā)送2.0協(xié)議下的標(biāo)準(zhǔn)幀、擴展幀和遠(yuǎn)程幀。MCP2510擁有三個發(fā)送緩沖區(qū)和兩個接收緩沖區(qū)，可以進(jìn)行接收濾波和消息管理，防止過度發(fā)送和過度接收形成擁塞。其最大的優(yōu)點是擁有傳輸速率可達(dá)5Mb/S的SPI端口，節(jié)省MCU端口，提高通信速度。 Philips公司的82C250CAN總線收發(fā)器可與MPC2510無縫連接，它有高速模式，斜率控制模式和延時模式。經(jīng)過多次的實驗證實其工作在斜率控制模式下最為穩(wěn)定，速度也能構(gòu)滿足系統(tǒng)10Kbps的傳輸速率。

圖5 CAN總線通信電路

　　CAN 總線通訊模塊電路如圖5所示，單片機通過I/O口直接和MCP2510的SPI口相連，用軟件模擬實現(xiàn)SPI接口協(xié)議。PCA82C250作為 MCP2510與物理CAN總線的接口。如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可在MCP2510和PCA82C250之間加一個光電隔離器。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　漢字樓層顯示器軟件功能主要是1.將串口發(fā)送下來的漢字信息文件寫入FLASH存儲。2.和火災(zāi)報警控制器進(jìn)行CAN通信，如果發(fā)現(xiàn)有火警信息，則查找FLASH中的漢字地址信息，予以顯示在漢字液晶上報警，如有多條火警信息，則滾動顯示各條信息。

圖6 漢字樓層顯示器軟件流程圖

　　圖 6是漢字樓層顯示器軟件流程圖。用page（值為0-7）表示讀寫的FLASH頁，用count（值為0-65535）表示每頁頁內(nèi)地址。其中 page0-page6用來存儲通過串口下載的漢字信息，page7用來存儲接收到的火警等動態(tài)信息。一旦接收到新火警，即查詢FLASH中相應(yīng)的漢字信息，并在液晶上滾動顯示。

　　為了快速定位所查詢的火警漢字地址信息，我們采用數(shù)組結(jié)構(gòu)存儲。盡管這樣會因為實際火警地址不等長，而造成存儲中出現(xiàn)一些空地址，存儲效率不高，但是由于我們對數(shù)組的查找是一種可以直接定位的快速查找，不用采用鏈表之類的復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也避免了二分檢索之類復(fù)雜的搜索算法。對于單片機而言，實質(zhì)上是以比較小的空間為代價換來了比較高的時間效率，還是十分值得的。

　　5 結(jié)語

　　本文提出的基于CAN總線的大容量漢字火災(zāi)樓層顯示器，較好的解決了現(xiàn)有火災(zāi)樓層顯示器的缺陷。對大于51單片機ROM 64K尋址空間的數(shù)據(jù)存儲需求，采取分頁存儲的訪問方式可以很好的解決這個問題。通過在FLASH中存儲大容量數(shù)據(jù)信息，可以避免因為CAN總線上通訊數(shù)據(jù)流量過大而導(dǎo)致火警不能及時傳達(dá)，延誤報警時機。而且FLASH中的漢字信息可以通過串口在線擦寫，便于現(xiàn)場調(diào)試。目前產(chǎn)品已經(jīng)投入實用，用戶反應(yīng)運行良好。