Материал: Пожарный извещатель системы охранно-пожарной сигнализации с использованием защищённого канала связи

Рисунок 3.1 - Структурная схема системы охранно-пожарной сигнализации

В данной структурной схеме имеется один приёмно-контрольный прибор охранно-пожарной сигнализации, и N охранно-пожарных извещателей размещённых в пределах контролируемой зоны. Система ОПС рассчитана на работу по общей трёхпроводной шине.

ПКП последовательно обменивается информацией с извещателями, циклически опрашивая все извещатели. В режиме установленного соединения извещатель с соответствующим идентификатором принимает запрос от ПКП, и формирует ответную посылку для ПКП, в случае если по истечении заданного интервала времени, извещатель не передал ответный пакет на ПКП, ПКП информирует оператора системы ОПС посредством вывода на индикатор данных о неисправности извещателя.

В зависимости от текущих настроек ПКП, действия ПКП при неисправности извещателя ОПС можгут быть различными: от вывода информации на индикатор, до включения звуковой и световой индикации в зависимости от роли неисправного извещателя в системе ОПС.

В случае корректного функционирования извещателя он передаёт пакет с идентификатором контроллера шины ПКП, статусом извещателя, и дополнительными данными о параметрах зоны (температура, влажность и. т.п.). В случае передачи тревожного извещения, если статус извещателя отличен от состояния "ГОТОВ", происходит тревожная световая и звуковая индикация, далее наступившее событие может регистрироваться в базе событий.

4. Разработка функциональной схемы

В соответствии с разделами 2 и 3 изобразим функциональную схему пожарного извещателя ОПС.

Выберем узлы входящие в состав пожарного извещателя.

В минимальной конфигурации извещатель должен содержать следующие узлы:

.        Термометр

2.      ИК-светодиод

.        ИК-фотодиоды.

.        АЦП

.        ЦАП.

.        Микрокопроцессор/сигнальный процессор (MPU).

.        Операционный усилитель

.        Блок формирования питающих напряжений (STU).

Рисунок 4.1 - Функциональная схема извещателя пожарной сигнализации.

Рассмотрим узлы, которые необходимы для построения извещателя пожарной сигнализации.

Извещатель реализуется по комбинированной схеме, используя термометр для контроля параметров окружающей среды, ИК светодиод и 2 фотодиода для контроля дымовой камеры.

4.1 Термометр

Измерение параметров окружающей среды можно проводить либо с помощью специализированных ИМС с цифровым выходом, либо проводить анализ отдельных параметров окружающей среды отдельными модулями реализованными на дискретных элементах, а затем оцифровать сигнал с помощью АЦП.

Выберем основой для построения термометра измерительный мост с диодом в качестве чувствительного элемента.

4.2 ИК сенсоры освещённости

Для измерения освещённости нередко применяют элементы, изменяющие некоторый параметр, например сопротивление при изменении освещённости.

Примером таких приборов могут быть такие приборы, как фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы.

Наиболее оправданным, с технической и экономической точки зрения, является применение фотодиодов, по причине их низкой стоимости и простоты замены.

Далее необходимо произвести усиление сигналов измерительных элементов измерения освещённости.

Оценка величины напряжения на выходе фотодиода

Оценим расходимость светового пучка для ик-светодиода

,

где -мощность светового потока принятая фотодиодом, -внутреннее сопротивление фотодиода.

Площадь покрываемая световым пучком на расстоянии и углом расхождения равна:

где -радиус расхождения луча.

Рассчитаем мощность излучения принятого фотодиодом, она равна:

,

где -площадь фоточувствительного элемента, -мощность излучения светодиода. -первоначальная площадь сечения светового потока от светодиода.

Для большинства современных ФД

=0.0005*0.5

4.3 Преобразование сигналов от ИК-фотодиодов для обработки в вычислительном устройстве

Сигналы от ИК-фотодиодов после усиления на ОУ имеют максимальную амплитуду равную десяткам милливольт. Для обработки в вычислительном устройстве информации о прохождении ИК-излучения в дымовой камере, которая содержится в аналоговом сигнале, необходимо осуществить его импульсно-кодовую модуляцию, т.е. преобразовать его в двоичный код. Преобразование аналогового сигнала в цифровой код производится с помощью специальных устройств - аналогово-цифровых преобразователей (АЦП). АЦП характеризуются такими параметрами, как разрядность и максимальная частота преобразования.

Ошибка квантования АЦП вычисляется по формуле , где N - число разрядов АЦП.

Для обеспечения приемлемой точности, зададимся максимальной погрешностью квантования

Рассчитаем наименьшее N обеспечивающее заданную точность

Выберем требуемую разрядность АЦП равной 8 разрядов.

