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摘 要 提出了一种基于CAN总线的集散型火灾报警控制系统的设计方案，系统以AT89C51单片机为节点控制器，MCP2510为总线控制器，MCP2551为总线收发器。文章主要介绍了AT89C51与MCP2510的SPI接口实现方法，以及MCP2510的初始化方法。
关键词 CAN现场总线 MCP2510 集中机 区域机
随着经济建设的发展，社会对火灾报警控制系统的规模的要求越来越大，为了适应市场的需要，笔者利用CAN现场总线技术，设计出了一种集散型火灾报警控制系统，该系统结构灵活、使用方便，可满足大、中、小各种规模的火灾报警及消防控制的要求。CAN（Controller Area Network）即控制器区域网——一种有效的支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络，由于其高性能、高可靠行，及独特的设计，越来越受到人们的重视，其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准，并被公认为是最有前途的现场总线之一。本文主要介绍由MCP2510与MCP2551组成的CAN现场总线的在集散型火灾报警控制系统中的应用。
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【3】，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【4】，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S I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【2】。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。
3 MCP2510初始化
MCP2510的初始化包括设定可编程引脚功能、总线波特率以及接收过滤器与屏蔽器，以下主要介绍总线波特率以及接收过滤器与屏蔽器的初始化。
3.1 波特率初始化
MCP2510内含的波特率发生器由可编程预分频器、固定2分频器和位定时器级连而成，它使设计者可以方便地选择所需要的任何波特率。在位定时器中，MCP2510将一个位周期依次分割为同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2等4个时间段，每个时间段的长度都是输入信号周期TQ的整数倍，其中同步段固定为1TQ，其余3个时间段的长度都是可编程的。所谓波特率初始化，就是设置可编程预分频器和位定时器各可编程时间段的值，使其满足波特率的需要。
根据CAN技术协议，波特率为1Mbps时，通信距离为40m，波特率为5Kbps时，通信距离最远可以达到10Km【1】。考虑到本文系统既可用作一个高层楼宇的火灾报警控制网络，又可用作一个单位内部多个仓库、车间等的火灾报警控制网络，所以通信距离应该在数千米以上，而所要传输的数据量不大，故可以选择较低的波特率。在实际应用中，笔者选择波特率为8Kbps。
本文系统选择12Mhz晶体振荡器为MCP2510提供时钟信号。根据位定时器中各个时间段的长度必须满足的约束条件，初始化传播段寄存器PRSEG=3，相位缓冲段1寄存器PHSEG1=4，相位缓冲段2寄存器PHSEG2=4；然后初始化预分频器BRP=49。从而可得总分频系数为（49＋1）×2×[1+(3+1)+(4+1)+(4+1)]=1500，最终获得8Kbps的波特率。
3.2 过滤器与屏蔽器初始化
MCP2510具有完善的总线争用功能，可用于分布式系统，但是，在火灾报警控制系统中，因为集中机担负着对区域机的监管任务，所以本文系统采用了集中-分散控制方式，集中机不断地巡回查询区域机，在工作台上随时反映区域机工作的情况，为工作人员提供维护设备的依据。
MCP2510支持标准帧、扩展帧和远程帧，数据段长度为0-8个字节。器件对CAN总线上的数据接收是通过2个接收缓冲器、6个接收过滤器和2个接收屏蔽器的组合来实现的。CAN总线上的帧只有至少满足一个接收过滤器的条件才可被接收。为了说明过滤器与屏蔽器的初始化方法，这里首先介绍报文帧。本文系统只使用标准数据帧进行数据传输。标准数据帧的长度为44+8n位，其中11位ID段在本文系统中被分为两部分，高7位用来表示区域机的逻辑地址码，整个系统允许接入的区域机最多为50个，低4位用来表示报文类型码。集中机发送的报文帧如表1所示，区域机发送的报文帧如表2所示。8n位数据段可有可无，在表1中，只有选呼联动报文含有数据段，表示请求联动的设备号，在表2中，只有请求点名报文不含数据段，其余报文必须至少含有1个字节数据，用来表示区域机的逻辑地址码，其余数据用来表示故障、报警的探测器号和设备号，或区域机配置。
表1：集中机发送的报文帧 表2：区域机发送的报文帧
