基于CAN總線的電氣火災監控系統設計

分類：技術教程日期：2010-02-05 00:00:00

1 引言
　　據《中國火災統計年鑒》統計，自1993～2002年全國范圍內共發生電氣火災203780起，占火災總數近30%，在所有火災起因中居首位。我國的電氣火災大部分是由短路引發的，特別是接地電弧性短路事故。采取確實可行的方法預防和遏制電氣火災的發生已刻不容緩。
　　在各類建筑及其它領域中廣泛應用安裝電氣火災監控器，能有效預防和減少漏電引起的電氣火災。應用在線檢測技術，可長年不間斷地檢測用電線路的過電流、漏電電流等參數，能隨時掌握電氣線路或電氣設備電氣火災危險參數的變化情況、故障和異常狀態，及時發現電氣線路的火災隱患，消除隱患，防患于未然，保護國家和人民生命財產的安全。

2 電氣火災監控系統組成
　　系統由電氣火災集中控制器，主控制器，支路控制器，以及信號采集調理部分組成。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

　　電氣火災監控集中控制器采用帶觸摸屏嵌入式工控機，人機界面使用mcgs組態軟件，采用can總線與電氣火災主控制器進行通訊。主控制器完成鍵盤輸入，對支路控制器傳輸的數據進行處理，及時將各支路狀態發送給集中控制器,以及在lcd實時顯示被監控線路的各種運行狀態及參數，并準確地記錄下被監控線路運行狀態的變化、故障特征、故障地址、時間等歷史數據。支路控制器負責a/d轉換，并進行數字濾波，比較分析線路的過電流、漏電流等狀態特征，做出相應預警、報警、脫扣動作,并與主控制器通過i2c總線完成雙向通信。信號采集及調理部分采用高精度電流互感器、漏電電流互感器對電信號進行采樣，并進行信號調理，電壓跟隨，光電隔離，將0-5v的標準信號送入ad 轉換器。ad轉換器采用12位的ti公司ad轉換器tlc2543。

3 支路控制器設計
　　支路微處理器選用的是philips lpc932a1單片機,它是基于8051內核的高速、低功耗的8位單片機，其指令執行時間只需2到4個時鐘周期。6倍于標準8051器件。支路控制器系統結構框圖如圖2所示。

圖2 支路控制器系統結構框圖

　　支路控制器系統中，采用精密電阻對ia、ib、ic、in四路電流互感器的電流信號取樣并放大，然后采用精密整流電路將交流電壓信號轉換為直流電壓信號。經單片機處理后將信號通過i2c總線傳輸至主控制器。
　　由于現場各種干擾因素較多，因此在支路控制器軟硬件設計上必須考慮抗干擾問題。抗干擾設計主要包括以下幾方面:電源抗干擾設計、單片機抗干擾、過程通道抗干擾設計、印刷電路板及電路的抗干擾設計和軟件的抗干擾設計。其中系統電源采用dc-dc變換器得到穩定的±12v和5v直流電壓，采用了高速光耦6n137對信號進行隔離，在軟件設計中加入了數字濾波器進一步了提高系統的抗干擾能力。

4 主控制器設計
　　主控制器由聲光報警、鍵盤及液晶顯示、can總線控制器、外部flash和時鐘/日歷發生器等部分構成。主路微處理器選用的是 philips p89v51rd2單片機。主控制器完成的功能主要有:采集各支路控制器傳輸的ia、ib、ic、in等參數數據，故障特征數據，并在 lcd上實時顯示，并通過can總線傳輸給集中控制器。此外主控制器還將各支路控制器運行狀態信號用相應雙色發光管顯示;當有通道出現報警信號時，主控制器驅動蜂鳴器，并將實時故障特征數據保存至flash。主控制器系統結構框圖如圖3所示。

圖3 主控制器系統結構框圖

　　本系統can接口硬件主要采用can獨立控制器sja 1000和can收發器pca82c250。can總線技術屬于現場總線的范疇，can總線具有較強的糾錯能力，支持差分收發，因而適合高噪聲環境，并具有較遠的傳輸距離;因此，can協議對許多領域的分布式測控系統很有吸引力，特別適合于小型分布式測控系統。can總線可以多主機方式工作，網絡上任意節點可以在任意時刻主動向網絡上其他節點發送信息。可以分為不同優先級，滿足不同實時需要。通訊介質采用雙絞線，無特殊要求，用戶接口簡單。基于can總線的微處理器火災監控器系統，為解決火災報警問題上提供了新的方法和手段，既提高了系統的準確性、可靠性，又為工程設計、施工布線提供了極大的方便。
　　本系統中lcd顯示界面如圖4所示。通過系統監控界面可查看實時電流數據，數據以滾動的形式顯示。用戶通過系統設置界面可以設置當前時間以及支路控制器的地址。添加，刪除支路，對支路的預警電流值，報警電流值，電流互感器變比，預警延時時間，報警延時時間進行設置。通過設置延時時間可以防止系統誤動作。通過查詢歷史數據界面可以查詢報警原因，報警時間以及報警的通道編號。

圖4 lcd顯示界面

5 系統軟件設計
　　監控系統軟件設計流程圖如圖5所示。當系統啟動工作后，經過初始化，主單片機開始對支路進行參數設置，設置電流互感器變比，報警，預警延時時間，然后每隔50ms接收各個支路板實時數據。當ia、ib、ic、in通道電流超過設定電流值，支路單片機驅動繼電器，并將通道狀態傳送給主控制器。