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基于Modbus协议的双环形总线拓扑设计消防应急灯具智能监控系统

  自带的双串口构成两个独立光电隔离的作为下级环形总线主站,实现与智能应急标志灯之间交换数据。利用单片机的S-485 接口,作为上级环形总线网络的从站, 实现与监控主机之间状态和命令信息交换。给出了系统网络拓扑结构和基于Modbus 协议的通信软件结构。

  随着社会的发展, 大量高密度的特大型建筑不断涌现, 导致火灾逃生通道更为复杂, 加大了火灾发生时的逃生难度。对于消防疏散而言, 怎样在火灾发生时使逃生更安全、更准确、更迅速, 正是时代对建筑防灾提出的新课◇=△▲题。目前消防应急标志灯大多作为单体存在, 无法依据火灾现场的变化, 动态地调整逃生方向指示。此外,应急标◆●△▼●志灯的日常维护和检修也存在严重的滞后现象。

  应急标志灯最主要的作用是能在发生火灾时应急启动,而应急启动的关键在于其电池充放电工作是否正常。依靠人力的维护和检修, 难以及时发现产品问题, 在发生火灾时往往会给逃生疏散指示带来许多盲区。越来越高的公共安全要求使得消防应急标志灯从各自独立工作发展为智能化消防应急灯监控系统。在火灾来临之时,该系统能迅速、准确地收集火警现场的信息, 智能地选择最佳的逃生路线, 通过集中控制消防应急灯具, 以光流、语音、频闪形式, 从听觉、视觉等感观上引导人们正确逃生。系统还可以不间断地巡检智能应急灯具运行状态, 及时发现灯具故障, 提高整个系统的可靠性和应急安全性。

  图1 展示了采用双环形总线拓扑结构的消防应急灯具智能监控系统, 包括上位监控计算机、中继网关和智能消防应急灯具三级, 通过两级RS-485 环形总线进行相互通信。所有的控制命令都由监控计算机发出, 通过第一级总线环路传送到中继网关, 再由中继网关通过第二级总线环路网络传递至每个灯具, 灯具执行命令后, 依次通过第二级、第一级环路返回执行结果。在该系统中, 监控计算机从火灾报警系统(FANS) 获得火源信息, 智能决策选择最优逃生路线, 通过总线网络将指令信息传递至中继网关, 然后再由中继网关发送至各灯具, 指示安全可靠的逃生通道。

  总线型拓扑结构简单, 控制方便, 易于扩展, 所以目前大多数消防和门禁系统都是采用这种拓扑结构。环形网络还具有较好的可靠性, 如果环形总线在某处断开, 则可分成两个总线网络, 分别连接到主站的两个接口上, 仍然能够保证主站与从站之间的信息交换, 大大提高了网络传输的可靠性。两级环形总线结构的另一个优点是, 多个环路可并行工作, 均衡并减轻单一总线上的通信负载。

  在应急状态下, 应急灯及其监控系统有集中供电和独立供电两种方式。在应急状态下, 集中供电系统的每个灯具以及所有中继网关都从同一个专用的应急电源获得工作电源, 而独立供电系统的工作电源由每个灯具或网关自带的电池提供。因此, 监控电池的储能性能及保证电池的可用性都至关重要。通过控制命令可以随时检测电池电压, 也可每月每年定期检查。

  在图1 所示的应急灯智能监控系统中, 中继网关作为上下两级环路之间的联络, 是监控计算机与灯具之间交换数据的中转站, 其结构和功能设计是整个系统设计的重要内容。

  图2 为独立供电型中继网关总体结构图。在主电状态下, 通过市电获得工作电源。在应急状态下, 由自带电池提供工作电源。网关具有电源变换、电池充放电控制功能。在整个消防应急系统中, 中继网关可以通过平常的抽样和制定灯具查询该环路灯具状态, 与下位机节点通信时, 将发送第一个节点ID 而功能码以及它们的数据项还有校验码所形成的数据帧, 通过RS-485 总线发送到第一个节点上, 之后变为接收状态, 接收第一个节点发送过来的数据帧并进行解析。当解析出下位机节点发送故障报警时, 将报警信息显示在液晶显示屏上, 并启动声光报警。由于监控主机程序中设有定时器, 因此,如果节点未能在一定的时间发送回数据帧, 则提示异常, 提醒相关人员进行检查。如果未出现报警信息, 则再轮询下一个节点。

