Лабораторный комплекс для изучения унифицированного модуля в составе комплексных систем охранно-пожарной сигнализации и экологического мониторинга Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ УНИФИЦИРОВАННОГО МОДУЛЯ В СОСТАВЕ КОМПЛЕКСНЫХ СИСТЕМ ОХРАННО-ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

А.Л. Андреев

Рассмотрена структура, состав аппаратных средств и методические возможности лабораторного комплекса при изучении вопросов ускоренного проектирования на базе унифицируемого модуля различных оптико-электронных систем контроля и наблюдения за объектами. Даны примеры построения систем охранно-пожарной сигнализации.

Существенное сокращение сроков разработки оптико-электронных приборов и систем различного назначения возможно путем создания унифицированных модулей, включающих комплекс аппаратных средств, необходимых для управления источниками и приемниками излучения, а также накопления и цифровой обработки данных.

Лабораторный комплекс для изучения вопросов аппаратной реализации и программирования функций отдельных компонентов подобных модулей включает 6 рабочих мест. Каждое из них оборудовано однотипным учебно-лабораторным модулем (УЛМ), а также вспомогательными средствами: эмулятором ПЗУ (для обеспечения возможности редактирования управляющих программ), персональным компьютером (ПК) и соединительным кабелем (для сопряжения УЛМ с ПК через последовательный порт). УЛМ реализован на двусторонней печатной плате, которая размещена в защитном корпусе с прозрачной крышкой, позволяющей студентам хорошо видеть расположение основных компонентов схемы. Кроме того, внутри корпуса имеется достаточное пространство для подключения к специально предусмотренным разъемам дополнительных внешних элементов (светодиоды, фотоприемники и др. в зависимости от тематики лабораторной работы).

Состав аппаратных средств учебного лабораторного модуля включает следующие функциональные узлы (рис. 1):

- два однокристальных микроконтроллера со встроенными 8-ми разрядными АЦП, в том числе: центральный процессор (х51-совместимый микроконтроллер) и процессор управления внешними устройствами (Р1С16С711);

- ЖКИ-дисплей (текстовый или графический);

- клавиатура;

- две микросхемы энергонезависимой памяти ЕЕРЯОМ с последовательным доступом по протоколу обмена /2С;

- ряд комбинационных схем среднего уровня интеграции: буферный регистр, дешифратор, логические элементы;

- микросхема календарь-часы реального времени;

- индикаторные светодиоды (красный, желтый, зеленый), оптронные пары и другие элементы схемы для сопряжения УЛМ с последовательным портом ПК;

- четыре операционных усилителя, используемые в цепях приема внешних аналоговых сигналов и сопряжения со встроенными АЦП;

- элементы схемы (транзисторы, резисторы), используемые для управления внешними устройствами, например светодиодами;

- термодатчик и датчик опорного напряжения;

- ряд вспомогательных компонентов: БС-БС-конвертор напряжения, динамик-зуммер, разъемы и контактные колодки для подключения внешних сигналов и управляемых устройств, колодка для подключения ППЗУ памяти программ (или эмулятора ПЗУ при изучении процесса отладки программного обеспечения).

к ПК

1

УНИФИЦИРОВАННЫМ МОДУЛЬ

Дисплей

(текстовый или графический)

Клавиатура

Интерфейс связи с ПК

(Я8-232)

Протокол I С

Энергонезависимая память данных

(протокол событий)

Термодатчик -

* 1~Г

Центральный процессор

Конвертор напряжения

+12 В / ±5 В; +5 В (связь с ПК); + 30 В

ПЗУ памяти программы

Часы-календарь

Модуль управления шлейфом №1 (МУ 1)

(процессор управления внешними устройствами: согласующие. усилители, ключи управления, реле, источники, приёмники оптического излучения)

Блок модулей управления шлейфами

МУ 2

МУ 3

МУ 4

МУ 5

МУ 6

МУ 7

МУ 8

Блок питания

Резервный аккумулятор

о

ы ф

й

е ы

о в

о р

й

у в

Контроль и заряд аккум.

220 В/ +12 В, +13,5 В

Рис.1. Аппаратные средства лабораторного модуля

УЛК позволяет фронтальным методом в интерактивном режиме организовать лабораторный практикум по изучению следующих вопросов.

1. Архитектура, функциональные возможности, электрическая схема, конструктивная реализация и техническая документация унифицированного оптико-электронного модуля (УЛМ).

2. Архитектура и система основных команд х51-совместимых микроконтроллеров [1]. Изучение среды программирования для разработчика.

3. Архитектура и система основных команд микроконтроллеров семейства Р1С16СХХ [2]. Изучение среды программирования для разработчика.

4. Управление клавиатурой и внешними цепями включения светодиодов.

5. Устройство ЖКИ-дисплея, система команд, управляющие сигналы.

6. Энергонезависимая память ЕЕРЯОМ с последовательным доступом (система команд и управляющих сигналов). Пример ее использования для записи протокола событий с привязкой к реальному времени и дате.

7. Стандартный протокол последовательного обмена 12С при реализации взаимодействия между отдельными компонентами УЛМ и внешними устройствами.

8. Использование встроенного АЦП для реализации режима периодического контроля температуры с помощью термодатчика в составе УЛМ, и др.

Ниже приводятся примеры построения систем охранной и пожарной сигнализации на базе унифицированного модуля, входящего в состав приемно-контрольного пульта (ПКП).