4.4 Вычислитель

Вычислитель (решающее устройство) производит обработку входных данных и производит выдачу решения на соответствующие выходы в соответствии с алгоритмом работы устройства.

Вычислительное устройство может быть построено как на дискретных логических элементах, с жёстко определённым алгоритмом работы устройства, так и на программно-аппаратной основе.

Применение специализированных микросхем обладающих универсальной структурой, внутренней перезаписываемой памятью и ОЗУ является распространённым подходом к построению вычислительного устройств.

Применение специализированной ИМС позволяет реализовывать произвольные алгоритмы, позволяющие извещателю корректнее реагировать на изменяющиеся внешние условия.

С точки зрения технической реализации к таким специализированным ИМС относятся микропроцессоры и микроконтроллеры.

Наиболее простыми в освоении, и дешевыми являются микроконтроллеры. Исходя из того, что пожарный извещатель не требует использования сложных алгоритмов, анализ обстановки в контролируемой зоне может происходить один раз в несколько секунд имеет смысл реализовать устройство управления и обработки пожарного извещателя на микроконтроллере. Такое решение обеспечивает возможность произвольной модификации алгоритма обработки информации сенсоров в процессе эксплуатации извещателя.

В нашем устройстве имеется 3 канала аналоговых сенсоров, для преобразования сигналов от сенсоров в цифровую форму система должна иметь в своём составе как минимум 3-х канальный АЦП, для подключения фоточувствительных сенсоров и термометра.

Общие требованиями пунктов 3 и 4 можно считать следующее:

Вычислительное устройство - микроконтроллер. 3 канала АЦП с точностью не менее 8 бит. Для минимизации размера извещателя целесообразно использование микроконтроллера с встроенными АЦП и ЦАП.

4.5 Шина информационного обмена между извещателем и ПКП

Однопроводные интерфейсы являются неотъемлемой частью периферийных интерфейсов современных микроконтроллеров.

Фактическим стандартом среди двухпроводных интерфейсов является интерфейс 1-wire фирмы Dallas Semiconductors, и его аналоги.

Интерфейс 1-wire характеризуется единой разделяемой шиной данных.

Шина 1-wire поддерживает объединение на общей шине до 250 устройств, что соответствует требованиям ТЗ.

Недостатком 1-wire является сравнительно низкая скорость передачи, достоинством - отсутствие линии синхронизации, и относительно простая топология шины 1-wire.

Исходя из этих предпосылок, выберем основой для построения датчика микроконтроллер STM32F100C8;

4.6 Описание шины 1-wire

Интерфейс 1-Wire™, разработанный в конце 90-х годов фирмой Dallas Semiconductor <#"863024.files/image050.gif">

Рисунок 4.2 - Подключение к шине 1-wire.

Стандартная скорость работы 1-Wire-сети, изначально нормированная на уровне 16,3 Кбит/с, была выбрана, во-первых, исходя из обеспечения максимальной надёжности передачи данных на большие расстояния, и, во-вторых, с учётом быстродействия наиболее широко распространённых типов универсальных микроконтроллеров, которые в основном должны использоваться при реализации ведущих устройств 1-Wire-сети. Эта скорость обмена может быть снижена до любой возможной, благодаря введению принудительной задержки при передаче по магистрали отдельных битов данных (т.е. растягиванию временных слотов протокола). Однако увеличение скорости обмена в 1-Wire-сети с длиной кабеля магистрали более 1 м выше значения 16,3 Кбит/с приводит к сбоям и ошибкам. Если же протяженность 1-Wire-магистрали не превышает 0,5 м, то скорость обмена может быть значительно увеличена за счёт перехода на специальный режим ускоренной передачи (Overdrive - до 125 Кбит/с), который допускается для отдельных типов 1-Wire-компонентов. Как правило, такой режим обмена аппаратно реализован для 1-Wire-компонентов, имеющих большой объём встроенной памяти, предназначенных для эксплуатации в составе небольшой, но качественной и не перегруженной другими устройствами 1-Wire-сети. Типичным примером таких компонентов являются микросхемы семейства iButton.

Рисунок 4.3 - Организация порта 1-wire.