  系统使用主从通信协议, 两级环形网络都采用RS-485 总线。在系统网络拓扑中, 中继网关作为第一级环路总线网络的从站, 同时又是第二级环路的主站。中继网关需要3 个串口,1 个负责接收监控计算机命令以及把灯具和网关本身的信息整理后回馈, 另外两个串口正好形成环路主站,1 个负责发送,1 个负责接收, 如果出现环路断线, 则两个都可以作为发送。

  本设计中选择具有两个串口的单片机STC12C5A32S2( 以下简称STC12) 作为主要控制芯片, 它具有2 个异步串行接口(UART),1 个同步串行口(SPI), 以及和普通单片机相同的256 B 的内部RAM, 以及扩展的1 024 B 的外部RAM, 还有28 KB 的EEPROM。较大的存储空间方便灯具的连接以及大量数据的存储。把STC12 单片机自带的两个串口设计成1# 和2# RS-485 接口, 作为第二级环路的主站, 还需要扩展另一个串口构成0# RS-485 接口, 作为第一级环路的从站。

  串口扩展的方式有:(1)硬件的扩展方式。使用市面上对串口进行扩展的芯片( 有SP2338DP,GM8123 系列)。

  综合考虑成本和性能等因素, 本设计使用STC12 单片机的同步串行口(SPI) 和另一个带有串口的单片机STC11F04E( 以下简称为STC11) 来扩展串口, 其原理如图3 所示。其中TX、RX 分别是串口的数据发送信号和数据接收引脚。RE 用于控制MAX485 的接收或发送状态。

  图中下部分给出了光电隔离型RS-485 接口原理。3 个RS-485 接口使用相同的原理, 但3 个接口中MAX485芯片的工作电源是各自独立的。

  图3 中,SCK、MISO、MOSI 分别是SPI 接口的时钟信号、主站输入信号、主站输出信号。定义STC12 的SPI 接口工作在从站方式,STC11 作为SPI 主站。由于STC11 单片机没有SPI 功能, 必须用软件模拟SPI 主站功能, 这里仅将STC11 作为字节数据传输的中转站, 不进行信息帧的校验、存储和转换。监控计算机发出指令经STC11 的串口接收, 通过SPI 发送至STC12 进行处理。STC11 再通过SP△▪▲□△I 接收返回信息, 然后通过串口发送至监控计算机。设计中,STC12 通过在SPI_TX 引脚的输出下降沿,告知STC11 启动模拟SPI 主站功能, 从STC12 的SPI 接口寄存器中读取一个字节数据。

  图4 为单片机采用查询方式的程序流程图。RI、TI分别是串口接收标志和发送标志。TX_FLG =0 表示STC11 处于接收状态,TX_FLG=1 表示发送状态。子程序SPI_BYTE实现模拟SPI 主站功能。

  在第二级环路通信中, 中继网关作为环路主站, 由STC12 单片机的串口1 和串口2 构成的两个RS-485 端口实现。3 个通信端口分别设有独立的接收(RX) 缓冲区、发送(TX) 缓冲区以及专用标志寄存器。

  实现环路通信主站的软件结构如图5 所示。正常工作时, 两个串口一个作为发送方, 另一个作接收方。比较接收方的接收数据与发送方的发送数据, 若相等则环路总线是通的;否则,总线出现断路故障,用标志位LP_BRK=1表示。

  注: 串口工作周期包括串口发送过程和等待下位机接收过程和该串口接收三部分。

  在 环路总线完好的情况下, 在线的灯具总是既连接在串口1 上, 也连接在串口2 上。在环路断线状态下, 对每个灯具, 从串口2( 或串口1) 发送命令, 若接收到正确应答数据, 则记录该灯具连接在该端口上, 用标志位ON_COM2 =1 ( 或ON_COM1 =1) 表示; 若应答信息超时或返回信息不正确, 则重发相同命令数据至多3 次, 仍然收不到正确应答信号, 则判断该灯具没有连接在该发送端口上, 用ON_COM2=0( 或ON_COM1=0) 表示。这样, 根据每个灯具所连接串口的不同, 可以判断环路断线所在位置。

