以单片专用电路QA840219H为探测器核心的奎克半导体.docx
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以单片专用电路QA840219H为探测器核心的奎克半导体
附录四《以单片专用电路QA840219H为探测器核心的
复合式感烟感温火灾探测报警系统》
公安部沈阳消防科学研究所
奎克半导体（北京）有限公司
1概述
1.1项目的来源，研制过程和作用
复合式火灾探测报警系统是目前国内外火灾探测报警领域最受人瞩目的研究方向之一。
现场实验及实际应用等的结果表明，采用多传感器/多判断数据算法为代表的智能火灾探测报警系统，在性能上大大超过依靠单一传感器的系统，而且这种系统能响应很宽的火灾现象‘谱’，如明火/阴燃产生的可见/不可见和黑色/白色的烟和温度等；同时对吸烟、焊接、喷洒烟雾剂、气流、尘埃、湿气、电瞬变、电磁场辐射、静电放电等引起的虚假火灾现象又具有很强的抗干扰能力，大大降低了误报率，提高了可靠性，特别是对某些复杂条件下，火灾危险性大的重要场所，复合系统较单一感烟或感温系统更为可靠和有效。
为此，96年公安部下达了研制‘复合式感烟感温火灾报警系统’的专题科研项目，由公安部沈阳消防科学研究所承担研制任务。
本项目从96年1月开始，至９8年１2月止，历时3年。
经历了调研，总体方案论证，探测器专用集成电路研制，单元电路实验研究，探测器和控制器结构设计，模具加工，整体硬件电路设计和制板，系统软件设计，样机组装调试，系统联网运行和改进，送国家消防电子产品质量监督检验中心检验等过程。
系统达到并超过项目合同书中规定的技术指标，现已完成研制任务。
复合式感烟感温火灾探测报警系统的开发和应用，标志着火灾探测报警技术向智能化迈进了一大步，它将最大限度的减少火灾带来的危害。
该项目的研制成功，将为我国高层建筑、底下建筑等复杂环境场所提供一套先进的火灾探测报警新技术装备，也将带动火灾探测基础理论和相关新技术的研究，对进一步加强消防安全、保卫经济建设和人民生命财产安全起到重大作用。
1.2工作原理概况介绍
复合式感烟感温火灾探测报警系统是将感温传感器和感烟传感器有机的结合在一起，系统可实时采集现场烟浓度和温度的连续动态变化量，并将探测到的烟、温信息经计算机进行数据处理、分析判断，从而可有效地防止误报和漏报，拓宽系统对火灾现象的响应“谱”可以大大提高火灾探测的可靠性，在实现火灾早期探测的前提下，并对后期火情也实时监视。
工作原理框图见图1。
图1复合式感烟感温火灾探测报警系统工作原理框图
2总体方案
2.1方案的构思和论证
随着经济的发展,社会城市化的趋势越来越明显。
人口的大量聚集，建筑、财产和商业的相对集中，加重了一旦发生火灾所造成的危害，如果在火灾发生的初期就能及时发现并扑灭，便可以大大减少火灾造成的损失。
随着火灾探测报警技术的广泛应用，人们对火灾探测报警系统的要求在不断提高。
现实中火灾发生的情况是多种多样的，探测区域内可能发生的初期火灾和发展趋势不同，环境因素及可能引起的误报的条件也是极其复杂的，火灾探测是一个非结构性的问题，因此，用单一传感器或多传感器仅采用简单的信号处理方法想要准确迅速的区别火灾探测系统所存在的问题及难点进行突破和提高。
经过调研使我们认识到，目前及今后相当长的一段时间内，最受用户欢迎的是价格相对低廉而可靠性又高的火灾探测报警系统，因此我们在研制该系统的过程中要从国情出发，在突破关键技术和提高系统主要性能指标的前提下，力求良好的性能价格比，尽可能减少系统的硬件开销而把重点放在软件开发上。
近年来，国内外关于火灾探测报警技术的最新研究成果充分表明，将现代火灾探测理论与计算机应用相结合是提高火灾探测报警系统性能最有效的方法。
目前国外某些发达国家已有离子感烟/光电感烟/电子感温三复合探测器问世，但是探测器的生产成本很高。
