多平台统一管理软件接口,如何实现多平台统一管理软件接口
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2023-01-05
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感温线缆式火灾定位报警控制器的研制
摘要:介绍了感温线缆式火灾探测元件的工作原理,以及以单片机为系统核心的火灾定位报警控制器的
软硬件特点。对于其核心问题———多路感温线缆电阻的高精度在线测量的解决方法,进行了比较详细的阐
述。该报警控制器能够在有污染、粉尘、潮湿及腐蚀等恶劣环境中承担火灾定位报警。
0 引言
感温线缆式火灾定位报警控制器(以下简称报
警控制器) 以感温线缆作为火灾探测元件,能够在有
污染、粉尘、潮湿及腐蚀等恶劣环境中完成火灾定位
报警,因此适合在冶金企业、铁路隧道、地下矿井、化
工企业、大型库房和变电站等场合应用。它不仅能
够可靠地实现火灾报警,而且能够探测到着火点的
准确位置,使灭火工作有的放矢,减少火灾的损失。
在硬件方面,报警控制器以高性能的MCS - 196 系
列16 位单片机80C196 KC 为系统核心,优选了几种
集成度高、性能良好的新型接口芯片,电路得以简
化,可靠性提高,功耗降低。在软件方面,报警、记
录、打印等功能完备,因而具有“黑匣子”功能;设计
的计算程序能够保证检测精度高;另外,它的运行状
态显示简洁醒目,参数设置方便,达到了人机界面友
好的要求。
1 火灾报警控制系统的构成
由1 台或多台感温线缆式火灾定位报警控制器
和1 台监控级台式计算机可以组成一个感温线缆式
火灾定位报警控制系统。监控级计算机一般设置在
楼宇管理办公室,用于集中监控多个监测区域。监
控级可选用“奔腾”型台式计算机,与报警控制器之
间用RS232C 串行通信接口相连。采用VC + + 6. 0
开发了相应的监控程序。
报警控制器的钢制机箱尺寸为500 mm ×
340 mm ×180 mm ;一般情况下由AC 220 V 供电,
另有蓄电池作为备用电源,在AC 220 V 断电的情
况下自动切入,以维持报警控制器继续工作,且同时
发出“电源故障”报警信号;报警控制器的输出控制
装置为8 路继电器板,用于启动自动灭火装置。
2 感温线缆式火灾定位原理
感温线缆是一种新近研制出的特殊的电缆,由
外包定温熔化的绝缘材料双绞钢丝、聚酯薄膜保护
层和金属屏蔽层构成。由于钢丝作为导体有电阻,
在钢丝材料确定的情况下,电阻与钢丝长度成正比
(现在采用的感温线缆为0. 253 4 Ω/ m) 。新敷设的
感温线缆初始回路长度被称为“标定长度值”,它对
应着“标定电阻值”。报警控制器工作时周而复始地
测量感温线缆的电阻值,判断电阻值与标定电阻值
相比较是否发生了变化。当发生火灾时,高温使绝
缘材料熔化,双绞钢丝由于绞合应力接触,使回路长
度短于初始回路长度,因而测得电阻值小于标定电
阻值,判断发生了火灾。根据钢丝接触点与报警控
制器之间的电阻,能够计算出两者之间的距离,从而
确定火灾发生的位置。报警控制器按检测8 条感温
线缆设计(即同时监测8 个区域的火情) 。
3 感温线缆电阻测量电路
从上面的论述可以看出,8 条感温线缆电阻的
高精度测量是报警控制器设计中必须解决的问题。
就多路电阻测量而言,可参考数字万用表的基本思
路,即将电阻值转换为电压值,然后进行A/ D 转换
而获得电阻值。但还要注意:数字万用表一般采用
的是机械触点式开关,其特性接近于理想开关,而感
温线缆电阻的测量必须使用开关特性不够理想的
IC 电子开关。