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类型 |
ID段 |
数据段 |
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广播点名 |
111 0101 1111 |
n=0 |
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选呼点名 |
1xx xxxx 0001 |
n=0 |
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选呼自检 |
1xx xxxx 0010 |
n=0 |
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选呼联动 |
1xx xxxx 0011 |
n=1～8 |
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选呼查询 |
1xx xxxx 0100 |
n=0 |
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类型 |
ID段 |
数据段 |
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请求点名 |
011 1100 0111 |
n=0 |
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配置 |
010 1010 0001 |
n=1～8 |
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正常 |
010 1010 0010 |
n=1 |
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故障 |
010 1010 0011 |
n=1～8 |
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报警 |
010 1010 0100 |
n=1～8 |
表1中的xx xxxx表示集中机要访问的区域机的逻辑地址码。表1的报文是发送给区域机的，表2的报文是发送给集中机的，报文能否被接收，要由MCP2510的过滤器来决定，因此，初始化时，集中机按从上到下的顺序将表2中的数据依次写入MCP2510的过滤器RXF1～RXF5，区域机在用本机的逻辑地址码代替表1中的xx xxxx之后,也按从上到下的顺序将表1中的数据依次写入MCP2510的过滤器RXF1～RXF5，未曾用到的过滤器RXF0被设置为全“1”，使其不接收总线上的任何有效报文。初始化时，在区域机方面，将2个接收屏蔽器都设置为全“1”，在集中机方面，将接收屏蔽器RXM1设置为全“1”，而将RXM0设置为101 1011 1010B，表示除集中机的过滤器RXF1的SID9、SID6、SID2和SID0等4位外，过滤器的其余所有位都参与信息过滤，这是因为上述4位与请求点名帧的ID码在跳变位置上的隐性位相对应，而请求点名帧容许多个区域机同时发送，从而由传输延迟引起的码间串扰，很可能使这些位的状态不确定。
4 通信过程简介
集散型火灾报警控制系统的通信过程，也就是集中机对区域机循环进行的点名和查询过程。在点名阶段，集中机发送广播点名帧,区域机以请求点名帧响应，若接收到未被登录的区域机发出的请求点名帧，集中机进行选呼点名，区域机以配置帧响应；在查询阶段，集中机反复判断有无自检请求，若有自检请求，则对区域机逐个选呼自检，区域机以配置帧响应，自检结束，继续选呼查询，区域机以正常帧、或故障帧，或报警帧响应，在查询中若接收到报警信号，再根据需要发送选呼联动帧，区域机以正常帧确认。
5 结束语
实验结果表明，因为MCP2510具有完善的现场总线管理机制和面向单片机的SPI接口，一方面简化了系统的软、硬件设计，另一方面使节点控制器摆脱了对网络通信的频繁干预，从而大大提高了系统的整体性能，与采用RS232等其它串行通信技术的集散型系统相比较，本文提出的基于CAN总线的集散型火灾报警控制系统具有较高的安全性、可靠性和实时性，可用于各种场合的火灾报警控制。
参考文献
1 阳宪惠,现场总线技术及其应用,北京:清华大学出版社,2000.
2 张友德,飞利浦80C51系列单片机原理与应用技术手册,北京,航空航天大学出版社,1992.
3 带有SPITM接口的独立CAN控制器MCP2510, Microchip 公司, 2004, http:// ww1.microchip.com/downloads/en/
DeviceDoc/21291e_cn.pdf .
4 MCP2551 High-Speed CAN Transceiver Data Sheet, DS21667,Microchip Technology, Inc. | 
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