综合分析上述三类传感器的优缺点可以看出：
离子感烟传感器在响应火灾生成物——烟的特性方面有其独特的优点，它对各类烟都相对灵敏，尤其对于那些短时间内迅速蔓延而更具危害的火灾——明火和黑烟有光电感烟无法替代的优点。
虽然离子感烟传感器对于受限空间内的物质阴燃烟反应速度不及光电感烟传感器，但是在物质燃烧还远没有出现火成蔓延而之势前，离子传感器的输出信号已出现了明显的变化规律，如果我们对其采取门限自动调整的火灾判断技术，可以使离子传感器对阴燃烟的报警灵敏度与光电传感器不相上下，从而使离子感烟/感温两复合探测器达到光电感烟/离子感烟/感温三复合探测器的性能，而成本却大为降低。
2.2 方案的确定
（1）系统在总体设计上主要由以下六部分组成:
离子感烟/电子感温复合式探测器；薄型离子感烟探测器；总线短路隔离器；楼层显示器；PC机CRT信息显示装置；多功能火灾报警控制器；系统构成框图见图2。
图2系统基本构成框图
额定传输距离达到2000m，最远传输距离可达成15000m。
（2）系统采用两总线、无极性、模拟信号传输方式，使每条总线能够带载127个地址单元、8种不同类型的探测器或控制模块，总线信号。
（3）系统中的控制器采取模块化、积极木式结构设计，使打印机、液晶屏、PC机、联动控制板、8块回路板可以和主控板任意组合，16台控制器可构成大型网络，每台控制器即可作集中机，也可作区域机，但其软件、模块构成方式和带载能力完全相同。
系统网络构成框图见图3。
（4）每台控制器可与PC机联网，通过CRT能够同时监视大范围的探测器数据和状态，也要集中显示控制器中记录的历史事件，为今后远程编程、修改系统参数和开通调试打下硬件基础。
（5）系统同时具备火灾探测智能和信号通信智能,充分提高系统抗干扰能力,及工作稳定性。
2.3主要研究内容
根据本项目的总体方案，主要研究内容包括：
（1）对离子感烟传感器和电子感温传感器的特性进行研究，通过实验确定这两种信息的组合和变换方式，研制一种将离子感烟与电子感温传感器相融合的复合式探测器。
（2）复合式探测器要求传输两种独立的的探测信息，其技术要求更高，以往的总线传输系统中，仅能传输一种探测信息，而且其信号传输速度、灵活性及A/D变换方式远远不能满足复合火灾探测报警系统的要求，因而需对双信号远距离无极性两总线传输技术进行研究。
（3）控制器由多种功能模块构成，采用多CPU并行工作方式，积木工结构设计，各功能模块科学地按功能要求组合，可随时调显和修改各回路板及探测器的参数，能够进行现场编程等各种功能，因此需对控制器的最佳布局方式和各种功能模块间的相互支持的协调技术进行究。
（4）对多传感器/多判据火灾判断技术进行研究，研究开发出一种具有一定涵盖面的火灾判断智能软件，不仅使复合探测器成为能够探烟探温的全方位火灾探测器，而且应用于非复合探测器也能够起到克服漏报，降低误报的良好作用。
为了进行更好的对比论证，再研制一种薄型离子感烟火灾探测器。
3解决的关键技术问题
3.1采用智能传输技术提高两总线通信性能
火灾探测报警系统主要由探测器和控制器所组成,探测器安装在需要保护的场所,控制器通常安装在建筑物的控制室或值班室,每台控制器带载探测器的数量可由几个到几千个不等,控制器与探测器之间的距离也可从几米至几千米不等，为了便于工程安装，火灾探测报警系统的信号传输方式已由早期的多线制改进为无极性的两总线制；由于探测器本身不带电源，需要由控制器提供，因此控制器与探测器间的信号传输就需要叠加在电源上，因此火灾探测系统的信号传输及实现方法有其特殊性。
随着大型建筑和楼群体系的增多，要求火灾探测报警系统的总线带载容量及传输距离不断增加，由此对信号的传输速度、准确性及抗干扰能力的要求越来越高，而已有的通信芯片及信号传输方法已远远满足不了这方面的要求。
