CN103578232B - 总线型气体监测和报警控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种总线型气体监测和报警控制系统，其中包括控制器主机和数个气体检测仪，各个所述的气体检测仪通过总线与所述的控制器主机进行通信，所述的气体检测仪之间相互并联连接，所述的总线为半双工通讯总线，所述的总线为三线制总线或四线制总线，本发明还涉及一种基于所述的系统实现总线型气体监测和报警控制的方法。采用该种结构的总线型气体监测和报警控制系统及方法，以一种很简单的总线通讯算法即可实现气体监测和报警控制系统，以最低廉的成本搭建可靠完善的气体监测和报警控制系统，通过精密的算法和有效的电路设计使得整个系统可靠，兼容性高，解决市场现有系统的成本高和可靠性以及兼容性差的问题，具有更广泛的应用范围。

Description

总线型气体监测和报警控制系统及方法

技术领域

本发明涉及安全仪表领域，尤其涉及气体监测和报警领域，具体是指一种总线型气体监测和报警控制系统及方法。

背景技术

现有技术中的气体报警控制器往往无法实现与三线制和四线制气体检测仪的兼容连接，控制器主机和气体检测仪之间往往采用点对点连接，采用总线连接的也采用一对一连接的方式，具有单一性，可靠性不强，同时增加了系统的成本，不利于大规模推广应用。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现以简单的总线通讯算法实现气体监测和报警控制、以低廉的成本搭建可靠完善的气体监测和报警控制系统、兼容性好、具有更广泛应用范围的总线型气体监测和报警控制系统及方法。

为了实现上述目的，本发明的总线型气体监测和报警控制系统及方法具有如下构成：

该总线型气体监测和报警控制系统，其主要特点是，所述的系统包括控制器主机和数个气体检测仪，各个所述的气体检测仪通过总线与所述的控制器主机进行通信，所述的气体检测仪之间相互并联连接。

较佳地，所述的总线为半双工通讯总线。

较佳地，所述的总线为三线制总线或四线制总线。

较佳地，所述的控制器主机包括主板和底板，所述的主板包括单片机以及与所述的单片机相连接的总线通讯模块、蜂鸣器控制模块和继电器控制模块，所述的底板包括连接于所述的总线与总线通讯模块之间的总线收发模块、与所述的蜂鸣器控制模块相连接的蜂鸣器、与所述的继电器控制模块相连接的继电器输出端子。

更佳地，所述的主板还包括：

电源监视模块，用以对所述的气体检测仪的供电情况进行监控；

充电控制模块，用以控制所述的控制器主机的充电过程。

更佳地，所述的主板还包括RS485通讯电路，所述的RS485通讯电路用以在所述的单片机的控制下与外界CRT显示器或PLC进行通信。

较佳地，所述的气体检测仪为四总线气体检测仪，所述的四总线气体检测仪包括四线制总线接收模块、传感器模块和继电器控制模块，所述的四线制总线接收模块由所述的控制器主机通过总线进行供电。

较佳地，所述的气体检测仪为三总线气体检测仪，所述的三总线气体检测仪包括三线制总线接收模块、传感器模块和继电器控制模块，所述的三线制总线接收模块与外部电源相连接。

本发明还涉及一种基于所述的系统实现总线型气体监测和报警的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

