一種基于CAN總線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現場總線的集散型火災報警控制系統的網絡結構如圖1所示，每個節點都以AT89C51單片機為節點控制器，MCP2510為總線控制器，MCP2551為總線收發器，其中，與控制臺工作站相連接的節點被稱為集中機，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，單片機通過外部串行接口與控制臺工作站交換信息。各個區域機分布在不同的地理位置上，獨立地執行一個完整的任務。在本文系統中，一個區域機通過一種專門設計的探測器總線可以連接感煙、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、卷簾門等各種消防設備以及各種聲光報警設備，探測器總線上的設備通稱為前端設備。利用CAN通信技術將區域機聯網，管理人員在集中機上就可以觀察各個部分的情況，便于管理和檢測，隨時可以了解到各區域機運行的是否正常，有無報警發生，也可以使各個區域機通過信息交互，實現資源共享，聯防控制。每個區域機都是一個獨立的基本報警控制單元，其功能與單獨使用時的情況完全一樣，它們從本區域機的探測器上采集數據，如有警情出現，在啟動本區的有關消防設備的同時，通過CAN總線將報警信號傳送給集中機，集中機再決定需要起動的由其它區域機管轄的有關消防設備，并通過CAN總線發出聯動命令。另外，由于CAN總線是基于報文的，總線上的節點可以做到即插即用，因而系統的可擴展性比較好;并且，增刪CAN總線上除集中機以外的任何一個節點，不會對其它的節點造成任何影響。

　　圖1中的MCP2510是Microchip公司為簡化CAN總線的接口應用而專門設計的一種獨立CAN控制器芯片，支持CAN協議2.0A/2.0B，最大可編程波特率為1Mbps;MCP2551是Microchip公司生產的可容錯的高速CAN總線收發器芯片，支持1Mbps的運行速率，可連接高達112個節點，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

　　圖2是本文系統節點進行CAN通信的硬件電路圖，在原理圖中，總線控制器MCP2510與總線收發器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，又可簡化線路設計。下面重點說明一下MCP2510與AT89C51的接口技術。

圖2節點進行CAN通信的硬件接口電路

　　MCP2510面向單片機有1個高速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的工作時序圖。AT89C51的UART有4種工作方式，按方式0工作時，串行數據從RXD輸入或輸出，TXD輸出移位脈沖，每次發送或接收8位數據，波特率固定為時鐘頻率的1/12，即1個位周期對應1個機器周期，1個機器周期由12個時鐘周期組成，等分為6個狀態（S1～S6），每個狀態又等分為2個相位P1、P2，因此1個機器周期的12個時鐘周期可記為S1P1、S1P2、S2P1、……、S6P2。TXD輸出的移位脈沖在每個機器周期的S3、S4和S5期間為低電平，而在其余時間為高電平。發送時，每個機器周期的S6P2輸出數據，數據有效時間完全覆蓋了TXD輸出脈沖的負半周，顯然，無論是在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，每個機器周期的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接口在讀過程中，首先接收單片機發出的讀命令和地址，這時，輸出信號線SO處于高祖態，之后，在輸出數據時，輸入信號線SI的狀態可為任意值。而在寫過程中，SO始終處于高阻態。一個寫過程或讀過程的啟動或結束，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，形成一個雙向信號線，再與AT89C51的準雙向數據線RXD連接在一起，實驗結果證明，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域，51系列單片機一直是主流產品，所以將其應用于CAN總線系統，無疑可以降低成本，縮短開發周期。

　　為了實現與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進行數據交互，對MCP2510進行寫操作和讀操作的匯編語言子程序從略。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，編寫單片機與MCP2510的接口程序時，對MCP2510的控制字、狀態字以及寄存器地址，要進行二進制到排處理。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，寫入單片機的串口緩沖寄存器SBUF的地址值應該是01101010B。