  当环路断开时, 两个串口都作为命令发送方, 整个环路分为两个单总线结构, 提高了网络传输可靠性。

  基于两级RS485 总线环形通信网路的应急灯智能监控系统, 设计了三端口通信网关, 实现了监控计算机与大量智能应急灯之间命令和状态信息交换, 监控计算机管理整个系统, 网关负责传递发送至智能应急灯的信息, 同时也将从灯具接收到的信息反馈至监控计算机。

  此外也可不通过监控计算机直接控制该环路中的智能应急标志灯。经调试, 所预设功能完全实现。

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  92%电池充电器工作范围:4V 至 25V针对外部 N 沟道场效应晶体管 (NFET) 的电池充电器 1MHz 同步降压控制器软启动,限制浪涌电流外部开关限流保护可编程充电支持 JEITA/增强型充电模式 电量监测用于库伦计数器的 16 位高分辨率积分器16 位模数转换器 (ADC),通过 16 通道多路复用器...

  BQ34Z110 用于铅酸电池的采用 Impedance Track™ 技术的宽量程电量测量计

  信息描述 德州仪器 (TI) bq34z110 是一款独立于电池串联配置之外工作的电量计解决方案,此解决方案支持铅酸化学电池。 通过一个外部电压转换电路,可支持 4V 至 64V 的电池,可对此电路进行自动控制以减少系◆■统功耗。bq34z110 器件提供几个接口选项,其中包括一个 I2C 从接口、一个 HDQ 从接口、一个或者四个直接 LED 接口、和一个警报输出引脚。 此外,bq34z110 提供对于外部端口扩展器(支持多于四个 LED)的支持。特性 支持铅酸化学电池 使用获得专利的 Impedance Track 技术,用于电压范围为 4V 至 64V 的电池老化补偿 自放电补偿支持的电池容量超过 65Ahr 支持高于 32A 的充放电电流 外部负温度系数 (NTC) 热敏电阻支持 支持两线C 和与主机系统进行通信的 HDQ 单线制通信接口 安全哈希算法 (SHA)-1,哈希消息认证码 (HMAC) 认证 一个或者四个直接显示控制 五个 LED 和通过端口扩展器的更多显示 精简的功率模式(典型电池组运行范围条件)正常运行:平均值

  信息描述 bq40z50 器件采用已获专利的 Impedance Track 技术,是一款基于电池组的单芯片全集成解决方案,针对 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组提供电量监测、保护及认证等一些列丰富的功能。bq40z50 器件利用其集成的高性能模拟外设,测量锂离子或锂聚合物电池的可用容量、电压、电流、温度和▷•●其他关键参数,保留准▽•●◆确的数据记录,并通过 SMBus v1.1 兼容接口将这些信息报告给系统主机控制器。 bq40z50 器件为主机系统提供最大的功率和电流,从而支持 Turbo 升压模式。 该器件还支持电池跳变点,从而在预设的充电阈值状态向主机系统发送 BTP 中断信号。 bq40z50 针对过压、欠压、过流、短路电流、过载和过热情况,以及其他电池组和电池相关故障提供基于软件的 1 级和 2 级安全保护。具有针对认证码密钥的安全内存的 SHA-1 认证能够识别真正的电池组。这个紧凑的 32 导线 QFN 封装在尽可能地提供电池电量测量应用的功能性和安全性的同时,最大限度地降低解决方案成本和智能电池的尺寸。特性全集成 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组管理器及保护 下一代已获专利的 Impedance Track 技术可准确测量锂离子和锂聚合物电池...

  BQ27545-G1 单节、电池组端 Impedance Track 电量监测计

  信息描述bq27545-G1 锂离子电池电量计是一款微控制器外设,此外设能够提供针对单节锂离子电池组的电量计量。此器件只需开发较少的系统微控制器固件即可实现精确的电池电量计量。bq27545-G1 安装于电池组内或者带有一个嵌入式电池(不可拆卸)的系统主板上。 bq27545-G1 使用已经获得专利的 Impedance Track™ 算法来进行电量计量,并提供诸如剩余电量 (mAh)、充电状态 (%)、续航时间(最小值)、电池电压 (mV) 和温度 (°C) 等信息。该器件还提供针对内部短路或电池端子断开事件的检测功能。bq27545-G1 还 具有 针对安全电池组认证(使用 SHA-1/HMAC 认证算法)的集成支持功能。 该器件还采用 15 焊球 Nano-Free™ DSBGA 封装 (2.61 mm × 1.96 mm),非常适合空间受限的 应用。特性适用于 1 节 (1sXp) 锂离子电池的电池电量计 应用 支持高达 14500mAh 的容量 微控制器外设提供:用于电池温度报告的内部或者外部温度传感器安全哈希算法 (SHA)-1 / 哈希消息认证码 (HMAC) 认证使用寿命的数据记录64 字节非易失性暂用闪存 基于已获专利的 Impedance Track™技术的电池电量计量用于电池续航能力精确预测的电池放电模拟曲线针对电池老化、电...

  信息描述The bqJUNIOR™ series are highly accurate stand-alone single-cell Li-Ion and Li-Pol battery capacity monitoring and reporting devices targeted at space-limited, portable applications. The IC monitors a voltage drop across a small current sense resistor connected in series with the battery to determine charge and discharge activity of the battery. Compensations for battery age, temperature, self-discharge, and discharge rate are applied to the capacity measurments to provide available time-to-emptyinformation across a wide range of operating conditions. Battery capacity is automatically recalibrated, or learned, in the course of a discharge cycle from full to empty. Internal registers include current, capacity, time-to-empty, state-of-charge, cell temperature and voltage, status, and more.The bqJUNIOR can operate directly from single-cell Li-Ion and Li-Pol batteries and communicates to the system over a HDQ one-wire or I2C serial interface.特...

  BQ27541-G1 具有集成 LDO 的电池组端 Impedance Track 电池电量监测

  信息 Texas仪器bq27541-G1锂离子电池电量计是一种微控制器外围设备,可为单节锂离子电池组提供电量计量。该器件几乎不需要系统微控制器固件开发来实现精确的电池电量计量bq27541-G1位于电池组内或系统主板上,带有嵌入式电池(不可拆卸)。 bq27541-G1使用获得专利的Impedance Track™算法进行电量计量,并提供剩余电池容量(mAh),充电状态(%)等信息,运行时间为空(最小),电池电压(mV)和温度(°C)。它还提供内部短路或制表断开事件的检测。 bq27541-G1还使用SHA-1 / HMAC认证算法集成了对安全电池组认证的支持 优势特点 用于1系列(1sXp)锂离子电池应用的电池电量计32Ahr容量 微控制器外设提供: 精确的电池电量计支持高达32Ahr 用于电池温度报告的内部或外部温度传感器 SHA-1 / HMAC认证 终身数据记录

  64字节的非易失性划痕垫FLASH 基于专利阻抗跟踪技术的电池电量计量 模型电池放电曲线,用于准确的时间到空预测 自动调整电池老化,电池自放电,&n温度/速率低效 低值检测电阻(5mΩ至20mΩ) 高级电量计功能 内部短暂检测 标签断开检测 ...

  BQ24278 具有电源路径的 2.5A 单输入单节开关模式锂离子电池充电器

  信息描述 bq24278 高度集成的单节锂离子电池充电器和系统电源路径管理器件针对空间有限且带有高容量电池的便携式应用。 单节充电器由一个诸如 AC(交流)适配器或者无线电源的专用充电源供电运行。此电源路径管理特性使得 bq24278 能够在为电池独立充电的同时从一个高效 DC 到 DC 转换器为系统供电。 此充电器一直监视电池电流并在系统负载所需电流超过输入电流限制时减少充电电流。 这样可实现正常的●充电终止和定时器运行。 系统电压被调节至电池电压,但不会下降至低于 3.5V。 最小系统电压支持使得此系统能够与一个残次品或者有缺失的电池组一起运行并且即使在电池完全放电或者无电池的情况下也可实现瞬时系统启动。 当适配器不能传送峰值系统电流时,此电源路径管理架构还允许电池补充系统电流需要。 这样可使用较小的适配器。 电池充电经历以下三个阶段:充电,恒定电流和恒定电压。 在所有的充电阶段,一个内部控制环路监视 IC 结温并且在超过内部温度阀值的情况下减少充电电流。 此外,bq24278 提供一个基于电压的电池组热敏电阻器监控输入 (TS) 来监控电池温度以保证安全充电。特性 具有独立电源路径控制的高效开关模式充电器从深度放电电池或者在无电...

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