另外,由于报警控制器工作的特殊性,还应当考
虑以下几点:
(1) 由于感温电缆敷设距离达几百米,环境可
能非常复杂恶劣,特别是动力电压可能有漏电窜入,
为确保人身设备安全,感温线缆电阻测量部分必须
与系统其它部分达到电气隔离。
(2) 感温电缆的一端接入电阻测量电路,另一端
不能开路,否则可能引入很高的感应电压,必须短路
或接入终端电阻,实际应用中接入10 Ω精密电阻。
(3) 电阻测量电路必须保证能够在感温线缆发
生断路的故障情况下不受破坏。
(4) 数字万用表测量电阻一般采用“恒流源法”
或“比例法”,因为这两种方法都能够保证电阻与其
端电压之间呈线性关系,测量值的显示是容易处理
的。
报警控制器采用的是“电阻分压法”,其原理如
图1 所示。
图1 电阻分压法测量原理图
被测电阻Rx 与V x 有如下关系:
V x = E ×Rx / ( Rx + Rs )
这种测量方法附加元件少,因而电路十分简单。
但测量中使用的电压源的长期稳定性和电阻Rs 的
精度都直接影响测量的结果,为此,测量中需要的基
准电压由图2 所示电路产生。图1 中Rs 必须选用
误差为0. 01 %的精密电阻,这种电阻温度系数极低
(对于这种电阻分压法,电阻值与其端电压呈非线性
的关系,由于使用了单片机,处理非线性比较容易) 。
另外,报警控制器的测量电路必须使用IC 电子开关
(如AD7503 等) ,其导通时的电阻达100 多欧姆(若
采用“恒流源法”或“比例法”会引起很大的误差) 。
图2 测量基准电压电路
能够满足以上要求的感温线缆电阻测量电路如
图3 所示,共有8 路输入,输入电路结构相同,图中
仅画出其中第1 路。图中Rc1 和D1 的作用是箝制
进入AD7503 的电压值,起保护作用。MAX176 是
12 位二进制分辨率的A/ D 转换器,以串行方式与
单片机之间传送数据和控制信号,仅需3 根联络线,
与并行输出方式的A/ D 转换器相比,能够有效地减
少光电耦合器的数量。
图3 感温线缆电阻测量电路
为保证测量精度,由MAX176 输出的- 5. 0 V
基准参考电压V REF (同时是MAX176 内部的基准电
压) 经过OP07 型高精度低温漂运算放大器变换为
+ 10. 0 V 的测量基准电压V s (如图2 所示) , 这样
V s 就能跟踪V REF ,而不会影响A/ D 转换的结果。
在报警控制器中,将电阻测量部分制成了独立
的电路模块———信号调理板(如图4 所示) ,具有独
立的电源,并使用多路光电耦合器传送信号,从而达
到了安全性的要求。信号调理板通过20 芯插座与
单片机相连,维修和更换都很方便。采取以上措施
研制的电阻测量部分,能够达到单路探测长度为
700 m、每路定位精度均为±1 m 的设计要求。
4 报警控制器的结构
图4 为报警控制器结构框图。报警控制器以高
性能的MCS - 196 系列单片机80C196KC 为核心,配
置有2764 型EPROM、6264 型RAM、DS12887 型日
历时钟芯片、8255 型并行接口芯片、MAX7219 型数
码管驱动芯片、16 位数码管和8 只按键的键盘。
L ED 数码管主要用于指示报警控制器的工作
状态(即是否有火灾报警或故障等) ,在操作者输入
命令和参数时,还能起协调作用。数码管显示的突
出优点是简洁醒目, 能够缩短管理人员读取火警状
态的时间,对于紧急处理火警有利。数码管的作用:
在报警控制器没有检测到火灾报警或故障时,数码
管循环显示当前的时间和各路的距离标定值;在“报
警”状态时,数码管显示发生火灾的路号和火灾点与
2006 年第3 期胡玉祥等:感温线缆式火灾定位报警控制器的研制 · 43 ·