（1）所述的控制器主机通过总线向各个所述的气体检测仪发送控制信号；

（2）所述的气体检测仪通过总线向所述的控制器主机发送监测状态信号。

较佳地，所述的控制器主机通过总线向各个所述的气体检测仪发送控制信号，具体为：

所述的控制器主机通过总线将控制信号以曼切斯特编码方式形成的电压脉冲序列发送至各个所述的气体检测仪。

较佳地，所述的气体检测仪通过总线向所述的控制器主机发送监测状态信号，具体为：

所述的气体检测仪通过总线将监测状态信号以曼切斯特编码方式形成的电流脉冲序列发送至所述的控制器主机。

较佳地，所述的步骤（2）之后，还包括以下步骤：

（3）所述的控制器主机判断各个所述的气体检测仪的地址是否存在冲突。

更佳地，所述的控制器主机判断各个所述的气体检测仪的地址是否存在冲突，具体为：

（31）所述的控制器主机判断所述的总线中是否存在由于瞬间电流增加而引起的快速压降，如果是，则继续步骤（32），否则继续步骤（33）；

（32）所述的控制器主机判断为所述的气体检测仪的地址存在冲突；

（33）所述的控制器主机判断为所述的气体检测仪的地址不存在冲突。

较佳地，所述的步骤（2）之后，还包括以下步骤：

（4）所述的控制器判断所述的总线中是否存在短路并暂时关闭短路的总线。

更佳地，所述的控制器判断所述的总线中是否存在短路并暂时关闭短路的总线，包括以下步骤：

（41）所述的控制器主机检测所述的总线中是否存在电流限制在硬件保护电流值时的快速压降，如果是，则继续步骤（42），否则结束退出；

（42）所述的控制器主机判断为所述的总线短路并暂时关闭短路的总线；

（43）所述的控制器主机在10秒后打开总线并检测所述的总线中是否依然存在电流限制在硬件保护电流值时的快速压降，如果是，则继续步骤（42），否则恢复总线的通信能力。

采用了该发明中的总线型气体监测和报警控制系统及方法，具有如下有益效果：

（1）本发明以一种很简单的总线通讯算法即可实现气体监测和报警控制系统，以最低廉的成本搭建可靠完善的气体监测和报警控制系统，通过精密的算法和有效的电路设计使得整个系统可靠，兼容性高，解决市场现有系统的成本高和可靠性以及兼容性差的问题。

（2）其中，气体报警控制器主机可以实现兼容连接三线制和四线制总线两种总线类型的气体检测仪，且具有识别外接气体检测仪点数，能自动屏蔽的功能，提高了可燃气体报警控制器主机的兼容性、现场布线的方便性、简单性和可维护性。其中，气体检测仪具有低功耗，连接操作使用简单方便的特点。整套气体监测报警控制系统结构简单，具有低功耗、多功能的特点，大大简化了现场施工的布线和连接，成本低廉，具有更广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明的总线型气体监测和报警控制系统的结构示意图。

图2为本发明的控制器主机与四总线气体检测仪连接的结构示意图。

图3为本发明的控制器主机与三总线气体检测仪连接的结构示意图。

图4为本发明的控制器主机的内部结构示意图。

图5为本发明的四总线气体检测仪的内部结构示意图。

图6为本发明的三总线气体检测仪的内部结构示意图。

图7为本发明的控制器主机发送的数据帧的第1种数据格式的示意图。

图8为本发明的控制器主机发送的数据帧的第2种数据格式的示意图。

图9为本发明的控制器主机发送的数据帧的第3种数据格式的示意图。

图10为本发明的控制器主机发送的数据帧的第4种数据格式的示意图。

图11为本发明的控制器主机发送的数据帧的第5种数据格式的示意图。

图12为本发明的控制器主机发送的数据帧的第6种数据格式的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

在总线通讯协议上，该总线采用主(控制器主机)从（气体检测仪）通讯方式，一个控制器主机（以下均指报警控制器）最多可以一次性并联连接96个从机（以下均指气体检测仪），主机通过地址可以识别从机。该总线通讯协议用于气体监控系统中，可对气体浓度信息和报警信息进行采集并传输给主机，控制器主机通过界面显示出来，供用户查看。该总线协议，采用总线收发机制，也即为主从通讯系统，从机之间无需交换信息，控制器主机通过总线采集从机的信息并做处理，该总线是半双工通讯总线，避免了从机之间相互干扰的问题。

如图1～3所示，在连接方式上，其中控制器主机的连接端口，可以单独连接四总线气体检测仪，也可以单独连接三总线气体检测仪，其中气体检测仪即从机和从机之间并联连接方式。

对该系统总线布线方式的说明如下：

控制器主机一般是安装在控制室内供值班人员查看，从机一般是安装在现场，控制室和现场的距离一般在10～1500m之间，+24V和GND是给从机供电的，从机的主要功耗在传感器部分，单个从机整机功耗一般在50mA左右；BUS+，BUS-是通讯总线并为从机提供总线接收部分电源，一个从机的总线静态功耗为2mA。从机部分既可以从主机那边获得24V电源也可以单独外接电源，当距离在300米以内建议从机通过该主机获得电源，当距离大于300米时从机通过外接本地电源供电，这样能带来最大的经济效益和性能，控制器内部设计有监测从机电源供电情况功能。