При реализации 1-Wire-интерфейса используются стандартные КМОП/ТТЛ логические уровни сигналов, а питание большинства 1-Wire-компонентов может осуществляться от внешнего источника с рабочим напряжением в диапазоне от 2,8 В до 6,0 В. Причём такой источник может быть расположен либо непосредственно возле компонента (например, батарея в составе микросхем iButton), либо энергия от него может поступать по отдельной особой шине 1-Wire-магистрали. Альтернативой применению внешнего питания служит так называемый механизм паразитного питания, действие которого заключается в использовании каждым из ведомых абонентов 1-Wire-сети электрической энергии импульсов, передаваемых по шине данных, аккумулируемой затем специальной ёмкостью, встроенной в состав интерфейсного узла некоторых 1-Wire-компонентов. Кроме того, отдельные 1-Wire-компоненты могут использовать особый режим питания по шине данных, когда энергия к приёмнику поступает непосредственно от мастера по шине DATA магистрали, при этом обмен информацией в 1-Wire-сети принудительно прекращается.

Пожалуй, особенно привлекательным качеством 1-Wire-технологии является исключительная простота настройки, отладки и обслуживания сети практически любой конфигурации, построенной по этому стандарту. Для начала работы достаточно любого персонального компьютера, недорогого адаптера 1-Wire-интерфейса, а также свободно распространяемого компанией Maxim Integrated тестового программного пакета разработчика OneWireViewer. При наличии этого небольшого числа составляющих организация функционирования 1-Wire-сети практически любой сложности, построенной на базе стандартных 1-Wire-компонентов, реализуется буквально в течении нескольких минут. Возможности, предоставляемые программным пакетом OneWireViewer, позволяют идентифицировать любой 1-Wire-компонент, подключённый к 1-Wire-магистрали, ведомой компьютером через адаптер, и проверить в полном объёме правильность его функционирования в составе конфигурируемой 1-Wire-сети.

4.8 Организация ведущих

Компания Maxim Integrated выпускает несколько видов адаптеров, которые позволяют наделить любой персональный компьютер функциями мастера 1-Wire-сети. К ним относятся адаптеры семейства DS9097U для COM-порта и адаптеры семейства DS9490R для USB-порта. А адаптер типа DS9481R обеспечивает возможность реализации на базе компьютера мастера 1-Wire-сети по спецификации USB 2.0. Эти устройства имеют различные функциональные возможности и конструктивные особенности, что обеспечивает разработчику максимальную свободу выбора при конструировании.

Часто в качестве ведущего 1-Wire-сети выступает не компьютер, а простейший универсальный микроконтроллер. Для организации его сопряжения с 1-Wire-магистралью используются различные программно-аппаратные методы. От простейшего, когда управляющая программа контроллера полностью реализует протокол 1-Wire-интерфейса на одном из своих функциональных двунаправленных выводов, связанных с шиной данных 1-Wire-магистрали, до вариантов, позволяющих высвободить значительные ресурсы контроллера, благодаря использованию специализированных микросхем поддержки взаимодействия с 1-Wire-сетью. Такие микросхемы подключаются к процессору, играющему роль ведущего 1-Wire-сети, через периферийные узлы ввода/вывода, входящие в состав любого универсального микроконтроллера. Например, драйвера семейства DS2482 позволяют управлять 1-Wire-сетью, используя популярный микроконтроллерный интерфейс I2C. Если же требуется реализовать мастера 1-Wire-сети для низкопотребляющей портативной системы, реализуемой на базе микроконтроллера с 3х-вольтовым питанием, применяют более совершенный драйвер DS2483. Эта микросхема, управляемая по более быстродействующей версии интерфейса I2C, исполняет согласование 3х-вольтовых уровней микроконтроллера с уровнями сигналов стандартной 1-Wire-магистрали. Кроме того, DS2483 включает механизмы снижающие, как загруженность микроконтроллера при обслуживании 1-Wire-магистрали, так и общее потребление узла сопряжения с 1-Wire-магистралью. Если же мастер 1-Wire-сети должен быть организован на базе типового узла последовательного интерфейса UART микроконтроллера, используется микросхема DS2480В. Эта микросхема, также как микросхемы DS2482 и DS2483, реализует так называемый программируемый механизм активной подтяжки шины данных 1-Wire-магистрали. Использование активной подтяжки гарантирует качественную передачу сигналов в проблемных 1-Wire-сетях с протяжённой магистралью. Также применение активной подтяжки обеспечивает увеличение нагрузочной способности ведущего по количеству обслуживаемых им ведомых абонентов сети. Кстати, адаптеры семейства DS9097U для COM-порта персонального компьютера, также построены именно на базе микросхемы DS2480В. Более того, учитывая особенности современных операционных сред Windows, именно использование микросхемы-драйвера DS2480В, которая по своей сути является управляемым по последовательному интерфейсу цифровым автоматом, способным взять на себя значительную часть функций по реализации сетевого протокола, и обеспечивает полномасштабное обслуживание 1-Wire-сети в реальном масштабе времени.