所以信号传输方法已成为制约火灾探测系统性能指标提高的瓶颈。
目前国内外解决这一问题的常用方法是，将微处理器放入探测器中，将传感器采集到的信号直接就地进行处理，以减少探测器与控制器之间的信号换量，从而提高系统信号的传输速度。
这一方面提高了探测器的成本，而且这种方法也不可能从根本上解决系统的通信问题，因为采用这一方法后并非控制器与探测器之间就无需传输任何信号了。
相反：
地址码、控制码、状态码等信号仍在总线上传输，省去的仅仅是模拟量数据码，而数据码在信号传输中所占的比例通常仅为百分之二十以下，所以用这种方法提高传输速度是十分有效的。
图3系统构成框图
为了更好地解决这一问题，使本系统具有独特的优点，由公安部沈阳消防科学研究所提出功能要求、技术指标及编译码数据结构，由奎克半导体（北京）有限公司研制生产，开发了自动同步式二总线模拟量火灾探测器专用集成电路QA840119。
该芯片具有免同步时钟调整，可在30波特至30k波特之间任意变速通信，片内具有8位双重地址译码，5位数据控制码，3位设备类型码，8位高速A/D变换和多种回码校验等突出优点。
该通信集成电路及其制造技术的发明，已被国家专利局授予发明专利，专利号为94113382.6。
在本系统中我们充分利用该芯片的特点并与计算机技术相结合，使控制器之间的通信实现了智能化，其方法如下：
控制器与探测器的通信数据结构见图4。
通过实验我们发现：
由于探测器内电子元器件性能差异及与其控制器之间的距离不等，特别是探测器受到不同强度、频率的辐射电磁场、电瞬变干扰时，若选择恰当的编码单位时间T，可以达到良好的通信效果。
表1所列为我们对距离控制器不同点上的20只探测器进行的信号传输试验所得的数据（采用截面积1ｍ㎡双绞多芯铜导线）。
从表1看出。
随着探测器与控制器之间的距离增大，T的取值也要相应增大，与此不同的是当探测器电子器件的性能差异或处于不同的干扰条件下，则通信可靠性与T的取值就没有明显的规律。
但是实验证明其中存在的共性就是：
对于系统中不同点、不同时间、不同干扰的某只探测器，通过大范围改变T值，最终可以找到某个合适的T值，使控制器与该探测器之间的通信达到最佳状态。
图4控制器与探测器的通信数据结构
表1：
T的取值勤与单点巡检时间和信号传输距离的关系
T值范围（μs）
40≤T≤67
75≤T≤106
114≤T≤140
150≤T≤180
S：
单点巡检时间（ms）
6≤S≤10
11≤S≤16
18≤S≤21
22≤S≤27
L：
可靠传输距离（km）
偶尔不可靠
L≤0.5
L≤1.4
L≤2.5
T值范围（μs）
2OO≤T≤300
400≤T≤600
700≤T≤1000
1200≤T≤T1800
S：
单点巡检时间（ms）
30≤S≤45
60≤S≤90
105≤S≤135
180≤S≤S270
L：
可靠传输距离（km）
L≤4
L≤6
L≤8
L≤10
T值范围（μs）
2000≤T≤T3000
3200≤T≤T4000
4200≤T≤5000
5200≤T≤8000
S：
单点巡检时间（ms）
300≤S≤450
80≤S≤600
630≤S≤750
780≤S≤1200
L：
可靠传输距离（km）
L≤12
L≤13
L≤14
L≤15
要使系统完成通信任务，关键在于系统的学习，即给定一组标准T值样本Ｔi（67、68、….…m）和信号回答样本集Rn（n=1、2、、、127），系统在对每个探测器通信的过程中，通过不断调整信号传输权因子Tn而检验该探测器反馈信号的正确性（如通过检查该探测器回答的类型码和地址设定码与控制器中已经记录在案的相关内容是否一致），当与探测器达到最佳通信速度和可靠性时，计算机将该信号传输权因子Tn加以存储记忆，从而系统可获得与每个探测器进行最佳通信的要素集Tn（n=1、2、3……127）。
这种信号传输权因子的学习、通常采用连续不断的回答传播方式，一旦干扰情况变化，使计算机用原来存储的信号权因子与该探测器通信失败，则开始新一轮的查找过程，当干扰消失、通信正常的情况下，计算机则逐步降低Tｎ的取值，以提高对该探测器的巡检速度。
这种方法是控制器对不同点不同环境中的探测器采取不同巡检速度，即可确保对那些处于复杂条件下的探测器的正常信号传输，同时也大大提高了回路的整体巡检速度。
使系统信号传输对环境变化有很强的自学习、自调整、自适应能力，从而系统经过一段时间的运行，其工作状态更趋稳定。
在对该系统进行多次静电放电、电瞬变脉冲、辐射电磁场等干扰实验时，系统从未发生通信故障，我们又对分布在总线上不同距离的127只探测器进行了近4个月的运行考核证明，这种信号传输方式为总线制火灾探测报警系统信号传输技术提供了一种更为有效和可靠的新方法。
3.2解决了离子感烟与电子感温双传感器融合的技术问题
离子感烟传感器在响应火灾生成物—烟的特性方面有其独特的优点，它对于那些短时间内迅速蔓延而更具危害性的火灾—明火所产生的黑色烟，离子感烟传感器能迅速的作出反应，而光电感烟传感器和感温传感器的反应速度则相对要迟缓得多，虽然离子感烟传感器对于受限空间内的物质阴燃烟反应速度不如光电感烟传感器，但是物质燃烧还远远没有出现明火形成蔓延之势之前，离子传感器的信号变化量已经出现了明显的反应，只是在常规固定门限值的离子感烟火灾探测报警系统中，人们为了减少误报，常常将固定门限值设得过高，致使它对阴燃烟报警迟缓，我们对感烟探测器采取升烟速率与门限自动高速相结合的火灾判断新技术，已经很好的解决了这一问题，经过多次木材热解燃烧试验表明，采用这一方法完全可以使离子感烟探测器对阴燃烟的报警灵敏度达到二级以上，与光电感烟探测器的响应速度不相上下。
而对离子感烟探测器和光电感烟探测器进行酒精明火的试验中，两种探测器都不能作出明显的反应，为了克服感烟探测器这一探测盲区，需要引入电子感温传感器加以弥补，这便是人们要将感烟感温传感器相融合的重要原因之一。
离子感烟传感器与电子感温传感器相结合，其难度要大于光电感烟传感器与电子感温传感器的结合，由于离子传感器中的电离室工作电流很小，仅在微安级，所以不允许任何其它带电源器件或导线等放入和经过电离室，因此将离子感烟传感器与电子感温传感器结合在一起，在结构设计及布局等方面有较高要求，这也是目前国内尚无离子感烟与电子感温相复合的探测器问世的主要原因之一。
而我们在结构设计方面采取对离子室加强屏蔽，电子感温元件在结构中绕开离子室的方法，较好的解决了这一问题。
此外，我们在研制感烟感温复合探测器中选用了热敏电阻作为温度传感器，但是目前市场上可供选用的热敏电阻在温度—电阻特性上存在着严重的非线性，给精确探测温度带来了很大麻烦。
为此我们先利用简单电路对热敏电阻的温/阻我进行了粗略线性化处理，再利用控制器软件对其进一步精确化，不仅对热敏电阻的非线性进行了有效修正，使用权温度探测误差减小为正负2。
C，同时，也使系统对温度的探测范围扩大到-20。
C至135。
C，使系统能够实时准确地获得各探测器所在环境温度的变化情况，为其后建立与感温相关的火灾探测数学模型提供良好的先决条件。
3.3可靠的火灾探测算法的建立
在实现系统通信智能化的同时,我们就如何实现系统火灾探测智能化进行了深入研究,这也是本课题所要迫切解决的关键技术。
火灾探测实际上是在日夜监视其周围的环境变化，以判断是否有火发生，系统对火灾探测信号处理的任务就是要剔除干扰，以及时、正确地判断火灾。
但是火灾探测器的安装环境是极其复杂的，由于环境中气流、灰尘、湿气、电磁场、电瞬变、静电以及人为干扰的影响和不规律性，其变化特征与火灾生成的烟雾或温度变化有其相似之处，因此采用一般的信号处理方法想要区分火灾和环境变化引起的信号干扰是极其困难的。
