CC BY
33
УДК 681.513
А. В. Винник, ассист.,
О. В. Субботин, канд. техн. наук, доц.,
Н. А. Задорожный, канд. техн. наук, доц., +38 (0626) 41-69-84 (Украина, Краматорск, ДГМА)
ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ УЗЛОВ ЦИФРО-АНАЛОГОВОЙ АППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ПРИМЕРЕ ППКП
Представлены схемотехнические решения отдельных узлов цифро-аналоговой аппаратуры управления и обработки сигналов датчиков на примере прибора приёмноконтрольного пожарного в контексте реализации экономически выгодной и надёжной конструкции с позиции совместного использования возможностей простого микроконтроллера и отечественной элементной базы.
Ключевые слова: цифро-аналоговая аппаратура, микроконтроллер, шлейф, датчик, приёмно-контрольный пожарный прибор.
Автоматические противопожарные системы безопасности сегодня имеют высокую популярность. В любой организации обязательно установлена такая система. Основным устройством является блок - прибор приёмно-контрольный пожарный (ППКП). Его задачей является сбор информации (опрос) датчиков температуры, например СПТМ-70, реагирующих на повышение температуры окружающей среды до 70 °С или, СПД-2.1 - наиболее распространённых датчиков дыма с питанием 12В и релейным выходом.
На основании опроса датчиков и тестирования информационных линий связи с этими датчиками ППКП принимает решение об активации извещателя (оповещателя) светозвукового выносного ОСЗВ - сирены, устанавливаемой снаружи здания.
Основными проблемами, присущими всем существующим конструкциям являются трудности монтажа шлейфов и датчиков, замедляющие сроки сдачи объекта в эксплуатацию, низкая долговременная надёжность (обусловленная, например, применением электролитов в ответственных информационных цепях), неизменно ведущие к снижению прибыли фирм, занимающихся проектированием и монтажом систем. Желательным при производстве ППКП является применение схемотехнических решений блоков устройства, позволяющих применить более дешёвую и простую элементную базу с целью снижения себестоимости.
Конструкция прибора, являющаяся альтернативой, существующим на рынке, представлена ниже. В результате применения некоторых технических решений, конструкция имеет ряд отличительных особенностей, как, например, применение в 6-шлейфном приборе контроллера с 18 выводами.
Это необычно для прибора высокой информационной ёмкости и информативности.
Прибор соответствует требованиям технических условий и ДСТУ БК - 54.2 [1], вступившему в силу с 2006 года.
Все существующие на рынке приборы имеют линию питания активных датчиков (рис. 1) [2].
Рис. 1. Схема питания активных извещателей
Принцип работы такой схемы основан на следующем. Прибор ППКП для тестирования линии питания активных извещателей с определёнными длительностью и периодом кратковременно изменяет полярность выходного питающего напряжения. Проходя по исправной линии питания через оконечное сопротивление обычно около 2 кОм, ток обратного направления создаёт на последнем падение напряжения. Обратное напряжение тестируется ППКП и принимается решение об исправности линии. Так как при коротком замыкании или обрыве линии в пути прохождения об -ратного тока оконечное сопротивление участвовать не будет, то тестируемое напряжение будет отличаться от нормального. Следовательно, в линии присутствует аварийный режим.
Во время изменения полярности напряжения на линии питания, датчики, подключённые через диод, получают питание от параллельно подключённых ёмкостей.
Такое стандартное для многих ППКП решение имеет ряд недостатков:
1. Монтаж датчика сопровождается подключением 2 внешних элементов, что усложняет работу монтажника, которому таких датчиков необходимо укрепить и подключить, порой на высоте до 5 м в количестве более 100 на одном объекте.
2. При отсутствии напряжения питания от сети переменного тока, питание ППКП осуществляется от АКБ 12В. По мере разрядки важны каждые полвольта напряжения. Падение на кремниевых диодах составляет до 1В.
Логика позволяет использовать диоды Шотки или германиевые, но производитель, например, известная фирма “Датчик”, не регламентирует в паспорте по эксплуатации применение иных диодов, кроме кремниевых. Многие фирмы, занимающиеся монтажом систем, не возьмут на себя ответственность за нарушение требований паспорта по монтажу и подключению ППКП.
3. Многие типы датчиков не допускают изменения полярности напряжения питания. При пробое диода такое возможно.
4. Конденсаторы со временем теряют свою ёмкость, что может повлечь за собой ложную сработку сигнализации.
5. При сработке датчика ток, потребляемый им, увеличивается в полсотни раз. Ёмкость 50 мкФ уже неэффективна при этом. Следовательно, линия питания не опрашивается при тревоге на неисправность. Но в распространенном приборе “Датчик - 2”, например, не нормируется соот-ветствование одной линии питания одному информационному щлейфу (зоне). Следовательно, питание датчиков не может автоматически отключаться при принятии сигнала от какого-либо датчика. Это налагает ограничение на колличество датчиков, подключаемых к ППКП цифрой 4. Это недостаточно даже для небольших объектов. Значит, требуется отдельный источник питания датчиков.
