基于CAN总线的大容量汉字火灾楼层显示器报警系统方案设计

1 引言

　　火灾楼层显示器作为火灾自动报警系统的重要组成部分，是一种安装在楼层或独立防火区中的数字式火灾报警显示装置。它通过报警总线与火灾报警控制器相连，处理并显示报警总线上的数据。火灾楼层显示器中的内置单片机将接收到的总线信息进行判断、分析和处理，将报警的探测器地址编号转换成相应的火警地点信息（例如房间号和房间类型等），连同火警类型一道通过液晶显示出来，同时发出声光报警信号，通知失火区域的人员。

　　目前国内现有的火灾楼层显示器大都以51单片机作为MCU。因为ROM寻址空间所限，火灾楼层显示器大都只能显示火警所在楼层号和地址号，无法以直观的汉字信息提示情况各异的具体火警地点。如果将汉字信息通过总线分发到各个楼层显示器，巨大的通讯量又会给火警系统总线带来沉重负荷，导致整个火警系统效率低下，延误火警上报时机。本文提出了一种基于CAN总线的大容量汉字火灾楼层显示器，很好的解决了上述问题。

　　2 火灾报警系统总体功能描述

　　火灾报警控制系统中，中央火警控制器通过CAN总线和各个单元进行实时通讯并完成各项控制和报警功能。单元是火灾探测器、手动报警按钮、输入输出模块、楼层显示器等设备的总称。它们是系统终端，直接探测火灾信号，并通过通道上报给控制器，同时接收由各种通道转发控制器给单元的联动信息（启动输入输出模块控制的灭火装置）、显示信息（楼层显示器显示火灾信息）等。通道是回路模块、转接模块和总线控制盘等设备的总称。它们是控制设备和终端的通道，是拓扑网络构成的中继设备。火灾报警控制系统的总体结构和楼层显示器在系统的中的位置如图1所示。

图1 火灾报警控制系统结构及楼层显示器所在位置显示

　　3 系统功能及硬件描述

　　3.1 汉字楼层显示器硬件设计方案

　　如图2所示，汉字楼层显示器包括单片机及其外围电路，CAN总线模块， FLASH存储器，汉字液晶模块，UART接口，以及灯和按键，蜂鸣器。单片机可通过UART接收PC上传下来的汉字信息，存储到FLASH中作为地址信息的查询数据库。通过CAN控制器MCP2510和CAN总线驱动器 PCA82C250组成的CAN通信模块和火灾报警控制器进行CAN总线通信。如果有火警发生，单片机将记录火警信息，查询FLASH得到火警发生的汉字地址信息，并在汉字液晶上滚动显示火警和信息查询结果。同时，发生火警时还可通过查询键快速查询火警信息，通过蜂鸣器报警，通过消音键消音，并点亮发光二极管报警。未发生火警时，通过自检键自检可以检查各个功能是否能正常工作。

图2 汉字楼层显示器结构框图

　　3.2 FLASH存储器电路设计

　　FLASH 选用的SST29SF040是SST公司推出的高速可编程闪存。它符合JEDEC标准，具有512K×8 Bits的存储结构;芯片擦除及写入的时间快，整片擦除只需70毫秒，段擦除只需18毫秒，字编程写入时间仅为14微秒;可靠性高，能够重复写100，000次，数据可以保存100年不丢失。

　　SST29SF040 的容量是512K Bytes，而51系列单片机的ROM直接寻址范围是64K Bytes，如果不加以处理而直接使用，将会浪费大量的存储空间。我们使用了一种分页存储方式，使得FLASH存储空间得以充分利用，大大扩充了单片机ROM寻址范围。按照每条汉字信息占用32个Bytes计算，理论上可以最大存储16384条火警地址信息，足以应付绝大多数复杂的工程环境。图3为存储器电路，最高位地址线A16-A18接单片机的P1.0-P1.2，因而 FLASH存储器实现了8页，每页64K的外部存储结构。在每次读写FLASH时，将P1.0-P1.2赋不同的值即可实现不同的页选。假设page为待选取的页号变量（0-7），在Keil Cx51中通过下列语句即可实现读写前的选页操作：P1 = （P1 & 0xf8） | page;

图3 FLASH存储器分页存储电路
　3.3汉字液晶显示模块设计

　　我们选用金鹏电子公司的OJM2＊8A汉字液晶模块作为显示设备。OJM2＊8A中文液晶显示模块内含GB 2312的15＊15点阵国标一、二级简体汉字和 8＊8点阵及8＊16点阵ASCII字符，用户输入GB2312区位码或ASCII码即可实现文本显示。每个汉字的区位码只占用两个字节，是原来汉字点阵所需存储单元的1/16。