仔细分析这些信号，可能看出其中的差别。
各种干扰反应在信号变化上大致可归纳为以下几种：
（1）缓慢漂移；
（2）陡然升降；（3）信号消失；（4）起伏不定；而现场工作的探测器因火灾而引起的信号变化具有相对较稳定的变化过程。
如果能够将两者区分开来，火灾探测报警的可靠性将有显著的提高。
随着模拟量多传感探测器和计算机在火灾探测报警系统中的应用，使火灾探测智能化有了硬件基础，同时火灾探测算法起着越来越重要的作用，采用智能化的火灾探测算法是目前的发展趋势。
火灾探测是一个非结构性问题，当前处理这一非结构性问题是最有效的方法，是让系统能够模仿人对火灾判断的某些过程，即：
感官神经、经验、思维三者的综合结果，我们在系统对烟、温信号处理上则同时采用了人工神经网络、数学计算模型和模糊逻辑的融合，三者取长补短，从而大大提高了火灾探测系统的智能化水平。
系统火灾判断方法示意图见图5
图5神经网络与数学模型和模糊系统融合的火灾判断方法示意图
在图5中可以看出：
神经网络与数学模型和模糊逻辑融合的方式为串联型，首先神经网络对探测器传送来的类型码进行识别，以决定是否激活或抑制对哪些特征函数进行提取或预处理。
对感烟模拟量提取三种特征函数进行预处理后进入模糊逻辑判决器，在模糊逻辑判决器中有24种逻辑运算处理方式，可根据感烟特征函数的计算结果有模糊方法进行相应的逻辑运算处理；而对感温模拟量也提取三种特征函数进行预处理，并将计算结果归纳为8种情况，取得相应的计算系数，然后用固定的数学模型计算出差温和定温报警权值；而对感烟/感温复合模拟量值，则同时提取6种特征函数进行预处理后除采取上述模糊逻辑和数学模型处理算法外，还采取了12种烟温综合处理算法。
至此系统已对感烟、感温两个传感器模拟量数据进行了深入的分析，进而把握住了火灾发生的趋势特征和概率。
但是作为一个完整的的火灾自动探测报警系统，仅给出火灾发生的程度是不够的，而必须给出明确的答案，也就是要对探测器所处的环境状态进行模式识别。
在模式识别方面采取神经网络，每个神经元有确定的输入输出关系规则，所有的神经元将接收前面的输出，并依据条件的适用度决定是否被激发，最终可输出6种不同的状态信号。
本BP网络的学习采取有导师的学习方式，当系统出现误报并在操作人员确定后，可以通过键盘送入相关信息，系统将记忆误报的特征数据并调整网络参数，以后当这种情况再次发生时，系统一方面将特征数据与已存储的误报数据进行比较，如果相同，系统采用已调整后的网络参数进行计算和判别，从而避免再次发生误报。
系统的这种功能仅对高级操作人员开放，在系统研制的过程中，我们经过大量的干扰实验，已经将一些典型的误报特征数据存入系统，从而充分提高了系统去掉环境干扰，正确区别真、伪火灾信号的能力。
我们所设计的这种火灾判断智能软件具有广泛的涵盖面，它不仅使感烟感温复合式探测器成为探烟探温的全方位火灾探测器，而且对单一感烟或感温探测器也能够起到降低误报率、提高火灾探测能力的作用。
例如：
使单一感温探测器则采取门限自动调整的方法，弥补了它对阴燃烟不灵敏的缺陷，使它对阴燃烟的响应灵敏度可与光电感烟探测器相一致。
3.4控制器软件模块化、功能多样化
随着火灾报警控制系统的容量日益增大，探测器与控制器之间传送的信号和数据结构各异，因此火灾报警系统的可扩充性、系统构成的灵活性、系统的兼容性和巡检速度是国内外厂商普遍关注的问题。
在分析了国外控制器优缺点的基础上，我们提出了多CPU并行工作方式、模块化积木式结构，集中控制器与区域控制器硬件、软件结构完全一致、带载能力（指带载探测器和楼层显示器）相同，使控制器功能完备，构成方便、灵活，并具有良好兼容性。
系统构成如图3。
控制器主板与回路板、LCD显示均采用串行通信，为此扩展了12个串行通信接口、两个并行通信口，控制器主板、回路板均有一片16位高性能单片机80C196KC，LCD显示板、打印机采用一片80C31单片机和一片AT8951单片机。