如图4所示，控制器主机是由主板和底板组成的。其中主板核心器件是单片机，主板主要由显示界面，电源电路，单片机周围最小电路（看门狗等），电源监视模块，充电控制模块，蜂鸣器控制模块，继电器控制模块，总线通讯模块和RS485通讯电路构成。主板通过单片机控制显示屏，实现显示界面；单片机可以控制工作状态指示灯起到提示整机工作状态的作用；单片机控制按键操作实现人为输入密码、消音等信息；单片机控制蜂鸣器和继电器，实现声音告警和继电器动作联动外接装置；单片机通过上述描述的总线协议，实现控制器与三总线或四总线检测仪通讯的功能；单片机还具有电源监视的功能，实现对检测仪供电监控功能；单片机具有EEPROM(电可擦只读存储器)，可以储存检测仪发来的数据信息以及系统信息；控制器本身具有充电电路，单片机有对充电控制的功能；主板还具有RS485通讯电路，单片机通过控制RS485输出，实现与外界CRT显示或PLC通讯功能；

底板主要由电源，总线收发模块，电源监控模块，电池充电模块，蜂鸣器，继电器输出和输出端子构成。主要实现与主板的连接，输出连接外部设备的端子，如：接外部三总线或四总线，接220V电源，接备用蓄电池，接外部继电器控制的连锁装置。

如图5所示，四总线气体检测仪主要由总线接收模块部分（总线通讯部分）和传感器模块部分以及联动外部设备的继电器控制模块构成。

总线接收模块由单片机CPU1控制，实现总线通讯功能，该总线为四线制，总线接收模块部分的电源由所连接控制器主机对总线单独供电，具有可靠稳定的特点；传感器模块部分主要通过单片机CPU2实现传感器信号采集和处理，对信号进行温度补偿等，处理的数据通过总线方式传递给控制器。同时，CPU2也控制继电器输出，实现报警时，继电器动作，进而联动外部设备。

如图6所示，三总线气体检测仪主要由总线通讯模块和传感器模块部分以及联动外部设备的继电器控制模块构成。

总线通讯模块通过单片机控制，实现总线通讯功能，该总线为三线制，其供电是通过外部给本机供电然后转换得到；传感器模块部分主要通过单片机CPU2实现传感器信号采集和处理，对信号进行温度补偿等，处理的数据通过总线方式传递给控制器。同时，CPU2也控制继电器输出，实现报警时，继电器动作，进而联动外部设备。

上述总线通讯协议采用总线收发机制，主从通讯系统，从机之间无需交换信息，主机通过总线采集从机的数据信息并做处理，该总线是半双工通讯总线。该总线大体分为发送协议和接收协议。具体通讯协议传输数据方式及算法如下：

（1）主机给从机发送控制信号实现方式：

主机给从机发送的信号是采用电压的变化来表示，即主机给从机发送的数据码流是一种电压脉冲序列，用+24V表示高电平，用+12V表示低电平。数据位编码方式采用曼切斯特编码方式，即下降沿代表数据逻辑“1”，上升沿代表数据逻辑“0”，在稳态时，线路保持+24V状态。

（2）从机返回给主机的信号实现方式：

从机返回给主机的信号是采用电流的变化来表示的，即从机给主机返回的数据码流是一种电流脉冲序列，主机在发送数据帧时，在帧结尾会留有两个电压为+12V，时间为48MS时间槽，用于给从机拉电流返回相关的信息。判别方式为：通常比基准电流大8～15mA代表高电平，比基准电流小3mA代表低电平，数据位编码方式也是采用曼切斯特编码方式，下降沿代表数据逻辑“1”，上升沿代表数据逻辑“0”。

（3）从机地址冲突与否的判别：

当从机向主站发送的电流信号相互冲突时，总线电流相互叠加，总线电压由于瞬间电流增加而迅速有一个较大的压降，由此主机可以判断从机通讯是否有冲突，也就是从机地址是否有冲突。