---

Ш 6

Ш 5

ЧМ

Ш 4

ЧН

4=

Ш 3

А

Ш 7

Ш 8

ОПИ

V

■

®

Приёмно-контрольный прибор (ПКП)

А

ж

АТПИ

1

Шлейф №1 (Ш

Шлейф №2 (Ш

=► АКУ

г

в

центральны

АТПИ - адресный тепловой пожарный

извещатель ОПИ - оптический пожарный извещатель РПИ - ручной пожарный извещатель АКУ - адресное командное устройство ААП - адресный абонентский прибор АКУ - адресное командное устройство ОД - охранный датчик

к компьютерной сети (или ПК)

Рис. 2. Пример построения комплексной системы охранно-пожарной сигнализации на базе унифицированного модуля, в составе приемно-контрольного прибора.

Приемно-контрольный прибор (ПКП) является центральным узлом системы. К нему может быть подключено от одного до восьми независимых шлейфов, представляющих собой двухпроводные линии типа витой пары длинной до 1000 метров. В свою очередь, к каждому из шлейфов может подключаться от одного до 63 адресных устройств (включая абонентские приборы и адресные командные устройства). Таким образом, максимальное число адресных устройств, которые могут обслуживаться одним ПКП - 504. Структурная схема ПКП приведена на рис. 2. ПКП выполняет следующие функции:

• электропитание и синхронизация работы всех компонентов системы;

• прием сигналов тревоги от абонентских приборов, подключенных к шлейфам;

• управление включением средств оповещения и устройств автоматики с помощью адресных командных устройств;

• постоянный автоматический дистанционный контроль наличия и работоспособности всех адресных устройств;

• периодический контроль состояния шлейфов: измерение сопротивления линии от ПКП до каждого адресного устройства, сопротивления изоляции (токов утечки) шлейфов;

• одновременное отображение на экране встроенного дисплея до 12-ти сообщений о тревоге или о неисправностях от абонентских приборов с указанием номеров помещений, в которых они установлены;

• отображение на экране встроенного дисплея информации о неисправности других компонентов системы: шлейфов, основного или резервного источника питания;

• передача в центральный пункт охраны с помощью контактов реле сигналов тревоги или сигналов о неисправности системы;

• регистрация сообщений о тревоге и о неисправностях во внутренней энергонезависимой памяти с указанием времени и даты, а также воспроизведение записей на экране встроенного дисплея;

• инициализация адресных устройств (запоминание номеров охраняемых помещений) и изменение реальной конфигурации системы (снятие или установка дополнительных компонентов) с помощью встроенной клавиатуры (без использования ПК);

• заряд и периодическая проверка исправности резервного аккумулятора, а также автоматическое переключение электропитания системы к резервному источнику при аварийном отключении напряжения в сети переменного тока;

• вывод при необходимости протокола событий в персональный компьютер или в компьютерную сеть по специальной линии связи в режиме прерывания (интерфейс ЯБ-232 или 485).

Адресный абонентский прибор (ААП) осуществляет непрерывный контроль наличия и текущего состояния (дежурный режим, режим тревоги) охранных датчиков (ОД). К каждому ААП может подключаться до двух безадресных ОД, в качестве которых, например, может использоваться цепочка последовательно соединенных контактных устройств, размыкающихся при открывании дверей, окон и т.п.

Каждый ААП с помощью своего процессора поддерживает связь по двухпроводному шлейфу с ПКП. При этом ПКП является ведущим устройства, передавая в шлейфы импульсы электропитания, синхронизации, а также команды и адреса для опрашиваемых адресных устройств.

Адресный тепловой пожарный извещатель (АТПИ) осуществляет измерение температуры, а также контролирует скорость нарастания температуры в помещении. В случае превышения температуры или скорости нарастания температуры установленных контрольных значений АПИ передает в ПКП сообщение о пожаре. Конкретные значения температуры и скорости нарастания температуры, при которых формируется сигнал о пожаре, устанавливаются при программировании АПИ в зависимости от класса извеща-теля и в соответствии с действующими стандартами.

Дополнительно к каждому АТПИ может подключаться один или два безадресных (например дымовых или ручных) пожарных извещателей (ПИ).

Каждый АТПИ с помощью своего процессора поддерживает связь по двухпроводному шлейфу с ПКП. При этом ПКП выполняет роль ведущего устройства, передавая в шлейфы импульсы электропитания, синхронизации, а также команды и адреса для опрашиваемых адресных устройств.

Адресное командное устройство (АКУ) как и АТПИ или ААП содержит процессор, поддерживающий связь с ПКП. Однако вместо ПИ или ОД к нему могут подключаться один или два внешних исполнительных устройства (устройства автоматического пожаротушения, световые табло, звуковые сигнальные устройства, электромагниты и др.). Включение и отключение внешних исполнительных устройств осуществляется с помощью контактов реле, управляемых процессором АКУ, а их электропитание должно обеспечиваться от дополнительных источников.

В заключении добавим, что при использовании дополнительных элементов и функциональных узлов в составе лабораторного комплекса тематика изучаемых вопросов может быть расширена. В качестве примера назовем следующие направления:

- Реализация оптического цифрового канала связи в пределах лаборатории между отдельными рабочими местами студентов.

- Подключение многоэлементных ФПУ параллельного типа (например, разрезных фотодиодов) в быстродействующих системах оптической пеленгации.

- Подключение оптико-электронных модулей, использующих линейку ФПЗС или других типов многоэлементных ФПУ с последовательным опросом.

- Реализация модели оптико-электронной системы экологического мониторинга (при использовании каких-либо датчиков экологического контроля, например радиационных, химических и др).

Рис. 3. Пример построения системы охранной сигнализации на базе унифицированного модуля, в составе приемно-контрольного прибора

Литература

1. Николайчук О.И. Х51-совместимые микроконтроллеры фирмы СУОЫЛЬ. - М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2002. - 472 с.

2. Ульрих В.А. Микроконтроллеры Р1С16Х7ХХ. Изд. 2-е, пер. и доп. - СПб: Наука и Техника, 2002. - 320 с.