Перечисленные проблемы имеют решение. Прийти к схеме рис. 2 позволила идея тестирования в области малых напряжений с применением резистивно-диодного делителя напряжения.
Рис.2. Альтернативная схема питания активных извещателей
На схеме рис. 3 это цепи Х1, Як, Х2, Я1, УБ1. На схеме ИПД - из-вещатель. При коротком замыкании шлейфа питания перегорает вставка плавкая БШ (современная элементная база позволяет использовать недорогие восстанавливающиеся предохранители). Напряжение на Я1 снизится до 0, что оценит контроллер. При обрыве произойдёт то же самое. Нормы ДСТУ БК 54.2 позволяют и обрыв линии, и короткое замыкание идентифицировать как неисправность линии без уточнения конкретной причины.
Рис.3. Линия питания активных датчиков
В дежурном режиме, в зависимости от количества датчиков на шлейфе, напряжение составляет от 0,25 В до 0,67 В. Диод, включённый параллельно Я1, служит для того, чтобы при коротком замыкании шлейфа ток составил значение, определяемое практически только резистором Ю из делителя Я1Як. Кроме того, учитывается и нормируется максимальное сопротивление проводов линии питания.
Одна линия питания логически сопоставлена с одним информационным шлейфом, что позволяет отключить питание автоматически при сработке хотя бы одного датчика. Тем самым количество датчиков на один шлейф питания составляет не более 32, регламентируемых нормами ДСТУ БК 54.2 п. 5.3.1. Это значительно удобнее, чем 4 датчика максимум, регламентируемые прочими производителями ППКП [2].
Линии устройств оповещения о тревоге. Тестирование линии требует применения оконечного элемента нагрузки. Но ток при сработке сирены столь значителен, что пойти по пути, рассмотренному выше, не представляется возможным.
Основное инновационное решение - в качестве оконечного элемента использовать исполнительный элемент порогового типа срабатывания -электромагнитное реле. В дежурном режиме на его обмотку подаётся напряжение до 5 В, что недостаточно для сработки, но достаточно для тестирования линии - ведь обмотка реле обладает сопротивлением. Сопротивление обмотки реле одновременно является оконечным резистором, позволяющим оценить целостность линии по факту прохождения через эту обмотку тока и соответственного, вполне определённого, падения напряжения в дежурном режиме.
Информационные шлейфы. Опрос информационных шлейфов осуществляется на принципе баланса плеч резистивного делителя напряжения. Сопротивления подобраны так, что обеспечивается надёжная работа при колебании сопротивления проводов шлейфа от 0 до 100 Ом, которое тоже входит в состав шлейфа [2].
Обычно для детектирования сработки датчика применяются кремниевые диоды, короткозамкнутые в нормальном состоянии контактами датчиков. Но это неудобно. Дело в том, что диоды необходимо включать в определенной полярности и монтажнику легко ошибиться. При данной
ошибке возникает необходимость проверять все датчики, а они могут находиться, например, на высоте потолка здания цеха. Это приводит к увеличению стоимости монтажа системы примерно на 30 %.
Применение сопротивлений значительно ускоряет процесс монтажа, повышает надёжность и, как следствие, даёт экономический эффект.
При этом сопротивления выбраны так, что и обеспечивают работу при изменении распределённого по длине линии сопротивления до 100 Ом и не слишком малый ток шлейфа в дежурном режиме, что способствует помехозащите.
Опрос шлейфов и индикация. Поиск идеи опроса шлейфов осуществлялся в свете решения основной проблемы: не выделять для каждого шлейфа отдельную линию ввода-вывода контроллера, как это сделано в аналогичных конструкциях [2].
Идея заключается в опросе и индикации в динамическом режиме. Это позволяет за счёт усложнения логики работы контроллера упростить аппаратную реализацию.
Каждая из подпрограмм РЯ0_0ЬЬ_1... РЯ0_0ЬЬ_10 производит компарирование напряжения при помощи подпрограммы РК0_С0МРАРШ0, работающей с модулем настраиваемого опорного напряжения контроллера Р1С16Б628А. Результаты обрабатываются логическими функциями и помещаются в регистры К_Б1БК_1. К_Б1БК_10; К_0БЕ_1... К_0ЕЕ_10; К_ВАБ_ЬШБ_1... К_ВАБ_ЬШБ_10 соответственно. В конце каждой подпрограммы РЯ0_0ЬЬ_1.
РЯ0_0ЬЬ_10 происходит запись результатов в вышеозначенные регистры, подача импульса переключения счётчика для опроса последующего шлейфа, сброс сторожевого таймера ’^ОТ. Все шлейфы, линии питания и выходы опрашиваются независимо и одинаково, то есть в ситуации, если счётчик по какой-либо причине не отработает переключение, это не отразится на работе ППКП.
Подпрограммы РЯО_АВ, РК0_БКЯ_Р0^БК, РК0_С0ШТ_7иММБК служат соответственно для опроса аккумулятора на разряд, проверки информации об общей неисправности модуля питания ППКП, выполнения цикличного счёта флагов инициации включения встроенного зуммера для корректного управления последним.
Возможность применения простого контроллера Р1С16Б628А, обеспечена алгоритмом обработки и индикации. Ёмкости памяти программ контроллера и тактовой частоты оказалось достаточно для реализации алгоритма.
