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近年來(lái)，由于人們防火意識的不斷增強以及有關(guān)法律、法規的不斷完善，火災自動(dòng)報警系統得到迅猛發(fā)展和廣泛應用，已成為預防火災、保障人民生命和財產(chǎn)安全的最重要手段。這就要求火災自動(dòng)報警系統必須具有很高的可靠性和穩定性。 目前，國內火災報警系統多采用RS485半雙工異步通信總線(xiàn)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現火災報警控制器之間，以及火災報警控制器與火災顯示盤(pán)之間的通信。但在實(shí)際使用中，往往由于設備數量多、通信線(xiàn)路遠以及現場(chǎng)的各種干擾等，造成通信可靠性、穩定性不高，致使聯(lián)網(wǎng)系統的質(zhì)量得不到保證。 筆者在火災自動(dòng)報警系統的聯(lián)網(wǎng)設計中，經(jīng)大量試驗，發(fā)現在使用RS485總線(xiàn)時(shí)，如果簡(jiǎn)單地按常規方式設計電路，那么在實(shí)際工程中可能存在以下兩個(gè)問(wèn)題：一是通信數據收發(fā)不可靠；二是在多機通信方式下，一個(gè)節點(diǎn)的故障（如死機）往往會(huì )使得整個(gè)系統的通信框架崩潰，而且給故障的排查帶來(lái)困難。針對上述問(wèn)題，對485總線(xiàn)接口的軟硬件設計采取了有效的改進(jìn)措施，大大提高了聯(lián)網(wǎng)系統的可靠性和穩定性。 1 RS-485總線(xiàn)接口硬件電路的設計 如圖1所示，89C51單片機自帶異步通信接口，外接RS485收發(fā)器75LBC184，89C51的異步通信口與75LBC184之間采用3片光耦進(jìn)行電氣隔離。 1.1 75LBC184 DE控制端的設計 由于火災報警控制系統中主機與分機相隔較遠，通信線(xiàn)路的總長(cháng)度往往超過(guò)1 000 m，而分機系統上電或復位又常常不在同一個(gè)時(shí)刻完成。如果此時(shí)某個(gè)75LBC184的DE端電位為1，那么它的485總線(xiàn)輸出將處于發(fā)送狀態(tài)，也就是占用了通信總線(xiàn)，這樣其他分機就無(wú)法與主機進(jìn)行通信。這種情況尤其表現在某個(gè)分機出現異常情況（如死機）下，會(huì )使整個(gè)系統通信崩潰。因此在電路設計時(shí)，應保證系統上電復位時(shí)75LBC184的DE端電位為0。由于89C51在復位期間，I/O口輸出高電平，故圖1中電的接法可有效地解決復位期間分機“咬”總線(xiàn)的問(wèn)題。 圖1 改進(jìn)后的485通信接口原理路 1.2 隔離光耦電路的參數選取 在火災報警系統中，要對現場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控及響應，因此通信數據的波特率往往做得較高（本系統中控制器與顯示盤(pán)之間的通信速率在6 250 bps）。限制通信波特率提高的“瓶頸”并不是現場(chǎng)的導線(xiàn)（現場(chǎng)施工一般使用非屏蔽的雙絞線(xiàn)），而是單片機系統進(jìn)行信號隔離的光耦電路。此處采用TIL117，電路設計中可以考慮采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片；也可以?xún)?yōu)化普通光耦電路參數的設計，使之工作在最佳狀態(tài)。例如：電阻R2、R3如果選取得較大，則會(huì )使光耦的發(fā)光管由截止進(jìn)入飽和變得較慢；如果選取得過(guò)小，則退出飽和會(huì )很慢。所以這兩只電阻的數值要精心選取，不同型號的光耦及驅動(dòng)電路使得這兩個(gè)電阻值略有差異，在電路設計中應特別慎重，通常需要通過(guò)實(shí)驗確定。 1.3 485總線(xiàn)輸出電路部分的設計 輸出電路的設計要充分考慮線(xiàn)路上的各種干擾及線(xiàn)路特性阻抗的匹配。信號在傳輸過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生電磁干擾和終端反射，使有效信號和無(wú)效信號在傳輸線(xiàn)上相互疊加，嚴重時(shí)會(huì )使通信無(wú)法正常進(jìn)行。為解決這一問(wèn)題，某些芯片的驅動(dòng)器設計成限斜率方式，使輸出信號邊沿不要過(guò)陡，以免在傳輸線(xiàn)上產(chǎn)生過(guò)多的高頻分量，從而有效地扼制干擾的產(chǎn)生。在設計選型時(shí)，最好選擇具有該種功能的RS485接口芯片。