为节省控制器的硬件开销，控制器采用EPLD可编程逻辑阵列器件扩展串行口，减小了电路板尺寸，降低了成本，并且大大提高了可靠性与稳定性。
打印功能由1片单独的的微处理器负责完成，克服了控制器在打印信息时不能巡检。
控制器工作时序采用硬件时钟时序，保证控制器实时多任务严格按时序执行，并且自动诊断、监视回路板工作情况，具有自动复位和恢复回路板运行功能。
制定了严密的集中机与区域机、控制器主板与回路板、主板与打印机、主板与PC机、控制器与楼显的通信协议，克服了某一模块（如打印机）死机或工作异常导致控制器锁死而丧失巡检功能。
由于控制器主板与各功能模块间的通信采用串行通信，当传输的数据量很大时，控制器的键盘输入响应就显得迟钝。
为此，采用了数据传输分块传输，提高了键盘响应速度。
控制器除了满足国家标准要求外，增加许多工程开通调试、生产检测功能，大大方便了生产和工程开通调试，如表2。
控制器在未采用硬件抗干扰措施下，采用软件冗余技术，提高抗干扰性能。
在进行多次静电放电、电瞬变、电磁场干扰等试验，控制器从未发生异常，运行可靠、稳定。
表2控制器功能操作菜单
01
火警信息
02
区域机故障示
03
回路故障信息
04
部位故障显示
05
提示信息
06
楼显故障信息
07
带载量查询
08
探测器参数查询
09
回路屏蔽查询
10
探测器屏蔽查询
11
调时
12
复位
13
回路参数修改
14
探测顺参数修改
15
回路屏蔽修改
16
探测器屏蔽修改
17
探测器监视
18
现场编程
控制器软件采用实时多任务功能模块设计，当控制器同时执行多项任务时，确保控制器正常巡检、火警监视、故障显示等功能不受影响。
具有控制器信息界面显示直观、易懂、数据显示丰富等特点，如探测器参数查询，见图6。
控制器主板控制软件具有自动诊断、监视回路板工作，一旦发现回路板工作异常，自动复位回路板，并保持原正确数据。
集中控制器、区域控制器软件、功能完全一致，每一台控制器既可作集中机，又可作区域机，方便了生产，并降低了工程造价。
探测器参数查询
请输入探测器地址号：
01-1-001
探测器类型：
03
设定值属性：
55
火警判式设定值：
13
烟报警设定阈值：
50
定温火警设定值：
62
差温火警设定值：
60
烟突升限定值：
10
烟升速度限定值：
05
烟低限故障值：
10
综合最小烟值：
10
综合最小差温值：
20
烟高限故障值：
150
综合最小定温值：
054
温低限故障值：
-20
图6探测器参数查询
上述技术问题的解决，大大提高了系统整体技术水平。
我们所研制的离子感烟与电子感温复合式火灾探测报警系统不仅填补了国内这方面的空白，拓宽了对烟温的探测范围，而且使离子感烟/电子感温三复合探测器的性能。
集探测智能、通讯智能为一体，进而使火灾自动探测报警技术向更快、更可靠的方向迈进了一大步。
4系统特点和主要性能指标
4．1系统特点
（1）本系统能够响应很宽的火灾现象“谱”，如明火/阴燃生成的可见/不可见黑色/白色烟、温度等，尤其对明火生成的黑烟有更好的灵敏度。
（2）控制器为模块化积木式的结构设计，打印机、液晶屏、PC机、联动控制板及8块回路板可以和主控板任意拼装，每种功能板都带有1片16位微处理80C196KC，自行完成各自的特定功能及工作过程，控制器中多片CPU并行工作，相互之间又可以提供支持，所以控制器不会因为扩展功能和扩大带载而影响对事件的处理能力及工作效率，具有功能全、构成灵活的特点。
（3）每一台控制器既可作集中机，也可作区域机，但其软件、模块构成方式和带载能力（指带载探测器和楼层显示器的数量）完全相同。
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