汉字液晶模块接口协议为请求/应答（REQ/BUSY）握手方式。应答BUSY高电平（BUSY =1）表示液晶模块忙于内部处理，不能接收用户命令;BUSY低电平（BUSY =0）表示液晶模块空闲，等待接收用户命令。发送命令到液晶模块可在BUSY =0后的任意时刻开始，先把用户命令的当前字节放到数据线上，接着发高电平REQ信号（REQ =1）通知液晶模块处理当前数据线上的命令或数据。液晶模块在收到外部REQ高电平信号后立即读取数据线上的命令或数据，同时将应答线BUSY 变为高电平，表明模块已收到数据并正在忙于对此数据的内部处理。此时用户对模块的写操作已经完成，用户可以撤消数据线上的信号并可作模块显示以外的其他工作，也可不断地查询应答线BUSY是否为低（BUSY=0 ?），如果BUSY=0，表明模块对用户的写操作已经执行完毕，可以再送下一个数据。如向模块发出一个完整的显示汉字的命令，包括坐标及汉字代码在内共需5个字节。模块在接收到最后一个字节后才开始执行整个命令的内部操作，因此最后一个字节的应答BUSY 高电平（BUSY =1）持续时间较长。对液晶模块写汉字时序图如图4所示。

 

图4 对液晶模块写汉字时序图

　　3.4 CAN总线通讯模块设计

　　我们选择Microchip公司的MCP2510CAN控制器和Philips公司的PCA82C250CAN收发器构建CAN总线通讯模块。 MCP2510支持CAN2.0A/B协议，可接收和发送2.0协议下的标准帧、扩展帧和远程帧。MCP2510拥有三个发送缓冲区和两个接收缓冲区，可以进行接收滤波和消息管理，防止过度发送和过度接收形成拥塞。其最大的优点是拥有传输速率可达5Mb/S的SPI端口，节省MCU端口，提高通信速度。 Philips公司的82C250CAN总线收发器可与MPC2510无缝连接，它有高速模式，斜率控制模式和延时模式。经过多次的实验证实其工作在斜率控制模式下最为稳定，速度也能构满足系统10Kbps的传输速率。

图5 CAN总线通信电路

　　CAN 总线通讯模块电路如图5所示，单片机通过I/O口直接和MCP2510的SPI口相连，用软件模拟实现SPI接口协议。PCA82C250作为 MCP2510与物理CAN总线的接口。如果需要进一步提高系统的抗干扰能力，可在MCP2510和PCA82C250之间加一个光电隔离器。
4 系统软件设计

　　汉字楼层显示器软件功能主要是1.将串口发送下来的汉字信息文件写入FLASH存储。2.和火灾报警控制器进行CAN通信，如果发现有火警信息，则查找FLASH中的汉字地址信息，予以显示在汉字液晶上报警，如有多条火警信息，则滚动显示各条信息。

图6 汉字楼层显示器软件流程图

　　图 6是汉字楼层显示器软件流程图。用page（值为0-7）表示读写的FLASH页，用count（值为0-65535）表示每页页内地址。其中 page0-page6用来存储通过串口下载的汉字信息，page7用来存储接收到的火警等动态信息。一旦接收到新火警，即查询FLASH中相应的汉字信息，并在液晶上滚动显示。

　　为了快速定位所查询的火警汉字地址信息，我们采用数组结构存储。尽管这样会因为实际火警地址不等长，而造成存储中出现一些空地址，存储效率不高，但是由于我们对数组的查找是一种可以直接定位的快速查找，不用采用链表之类的复杂数据结构，也避免了二分检索之类复杂的搜索算法。对于单片机而言，实质上是以比较小的空间为代价换来了比较高的时间效率，还是十分值得的。

　　5 结语

　　本文提出的基于CAN总线的大容量汉字火灾楼层显示器，较好的解决了现有火灾楼层显示器的缺陷。对大于51单片机ROM 64K寻址空间的数据存储需求，采取分页存储的访问方式可以很好的解决这个问题。通过在FLASH中存储大容量数据信息，可以避免因为CAN总线上通讯数据流量过大而导致火警不能及时传达，延误报警时机。而且FLASH中的汉字信息可以通过串口在线擦写，便于现场调试。目前产品已经投入实用，用户反应运行良好。