图4 报警控制器结构框图
报警控制器之间的距离;在操作者输入命令和参数
时,数码管的作用是“人机对话”,数码管配合键盘设
定/ 显示日期、时间、标定值和打印机输出记录数量
等。
微型面板式打印机用于输出火灾报警记录,可
以起到火灾“黑匣子”的作用,另外,还能打印各路的
标定值。在8 路继电器输出板,每只继电器的开断
能力为3 A、125 V ,可以接通相当功率的灭火装置。
5 键盘电路及中断方式管理程序
键盘是“人机对话”的工具,在操作者输入命令
和参数时,键盘与数码管的相互配合可设定/ 显示日
期、时间、标定值和打印机输出记录数量等。在报警
控制器中,充分利用了80C196 KC 的硬件资源HSI
和软定时器,不用扩充有源器件,即可实现对键盘的
高效率管理,键盘电路如图5 所示。报警控制器键
盘使用的机会不多,需要输入的量都是数字,采取
“增量/ 减量法”,仅需6 只按键,但对它的特殊要求
是对于某一路进行操作时,不能使其它路的循环检
测周期受到破坏,因此键盘必须以中断方式工作。
图5 报警控制器键盘电路
6 只按键分别是“确认”、“退出”、“左移”、“右
移”、“增量”、“减量”。当报警控制器处于正常检测
工作状态时,只能响应“确认”键,因它与HSI 相接,
键闭合产生的下降沿会引起HSI中断,从而进入人
机对话过程。在HSI 中断服务程序中,设置软定时
为20 ms , 然后在后续的软定时20 ms 时间间隔中
断服务程序中, 依次处理“前沿消抖”、“判断按键释
放" 、“键值生成”和“后沿消抖”等工作,避免了软件
查询、延时等待等低效率的操作。
“左移”、“右移”键具有2 种功能:在“项目选择”
状态时,用于选择“日期”、“时间”、“标定值”和“打印
机数量”等不同的输入种类;在“数值输入”状态时,
用于定位输入值的“位数”(如个位、十位、百位) 。
6 软件的研制
监控级的软件是用VC + + 6. 0 开发,主要用于
通信和显示各路工作状态。在通信方面,监控级是
通信的“主站”,由它指定并启动报警控制器的数据
传送;而报警控制器是“从站”,只有被“轮巡”到了,
才能进行数据传送。
报警控制器的软件采用MCS - 196 汇编语言
开发,由1 个主程序段和4 个中断服务程序共计
5 个大模块构成:工作单元数据初始化及可编程芯
片的工作方式设置程序段、定时器中断服务程序、采
样中断服务程序、打印中断服务程序、串行通信中断
服务程序。
在定时器中断服务程序中完成的任务包括以下
各项工作:键盘扫描及输入数据处理、数码管显示、
日历及时钟管理、采样数据的滤波处理、火灾报警或
故障的判断、报警信号的发出、报警数据存储、打印
数据的形成、串行通信数据的组织。
7 火灾报警控制器的性能指标
每台报警控制器的探测回路有8 个,即可同时
监测8 个区域。单路探测长度为700 m ,每路定位
精度均为±1 m。
可以存储80 条报警记录。内置微型面板式打
印机用于输出火灾报警记录,最多可打印80 条报警
记录,并与系统的NVRAM 共同起火灾“黑匣子”的
作用,另外,还能打印各路的标定值以及自检信息。
采用了内藏锂电池的日历时钟芯片DS12887 ,
正常工作时能够显示日期和时间,具有时钟功能。
日期和时间又都是报警记录中的重要信息。
由于软件中采取多个中断服务程序处理多项任
务,各项任务都能得到尽快的响应,使得火灾的判断
能在0. 025 s 内完成,火警信号能够在1 s 内发出,
充分发挥了计算机在监测方面的潜力。
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