即采用如下步骤：

（31）所述的控制器主机判断所述的总线中是否存在由于瞬间电流增加而引起的快速压降，如果是，则继续步骤（32），否则继续步骤（33）；

（32）所述的控制器主机判断为所述的气体检测仪的地址存在冲突；

（33）所述的控制器主机判断为所述的气体检测仪的地址不存在冲突。

（4）总线短路保护方法：

总线有一个短路保护机制，分为硬件保护和软件保护，其中硬件电路设计上有300mA限流保护，软件通讯协议上也有对它的保护，在主机发送数据帧时，在帧头会留有一个短路检测区域，+12V为5MS，+24V为6MS,当总线短路时，总线电流会被钳制在300mA左右，电压会迅速拉低，通过这点主机可以判断总线是否短路，如果短路，主机会暂时关闭总线，然后每隔10S打开总线，检测总线是否短路，直到总线短路消失，这样大大提高了总线的保护功能。

即采用如下步骤：

（41）所述的控制器主机检测所述的总线中是否存在电流限制在硬件保护电流值时的快速压降，如果是，则继续步骤（42），否则结束退出；

（42）所述的控制器主机判断为所述的总线短路并暂时关闭短路的总线；

（43）所述的控制器主机在10秒后打开总线并检测所述的总线中是否依然存在电流限制在硬件保护电流值时的快速压降，如果是，则继续步骤（42），否则恢复总线的通信能力。

控制器主机发送的数据帧共有6种类型，如图7～12所示，通讯协议中所涉及的传输数据位定义和通讯协议具体实现方式如下所描述：

如图7所示，第1种数据格式分为5个域，分别是时间同步域、总线短路检测域、数据域、应答域和帧结束域。其中时间同步域是作为一帧信息起始域，由2MS低电平，8MS高电平组成，当从机接收到这个域后，说明一帧信息的开始；短路检测域是由5MS低电平，6MS高电平组成，用于主机识别总线是否短路，用于对总线的保护。数据域由两个字节组成，采用曼切斯特编码方式，每个BIT位时间是4MS；应答域由高电平40MS，低电平2MS组成，从机在2MS低电平期间拉电流表示应答；结束域是40MS的高电平组成，表示一帧信息的结束。

如图8所示，第2种帧数据格式分为5个域，分别是时间同步域、总线短路检测域、数据域、从机数据域和结束域。其中时间同步域、总线短路检测域、数据域、结束域和第一种帧格式一样，只有从机数据域不一样。从机数据域是从机返回数据的区域，由两个高电平40MS，低电平48MS组成，在低电平期间返回一个字节的数据，共返回两个字节的数据，返回的数据是从机拉电流数据码，也是采用曼切斯特编码方式。

如图9所示，第3种帧数据格式分为5个域，分别是时间同步域、总线短路检测域、数据域、巡检应答域和结束域。其中时间同步域、总线短路检测域、数据域、结束域和第一种帧格式一样，只有巡检应答域不一样，一个巡检应答域由6MS低电平，4MS高电平组成。从机在6MS低电平槽内拉电流，拉两个BIT位，每个BIT位为2MS，从机拉电流为逻辑“1”，不拉为“0”，00代表从机不在线，01代表从机在线但没有申请数据传输，11代表从机在线且申请数据传输。应答域的长度由从机个数决定，从机根据自己的地址，在各自的应答域内拉电流。

如图10所示，第4种帧数据格式分为5个域，分别是时间同步域、总线短路检测域、数据域、序列号应答域和结束域。其中时间同步域、总线短路检测域、数据域、结束域和第一种帧格式一样。只有序列号应答域不一样，该域由4MS高电平，2MS低电平组成，从机在2MS低电平期间可以拉电流应答。

如图11所示，第5种帧数据格式分为5个域，分别是时间同步域、总线短路检测域、数据域、应答域和结束域。其中时间同步域、总线短路检测域、应答域、结束域和第一种帧格式一样。只有数据域不一样，该数据域发送4个字节的数据，两个字节一组，组与组之间有40MS的高电平，也是采用曼切斯特编码方式。

如图12所示，第6种帧数据格式分为5个域，分别是时间同步域、总线短路检测域、数据域、应答域和结束域。其中时间同步域、总线短路检测域、结束域和第一种帧格式一样。数据域和应答域不一样，数据域和第5帧格式一样，一个应答域由4MS高电平，2MS低电平组成，从机根据自己的地址在相应的2MS低电平期间拉电流应答，应答域的长度由从机的数据量决定。