同時(shí)，RS485接口芯片在使用、焊接或設備的運輸途中都有可能受到靜電的沖擊而損壞；而且由于工程環(huán)境比較復雜，現場(chǎng)常有各種形式的干擾源，在傳輸線(xiàn)架設于戶(hù)外的使用場(chǎng)合，接口芯片乃至整個(gè)系統還有可能遭致雷電的襲擊。所以485總線(xiàn)的傳輸端一定要加有保護措施，在電路設計中選用抗靜電或抗雷擊的芯片可有效避免此類(lèi)損失。本系統中選用的是75LBC184，它的驅動(dòng)器不但設計成限斜率方式輸出，而且能抗雷電的沖擊，承受高達8 kV的靜電放電沖擊，在實(shí)際使用中效果十分理想。 考慮到線(xiàn)路的特殊情況（例如某臺分機的485芯片被擊穿短路），為防止總線(xiàn)中其他分機的通信受到影響，在75LBC184的485信號輸出端串聯(lián)了兩個(gè)20 Ω的電阻R10和R11。這樣本機的硬件故障就不會(huì )使整個(gè)總線(xiàn)的通信受到影響。 在消防報警產(chǎn)品的現場(chǎng)施工中，通信載體一般采用雙絞線(xiàn)。其特性阻抗為120 Ω左右，所以線(xiàn)路設計時(shí)，在485網(wǎng)絡(luò )傳輸線(xiàn)的始端和末端應各接1只120 Ω的匹配電阻（如圖1中的R8），以減少線(xiàn)路上傳輸信號的反射。由于RS485芯片的特性，接收器的檢測靈敏度為± 200 mV，即差分輸入端VA-VB ≥+200 mV，輸出邏輯1，VA-VB ≤-200 mV，輸出邏輯0；而當A、B端電位差的絕對值小于200 mV時(shí)，輸出不確定。如果在總線(xiàn)上所有發(fā)送器被禁止，則接收器輸出邏輯0，這會(huì )誤認為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是人為地使A端電位高于B兩端電位。這樣RXD的電平在485總線(xiàn)不發(fā)送期間（總線(xiàn)懸浮時(shí)）呈現唯一的高電平，89C51單片機就不會(huì )被誤中斷而收到亂字符。通過(guò)在485電路的A、B輸出端加接上、下拉電阻R7、R9，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。 2 RS-485總線(xiàn)接口軟件設計 RS-485接口的軟件設計對系統聯(lián)網(wǎng)的可靠性有很大影響。由于485總線(xiàn)是異步半雙工的通信總線(xiàn)，在某一個(gè)時(shí)刻總線(xiàn)只可能呈現一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機對分機的查詢(xún)方式通信，總線(xiàn)上必然有一臺始終處于主機地位的設備在巡檢其他分機，這就需要制定一套合理的通信協(xié)議來(lái)協(xié)調總線(xiàn)的分時(shí)共用。這里采用的是數據包通信方式，通信數據是成幀、成包發(fā)送的，每包數據都由引導碼、長(cháng)度碼、地址碼、命令碼、內容和校驗碼等部分組成。其中： 引導碼是用于同步每一包數據的引導頭；長(cháng)度碼是這一包數據的總長(cháng)度；命令碼是主機對分機（或分機應答主機）的控制命令；地址碼是分機的本機地址號；“內容”是這一包數據里的各種信息；校驗碼是這一包數據的校驗標志，可以采用奇偶校驗、“和”校驗以及CRC校驗等不同方式。 在設計RS-485通信軟件時(shí)，尤其要注意對485控制端DE的軟件編程。為了保證數據收發(fā)可靠，在485總線(xiàn)狀態(tài)切換時(shí)需要加適當延時(shí)，再進(jìn)行數據的收發(fā)。具體做法是在數據發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端DE置1；延時(shí)1 ms左右后，再發(fā)送有效的數據。一個(gè)數據包發(fā)送結束后再延時(shí)1 ms，然后將控制端DE清0�？刂贫薉E經(jīng)過(guò)這樣處理后，會(huì )使總線(xiàn)在狀態(tài)切換時(shí)有一個(gè)穩定的工作過(guò)程。 結語(yǔ) RS-485總線(xiàn)具有電路設計簡(jiǎn)單、軟件設計方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在火災報警系統中應用非常廣泛。本系統經(jīng)過(guò)對軟硬件接口進(jìn)行改進(jìn)后，大大提高了通信可靠性、穩定性，可滿(mǎn)足消防報警系統的實(shí)際需要。采用本文改進(jìn)的485總線(xiàn)接口已成功地應用于數百個(gè)消防報警系統，未出現任何通信故障。 |