Техническое обеспечение идеи тестирования линий питания и выходных линий оповещения в области низких напряжений от 0,15 до 0,8 В обеспечено применением микросхемы КМОП двунаправленных ключей, позволяющих без искажения передавать со входа на выход напряжения в этом диапазоне.
Применение германиевых транзисторов не представилось возможным по причине отсутствия элементной базы на напряжения коллектор-эмиттер хотя бы более 16 В.
Применение кремниевых транзисторных ключей, обусловлено дешевизной транзисторов КТ315. Как показала практика, даже при микротоках падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер этих транзисторов далеко от нуля, что соответствует технической документации [3].
Цифровая фильтрация помех. Наводки электромагнитного происхождения в диапазоне частот от 100 кГц до 10 ГГц напряженностью поля 10В/м в соответствии с ДСТУ БК 54-2 не должны влиять на работу прибора. Защита от наводок может быть выполнена в соответствии при помощи алгоритма цифровой фильтрации. В основу положен принцип: если за 1000 циклов проверки произошла хотябы одна ошибка, необходимо инициировать повторный цикл проверок из 1000 циклов. При пересчёте и на практике выяснилось, что тактовое время контроллера вполне достаточно для обеспечения требований ДСТУ БК 54-2 о максимальном времени принятия решения о тревоге - 2с.
Итак, идеи усовершенствования применительно к ППКП касаются метода съёма информации с информационных шлейфов (применение сопротивлений вместо диодов): - с линий оповещения (применение двух раздельных линий с тестированием посредством вынесения в качестве оконечного элемента исполнительного реле), - с линий питания активных датчиков (отсутствие изменения полярности питания, как следствие, отсутствие конденсаторов); динамический метод опроса шлейфов и вывода информации о работе ППКП на панель индикации, вследствие чего усложнилась программа контроллера, позволяет снизить требуемое количество линий ввода/вывода, удешевить конструкцию. Кроме этого, в устройстве выполнена цифровая фильтрация помех от наводок на шлейфы.
Прибор был разработан мелкой партией для сертификационных испытаний, экономически выгоден вследствие низкой себестоимости, что обеспечено применением такой элементной базы, которая бы надёжно и достаточно производительно работала, но не удорожала конструкцию неоправданно, например, ввиду следования современным радиотехническим традициям - применению новой дорогой элементной базы. Однако, контроллер, применённый в устройстве, запрограммирован из принципа явного усложнения программы ради упрощения и удешевления аппаратной реализации.
Вышеозначенные идеи схемотехнических и программных решений могут быть успешно применены в различной аппаратуре опроса датчиков, различных устройствах автоматического управления, в специальных промышленных контроллерах, цифровом и аналоговом электроприводе.
Список литературы
1. ДСТУ EN 54-2:2003 (EN 54-2:1997, IDT) Системи пожежної сигналізації. Частина 2. Прилади приймально-контрольні пожежні. K.: Держстандарт України, 2003. 220с.
2. Степанов K. H., Повзик Я. С., Рыбкин П. В. Пожарная техника. Справочник. М.: ЗАО "Спецтехника", 2003. 400 с.
3. ТерещукР. М. Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя 4-е изд., стер. Киев.: Наукова. думка, 1989. 800 с.
A. Vinnik, O. Subbotin, N. Zadorozhnyjj
IMPLEMENTATION FEATURES OF DIGITAL-ANALOG CONTROLLING AND SIGNAL PROCESSING UNITS FOR FIRE SECURITY
The low-cost and reliable digital-analog controlling and signal processing circuit is
shown.
Key words: digital-analog equipment, microcontroller, loop, gage, processing units.
Получено 24.11.10
УДК 004.946
A. P. Арсентьев, студент, (8442)248100, [email protected],
П. Н. Воробкалов, канд. техн. наук, доц., [email protected] (Россия, Волгоград, ВолгГТУ)
МЕТОД АДАПТИВНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ЛАНДШАФТА
Рассматривается проблема автоматизации процесса создания модели правдоподобного участка земной поверхности (генерации виртуального ландшафта), отвечающего заданным требованиям. Рассмотрена область применения виртуальных ландшафтов. Вводится понятие адаптивной генерации ландшафта. Анализируется возможность применения существующих подходов для адаптивной генерации ландшафта. Описывается алгоритм адаптивной генерации ландшафта. Детализируются ключевые шаги алгоритма. Излагаются результаты применения алгоритма.
Ключевые слова: компьютерная графика, виртуальная реальность, адаптивная генерация ландшафта, генерация шума
Введение. Виртуальные ландшафты применяются для решения широкого спектра практических задач, вот некоторые из них:
- виртуальные испытания моделей транспортных средств;
- обучение пилотов и водителей на тренажерах-симуляторах;
- увеличение презентационных характеристик моделей продукции, путём размещения их на виртуальном ландшафте;
- создание игровых и кинематографических сцен;
- художественный дизайн;
Существующее пакеты генерации ландшафта подразделяются на собственно генераторы и системы моделирования ландшафта, в состав ко-
