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外文文獻(xiàn)原稿和譯文原稿Multiplesingle-chipmicrocomputerapproachtofiredetectionandmonitoringsystemA.J.AI-Khalili,MSc,PhDD.AI-Khalili,MSc,PhDM.S.Khassem,MScIndexingterm:Hazards,Design,PlantconditionmonitoringAbstract:Acompletesystemforfiredetectionandalarmmonitoringhasbeenproposedforcomplexplants.Thesystemusesmultiplesinglechiparchitectureattachedtoapartyline.Thecontrolalgorithmisbasedonatwo-levelhierarchyofdecisionmaking,thusthecomplexityisdistributed.Acompletecircuitdiagramisgivenforthelocalandthecentralstationwithrequirementsforthesoftwarestructure.Thedesigniskeptingeneralformsuchthatitcanbeadaptedtoamultitudeofplantconfigurations.Itisparticularlyshownhownewdevelopmentsintechnology,especiallyCMOSsinglechipdevices,areincorporatedinthesystemdesigntoreducethecomplexityoftheoverallhardware,e.g.bydecomposingthesystemsuchthatlowerlevelsofhierarchyareabletohavesomeautonomyindecisionmaking,andthusamorecomplexdecisionissolvedinasimpledistributedmethod.1DetectionandalarmdevicesAbasicfiredetectionsystemconsistsoftwoparts,detectionandannunciation.Anautomaticdetectiondevice,suchasaheat,smokeorflamedetector,ultravioletorinfrareddetectorsorflameflicker,isbasedondetectingthebyproductofacombustion.Smokedetectors,ofbothionizationandopticaltypes,arethemostcommonlyuseddetectordevices.WhenatypicaldetectorofthistypeentersthealarmstateitscurrentconsumptionincreasesfromthepAtothemArange(say,fromamere15pAinthedormantmodeto60mA)intheactivemode.Inmanydetectorsthedetectoroutputvoltageiswelldefinedundervariousoperatingconditions,suchasthosegiveninTable1.Themoresensitivethedetector,themoresusceptibleitistofalsealarms.Inordertocontrolthedetectorprecisely,eitherofthefollowingmethodsisused:acoincidencetechniquecanbebuiltintothedetector,orafilteringtechniquesuchthatalogiccircuitbecomesactiveonlyifxalarmsaredetectedwithinatimeperiodT.Thedetectiontechniquedependsgreatlyonthelocationandplantbeingprotected;smokedetectorsareusedforsleepingareas,infraredorultravioletradiationareusedwhenflammableliquidsarebeinghandled,heatdetectorsareusedforfiresuppressionorextinguishingsystems.Ingeneral,lifeandpropertyprotectionhavedifferentapproaches.Alarmdevices,apartfromtheusualaudibleorvisiblealarms,mayincorporatesolidstatesoundreproductionandemergencyvoicecommunicationorprintersthatrecordtime,date,locationandotherinformationrequiredbythestandardcodeofpracticeforfireprotectionforcomplexplants.Heaviside[4]hasanexcellentreviewofalltypesofdetectorsandextinguishersystems.1.1ControlphilosophyanddivisionoflabourOurcontrolphilosophyisimplementedhierarchically.Threelevelsofsystemhierarchyareimplemented,withtwolevelsofdecisionmaking.Thereisnocommunicationbetweenequipmentonthesamelevel.Interactionbetweenlevelsoccursbyupwardstransferofinformationregardingthestatusofthesubsystemsanddownwardstransferofcommands.ThisisshowninFig.1whereatlevel1isthecentralstationmicrocomputerandistheultimatedecisionmaker(whennotinmanualmode).Atlevel2arethelocalcontrollers,whichresideinthelocalstations.Atlevel3aretheactualdetectorsandactuators.Amanualmodeofoperationisprovidedatalllevels.Informationregardingthestatusofalldetectorsistransmittedonaperareabasistothelocalcontrollers.Theirinformationiscondensedandtransmittedupwardtothecentralmicrocomputer.Transferofstatusisalwaysunidirectionalandupwards.Transferofcommandsisalwaysunidirectionalanddownwards,withexpansionatthelocalcontrollevel.Thisapproachpreservesthestrictrulesofthehierarchyforexactmonitoringdetectionandalarmsystemsassociatedwithhighriskplants.Theclassificationofthetwolayersofcontrolsisbaseduponlayersofdecisionmaking,withrespecttothefactsthat(a)Whenthedecisiontimecomes,themakingandimplementationofadecisioncannotbepostponed(b)Thedecisionshaveuncertainty(c)Itwillisolatelocaldecisions(e.g.locallywemighthaveanalarmalthoughtheremaybeafaultwiththesystem)2GeneralhardwareI:Fig.2depictsourdesigninthesimplestofforms.Thesystemusesanopenpartylineapproachwithfourconductorcablesgoinginaloopsharedbyalltheremotedevicesandthecontrolpanel.Thisapproachissimpleinconceptandiseconomicallyfeasible.However,onemajordisadvantageisthedependencyonasinglecableforpowerandsignaling.Incaseswherereliabilityisofextremeimportance,twooreventhreecablestakingdifferentroutesthroughoutthesystemmaybeconnectedinparallel.Fig.3givesthedrivercircuitryrequiredtoderiveanexpandablebus.Thisdesigntakesadvantageofrecentadvancesinthesinglechipmicrocomputertechnologytoreducetheinterfacebetweenthecentralstationandthelocalstations.2.1CentralcontroltaskAcentralunitprovidesacentralizedpointtomonitorandcontrolthesystemactivities.Inthesystemtobedescribedthecentralcontrolunitservesafivefoldpurpose.(i)Itreceivesinformationfromthelocalstationsandoperatesthealarmsandotheroutputdevices.(ii)Itnotifiestheoperatorincaseofsystemmalfunction.(iii)Itprovidesanoverallsystemcontrolmanualandautomatic.(iu)Itprovidesasystemtestpointoflocalstationsanditself.(u)Itprovidesacentralpointforobservation,learningandadaptation.2.2LocalstationsThelocalstationscantakelocaldecisionsregardingrecognitionofarisksituation,andactindependentlyonlocalaffairs.Inthistechniquewedependon‘load-typecoordination’,e.g.thelowerlevelunitsrecognizetheexistenceofotherdecisionunitsonthesamelevel;thecentralorthetoplevelprovidesthelowerunitswithamodeloftherelationshipbetweenitsactionandtheresponseofthesystem.Itisevidentthatapowerfulmachineisrequiredatthisstagesothatalltherequiredfunctionscanbeimplemented.Theavailabilityofthenewgenerationofmicrochipsmakesthisarchitectureafeasiblesolution.Asinglechipmicrocomputerwaschosenoverdiscretedigitalandanaloguedevicestointerfacetothefielddevicesandtothecentralmicrocomputer.Thisisthemainreasonthatpreviouslythisapproachwasnotfeasible.Inselectingthemicrocomputerforthelocalstations,thecriterionwastherequirementforachipwhichcontainsthemostintegrationoftheanalogueanddigitalportsrequiredfortheinterfaceandtheutilizationofCMOStechnologyowingtoremotenessofthelocalstations.ThechoicewastheMotorola68HC11A4,forthefollowingreasons:(a)ItisCMOStechnology;thisreducespowerconsumption.(b)IthasaUARTonboard;thisfacilitatesserialcommunication.(e)Ithasana/dconverteronboard;thiseliminatesanexternalA/D.(d)Ithas4KofROM,256bytesofRAM,512bytesofEERROMwith401/0linesanda16bittimer;thissatisfiedallourmemoryand1/0requirementsatthelocalstationside.3SystemimplementationThelocalstation:Fig.3istheblockdiagramofthecircuitusedtoutilizetheMC68HCllA4asaremotefiredetectingcircuitwhileFig.4illustratesthesamecircuitinanexpandedform.Itcanbeseenthatthesinglemicrocontrollercanbeusedtomonitormorethanonedetector,thusreducingsystemcost.Thelooppowersupply,whichisusuallybetween28and26V,isfurtherregulatedbya5V100mAmonolithiclowpowervoltageregulatortosupplypowertothemicrocontroller.Theonboardoscillator,coupledwithanexternalcrystalof2.4576MHz,suppliesthemicrocontrollerwithitstimingsignalwhichisdividedinternallybyfourtoyieldaprocessorfrequencyof614.4kHz,whichisanevenmultipleoftheRS232[7]baudrategenerator.InthisSectiontheterm‘supervisedinputoroutput’willbeusedtomeanthatthefunctioninquestionismonitoredforopen-andshort-circuitconditionsinadditiontoitsothernormalfunctions.MoreinformationcanbefoundinReference9.4Mainloop5ConclusionThispaperdescribesthedevelopmentofalargescalefiredetectionandalarmsystemusingmulti-singlechipmicrocomputers.Thearchitectureusedisatwo-levelhierarchyofdecisionmaking.ThisarchitectureismadepossiblebythenewCMOSmicrocontrollerswhichrepresentahighpackingdensityatalowpowerconsumptionyetarepowerfulindataprocessingandthusindecisionmaking.Eachlocalstationcouldmakeanautonomousdecisionifthehigherlevelofhierarchyallowsittodoso.Ithasbeentriedtokeepthesystemdesigningeneralformatsoitcanbeadaptedtovaryingsituations.Aprototypeofthedescribedsystemhasbeenbuiltandtested[10].ThecontrolpartofthecentralstationisimplementedwithadevelopmentcardbasedonMC68000microprocessor(MEX68KECB,byMotorola),whichhasabuilt-inmonitorcalledTutor.Theapplicationprogramsweredevelopedusingthefeaturesprovidedbythismonitor.Thelocalstations’controllersweredesignedusingtheMC68705R3,single-chipmicrocontroller.7References1‘Fireprotectionguidelinesfornuclearpowerplants’,USNRCRegulatoryGuide1.1202BAGCHI,C.N.:‘Amulti-leveldistributedmicroprocessorsystemforanuclearpowerplantfireprotectionsystemcontrols,monitoring,andcommunication’,IEEETrans.,19823PUCILL,P.M.:‘Firehazardprotection,detectionandmonitoringsystems’,Sea.Con,2,ProceedingsofSymposiumonADVinoffshoreandterminalmeasurementandcontrolsystems,Brighton,England,March1979,pp.353-3634HEAVISID,L.:‘Offshorefireandexplosiondetectionandfixedfire’.OffshoreTechnologicalConference,12thAnnualProceedings,Houston,5CELLENTANI,E.N.,andHUMPHREY,W.Y.:‘Coordinateddetection/communicationapproachtofireprotection’,Specify:Eng.,6‘MotorolaMicroprocessorsDataManual’(MotorolaSemiconductorProducts,Austin,7ElectronicIndustriesAssociation:‘Interfacebetweendataterminalequipmentanddatacommunicationequipmentemployingserialbinarydatainterchange’(EIAStandardRS-232,Washington,DC,1969)8MESAROVIC,M.D.,MACKO,D.,TAKAHARA,Y.:‘Theoryofhierarchicalmultilevelsystems’(AcademicPress,1970)9KASSEM,M.:‘Firealarmsystems’,MSc.thesis,Dept.ofElec.&Comp.Eng.,ConcordiaUniversity,Montreal,Canada,198510LIE,P.,andKOTAMARTI,U.:‘Thedesignofafirealarmsystemusingmicroprocessors’,C481Project,Dept.ofElec.andComp.Eng.,ConcordiaUniversity,Montreal,Canada,1986譯文基于單片機(jī)的火災(zāi)探測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)A.J.AI-Khalili,MSc,PhDD.AI-Khalili,MSc,PhDM.S.Khassem,MSc關(guān)鍵詞:危險(xiǎn),設(shè)計(jì),設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)摘要:火災(zāi)探測(cè)及報(bào)警監(jiān)控已成為一個(gè)復(fù)雜而完整的體系。該系統(tǒng)采用多個(gè)單芯片架構(gòu)到一條主線上。該控制算法是基于兩級(jí)決策層次,因此分配了復(fù)雜性。一個(gè)完整的電路原理圖,給出了主、分控制器所需的軟件的結(jié)構(gòu)要求。設(shè)計(jì)延續(xù)一般形式,這樣可以適應(yīng)于多種系統(tǒng)的配置。尤其顯示出新的技術(shù)發(fā)展,特別是CMOS單芯片器件,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的使用,以減少整體硬件的復(fù)雜性,例如,通過(guò)分解系統(tǒng),這樣的層次較低水平的控制器能夠有一些決策自主權(quán),用簡(jiǎn)單的分布式的方法解決了復(fù)雜的決策。1、檢測(cè)和報(bào)警裝置一個(gè)基本的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)由兩部分組成,檢測(cè)和報(bào)警。自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備有比如熱,煙霧或火焰檢測(cè)器,紫外線或紅外線探測(cè)器或火焰閃爍,是基于檢測(cè)一個(gè)燃燒的副產(chǎn)品。煙霧探測(cè)器都電離和光類型,是最常用的檢測(cè)設(shè)備。當(dāng)這種類型的典型探測(cè)器進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)產(chǎn)生的電流信號(hào)會(huì)從PA變成MA(比如,從單純的15pA在休眠模式下為60毫安)在主動(dòng)模式。在許多探測(cè)器的檢測(cè)器輸出電壓明確在各種運(yùn)行條件,例如見(jiàn)表1。越是敏感的檢測(cè)器,它更容易受到虛假警報(bào)。為了控制探測(cè)器的精確,可使用下列方法:過(guò)濾技術(shù),這樣的邏輯電路成為活躍僅當(dāng)x警報(bào)的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)周期T。檢測(cè)技術(shù)在很大程度上取決于地點(diǎn)和植物受到保護(hù),煙霧探測(cè)器是睡覺(jué)的地方,紅外線和紫外線輻射探測(cè)器,檢測(cè)易燃液體燃燒,熱探測(cè)器用于滅火和滅火系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō),生命和財(cái)產(chǎn)保護(hù)有不同的做法。報(bào)警裝置,從通常的聲響或視覺(jué)報(bào)警外,還可以采用固態(tài)的聲音再現(xiàn)和緊急話音通信或打印機(jī),記錄時(shí)間,日期,地點(diǎn)和其他資料。1.1控制理念和分工我們的理念是實(shí)施控制等級(jí)。三個(gè)層次的系統(tǒng)級(jí)的實(shí)施,兩個(gè)級(jí)別的決策。之間沒(méi)有設(shè)備,在同一層次的溝通。交互各級(jí)之間發(fā)生了向上的信息傳輸有關(guān)的子系統(tǒng)和向下?tīng)顟B(tài)轉(zhuǎn)移的命令。這是圖所示。1,其中第1級(jí)是中央控制站,是微機(jī)最終(在不手動(dòng)模式)決策者。第2級(jí)是當(dāng)?shù)乜刂破?,建立在?dāng)?shù)氐恼?。?