一种基于CAN总线的集散型火灾报警控制系统

1、系统组成与工作原理概述

　　本文提出的基于CAN现场总线的集散型火灾报警控制系统的网络结构如图1所示，每个节点都以AT89C51单片机为节点控制器，MCP2510为总线控制器，MCP2551为总线收发器，其中，与控制台工作站相连接的节点被称为集中机，其余为区域机。在集中机中，所谓控制台工作站，就是一台PC机，单片机通过外部串行接口与控制台工作站交换信息。各个区域机分布在不同的地理位置上，独立地执行一个完整的任务。在本文系统中，一个区域机通过一种专门设计的探测器总线可以连接感烟、感光、感温等各种火警探测器，还可以借助适配器控制诸如喷水阀、卷帘门等各种消防设备以及各种声光报警设备，探测器总线上的设备通称为前端设备。利用CAN通信技术将区域机联网，管理人员在集中机上就可以观察各个部分的情况，便于管理和检测，随时可以了解到各区域机运行的是否正常，有无报警发生，也可以使各个区域机通过信息交互，实现资源共享，联防控制。每个区域机都是一个独立的基本报警控制单元，其功能与单独使用时的情况完全一样，它们从本区域机的探测器上采集数据，如有警情出现，在启动本区的有关消防设备的同时，通过CAN总线将报警信号传送给集中机，集中机再决定需要起动的由其它区域机管辖的有关消防设备，并通过CAN总线发出联动命令。另外，由于CAN总线是基于报文的，总线上的节点可以做到即插即用，因而系统的可扩展性比较好;并且，增删CAN总线上除集中机以外的任何一个节点，不会对其它的节点造成任何影响。

　　图1中的MCP2510是Microchip公司为简化CAN总线的接口应用而专门设计的一种独立CAN控制器芯片，支持CAN协议2.0A/2.0B，最大可编程波特率为1Mbps;MCP2551是Microchip公司生产的可容错的高速CAN总线收发器芯片，支持1Mbps的运行速率，可连接高达112个节点，适合12V和24V系统，管脚特性与MCP2510完全兼容。

2硬件电路与SPI接口技术

　　图2是本文系统节点进行CAN通信的硬件电路图，在原理图中，总线控制器MCP2510与总线收发器MCP2551直接相连，因为它们的管脚是完全兼容的，另外，考虑到系统总线速率比较低，所以使MCP2551的斜率电阻输入引脚RS悬空，选择最小斜率，这样，既可将RFI抑制到最小，又可简化线路设计。下面重点说明一下MCP2510与AT89C51的接口技术。

图2节点进行CAN通信的硬件接口电路

　　MCP2510面向单片机有1个高速SPI接口（5Mhz），该接口由片选控制输入CS、移位脉冲输入SCK、串行数据输入SI和输出SO等4个引脚组成。AT89C51不具备标准的SPI接口，但是，可以利用UART接口与SPI接口通信。图3为AT89C51的UART接口工作在方式0，即移位寄存器方式时的工作时序图。AT89C51的UART有4种工作方式，按方式0工作时，串行数据从RXD输入或输出，TXD输出移位脉冲，每次发送或接收8位数据，波特率固定为时钟频率的1/12，即1个位周期对应1个机器周期，1个机器周期由12个时钟周期组成，等分为6个状态（S1～S6），每个状态又等分为2个相位P1、P2，因此1个机器周期的12个时钟周期可记为S1P1、S1P2、S2P1、……、S6P2。TXD输出的移位脉冲在每个机器周期的S3、S4和S5期间为低电平，而在其余时间为高电平。发送时，每个机器周期的S6P2输出数据，数据有效时间完全覆盖了TXD输出脉冲的负半周，显然，无论是在TXD的上升沿，还是下降沿，外设都可从RXD输入有效数据。接收时，每个机器周期的S5P2输入数据，显然，外设如果在TXD的下降沿输出数据，单片机就可接收到有效数据。因为MCP2510的SPI接口是在SCK的上升沿输入数据，在SCK的下降沿输出数据，所以，在电路图中，可以将TXD直接作为SCK的输入信号。MCP2510的SPI接口在读过程中，首先接收单片机发出的读命令和地址，这时，输出信号线SO处于高祖态，之后，在输出数据时，输入信号线SI的状态可为任意值。而在写过程中，SO始终处于高阻态。一个写过程或读过程的启动或结束，都是由片选信号CS控制的。根据SPI接口的这一工作机理，在电路图中，将MCP2510的SI和SO连接在一起，形成一个双向信号线，再与AT89C51的准双向数据线RXD连接在一起，实验结果证明，MCP2510与AT89C51的这种连接方式是完全正确的。因为在单片机应用领域，51系列单片机一直是主流产品，所以将其应用于CAN总线系统，无疑可以降低成本，缩短开发周期。

　　为了实现与MCP2510的SPI接口交互,单片机的UART接口选择方式0，采用12MHz晶振作为单片机的时钟频率，在方式0下，波特率固定为1Mbps。在图2所示的硬件电路的支持下，AT89C51就可按照普通移位寄存器的方式与MCP2510进行数据交互，对MCP2510进行写操作和读操作的汇编语言子程序从略。值得指出的是，因为SPI传输数据的顺序是先高位后低位，与UART传输数据的顺序相反，因此，编写单片机与MCP2510的接口程序时，对MCP2510的控制字、状态字以及寄存器地址，要进行二进制到排处理。例如，MCP2510的接收缓冲寄存器RXB0的首地址是01010110B，单片机读其中的内容时，写入单片机的串口缓冲寄存器SBUF的地址值应该是01101010B。