級(jí)是實(shí)際檢測(cè)器和驅(qū)動(dòng)器。在各級(jí)提供手操作模式。所有探測(cè)器的數(shù)據(jù)和分處理器是當(dāng)?shù)乜刂频幕A(chǔ)。他們將信息濃縮,并轉(zhuǎn)交中央處理器。信息傳遞的地位始終是單向及以上。命令傳輸是單向的總是向下,并在擴(kuò)大局部控制的水平。這種方法保留了層次的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)檢測(cè)和嚴(yán)格的規(guī)則高風(fēng)險(xiǎn)的核電站警報(bào)系統(tǒng)。兩個(gè)控制層的分類是基于決策層。(一)在屆時(shí)的決定,提出和決定的執(zhí)行情況不能再拖延(二)決定的不確定性(三)將隔離當(dāng)?shù)氐臎Q定(例如,我們可能會(huì)在當(dāng)?shù)貓?bào)警,但有可能有故障系統(tǒng))2、硬件圖.2描繪了我們的設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單的形式。這個(gè)系統(tǒng)采用四個(gè)導(dǎo)體開(kāi)放的路線,在所有遠(yuǎn)程共享一個(gè)循環(huán)電纜設(shè)備和控制面板。這種方法簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)上可行。但是,一個(gè)主要缺點(diǎn)是對(duì)一個(gè)單一的電力和信號(hào)電纜的依賴。在重要環(huán)境下,可靠性是極其重要的。固可采用兩個(gè)甚至三個(gè)電纜采取不同的線路連接,可并行連接。圖.3是驅(qū)動(dòng)電路必須得一個(gè)擴(kuò)展總線。采用這種設(shè)計(jì)在單片機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展優(yōu)勢(shì)減少與中央控制站和地方控制站的接口。2.1中央控制任務(wù)中央站點(diǎn)提供了一個(gè)集中點(diǎn),以監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的活動(dòng)。在該系統(tǒng)介紹了中央控制單元的目的(一)它得到了分控制站的信息和控制警鐘及其他輸出設(shè)備。(二)它提示在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的操作。(三)它提供了一個(gè)全面系統(tǒng)的手動(dòng)和自動(dòng)控制。(四),它提供了中央和分站的系統(tǒng)測(cè)試點(diǎn)。(五)它提供了一個(gè)中心點(diǎn)觀察,學(xué)習(xí)和適應(yīng)。2.2分控制站分控制站的決定可以控制處理當(dāng)?shù)氐男畔ⅰ_@種技術(shù)我們就依靠負(fù)載型協(xié)調(diào)下級(jí)單位,承認(rèn)在同一水平上的其他決定單位的存在;中央或高層提供了一個(gè)較低的單位模型之間的行動(dòng)和系統(tǒng)響應(yīng)的關(guān)系。很明顯,一個(gè)強(qiáng)大的機(jī)器,需要在這個(gè)階段,使所有需要的功能得到有效執(zhí)行。該芯片的新一代供應(yīng)使得該體系結(jié)構(gòu)的解決變得可行。單片機(jī)被選中了離散的數(shù)字和模擬設(shè)備接口,到外地設(shè)備和中央微機(jī)。這是最主要的原因,以前這種做法是不可行的。該芯片的選擇的,包含要求的模擬和數(shù)字接口所需的端口和CMOS技術(shù)的運(yùn)用,由于地處偏僻的分控制站最一體化。這個(gè)選擇是摩托羅拉68HC11A4,理由如下:(1)它是CMOS技術(shù),這可減少電力消耗。(2)它有一個(gè)UART,這有利于串行通信。(3)它有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器上,這消除了外部A/D轉(zhuǎn)換(4)它有一個(gè)4K的ROM,256K內(nèi)存,512KEERROM字節(jié)40個(gè)I/O端口的線路和一個(gè)16位定時(shí)器;符合分控制站所有的內(nèi)存和1/0的要求。3、系統(tǒng)實(shí)施分控制站:圖.3是用于一個(gè)遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警MC68HCllA4電路框圖檢測(cè)電路:圖.4這是前一個(gè)電路的擴(kuò)展形式??梢钥闯鰡纹瑱C(jī)可用于監(jiān)控多個(gè)探測(cè)器,從而降低了系統(tǒng)成本。回路電源,通常在26到28V之間,通常五伏一百毫安單片低功耗電壓調(diào)節(jié)器供電的微控制器。板載振蕩器,是一個(gè)2.4576MHz的外部晶體結(jié)合,提供時(shí)間信號(hào),它被分為4個(gè)內(nèi)部收益率為614.4千赫,這是一個(gè)更多的RS232[7]波特率發(fā)生器的處理器頻率微控制器。4、主循環(huán)5、結(jié)論本文描述了一個(gè)大規(guī)模的火災(zāi)探測(cè)及報(bào)警系統(tǒng),使用多的發(fā)展,單芯片微型計(jì)算機(jī)。該架構(gòu)是采用兩個(gè)層次的決策層次。這種架構(gòu)是可以用到的新的CMOS微控制器,低功耗,并在數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大的高堆積密度和決策。每個(gè)地方控制站可以自主作出的決定如果上級(jí)機(jī)構(gòu),允許它這樣做。一般格式化系統(tǒng)設(shè)計(jì),因此它可以適應(yīng)不同的情況。所描述的系統(tǒng)原型已經(jīng)建成并測(cè)試[10]。中央控制站的控制部分是基于MC68000微處理器(墨西哥68KECB摩托羅拉),它有一個(gè)內(nèi)置的顯示器稱為導(dǎo)師。該應(yīng)用程序都是使
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