上述所述的6种数据帧类型分别对应下表中的指令类型种类，指令说明如下：

指令名称

指令类型

指令码(字节1)

字节2

字节3

字节4

说明

正常巡检指令

3

0x0E/0x0F

探头个数

无

无

正常巡检探头在线，浓度变化等信息，0x0E联锁探头，0x0F探头自控

读取状态指令

2

0x27

探头地址

无

无

该指令用于读取从机的当前状态或浓度

读AD值指令

2

0x28

探头地址

无

无

读取探头气体传感器AD值

读取A1指令

2

0x29

探头地址

无

无

读取探头A1值

读取A2指令

2

0x2A

探头地址

无

无

读取探头A2值

读取量程指令

2

0x2B

探头地址

无

无

读取探头量程值

读取标定系数指令

2

0x2C

探头地址

无

无

读取探头标定系数

读取温度指令

2

Ox2D

探头地址

无

无

读取探头温度

复位指令

6

0x13

0xAA

Ox00

0x00

复位探头(继电器)

联锁指令

1

0x12

0x00

无

无

联锁探头的两个缵电器输出

继电器1复位指令

1

Ox10

0x00

无

无

复位探头的继电器1

继电器2复位指令

1

0x11

0x00

无

无

复位探头的继电器2

标定零点指令*

5

0x14

探头地址

0x00

0x00

标定探头零点

标定跨点指令*

5

0x15

探头地址

跨点高八位

跨点低八位

标定探头跨点

设置A1指令*

5

Ox17

探头地址

A1高八位

A1低八位

设置探头A1值

设置A2指令*

5

ox18

探头地址

A2高八位

A2低八位

设置探头A2值

设置量程指令*

5

0x19

探头地址

量程高八位

量程低八位

设置探头量程

设置标定系数指令*

5

Ox1A

探头地址

系数高八位

系数低八位

设置探头标定系数

读取序列号高八位

4

0x0A

Ox00

无

无

读取序列号高八位

读取序列号低八位

4

0x0B

序列号高八位

无

无

读取序列号低八位

分配地址命令

5

0x16

序列号高八位

序列号低八位

分配地址

探头分配通讯地址

带*可以为广播指令

6

带*指令码

地址0XAA

值高八位

值低八位

广播指令，广播地址为0xAA

序列号分配指令

5

0x1B

0X00

序列号高八位

序列号低八位

单独设置探头的序列号地址

采用了该发明中的总线型气体监测和报警控制系统及方法，具有如下有益效果：

(1)本发明以一种很简单的总线通讯算法即可实现气体监测和报警控制系统，以最低廉的成本搭建可靠完善的气体监测和报警控制系统，通过精密的算法和有效的电路设计使得整个系统可靠，兼容性高，解决市场现有系统的成本高和可靠性以及兼容性差的问题。

(2)其中，气体报警控制器主机可以实现兼容连接三线制和四线制总线两种总线类型的气体检测仪，且具有识别外接气体检测仪点数，能自动屏蔽的功能，提高了可燃气体报警控制器主机的兼容性、现场布线的方便性、简单性和可维护性。其中，气体检测仪具有低功耗，连接操作使用简单方便的特点。整套气体监测报警控制系统结构简单，大大简化了现场施工的布线和连接，成本低廉，具有更广泛的应用范围。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (12)

1.一种总线型气体监测和报警控制系统，其特征在于，所述的系统包括控制器主机和数个气体检测仪，各个所述的气体检测仪通过总线与所述的控制器主机进行通信，所述的气体检测仪之间相互并联连接，所述的气体检测仪为四总线气体检测仪或三总线气体检测仪，所述的控制器主机通过总线以曼切斯特编码方式形成的电压脉冲序列向各个所述的气体检测仪发送控制信号，所述的控制器主机发送的控制信号为+24V,+12V高压信号，所述的气体检测仪通过总线以曼切斯特编码方式形成的电流脉冲序列向所述的控制器主机发送监测状态信号，所述的气体检测仪发送的监测状态信号为基准电流-3mA，基准电流+(8～15)mA电流信号，所述的总线兼容三线制总线和四线制总线，所述的四总线气体检测仪和三总线气体检测仪连接到同一总线上。

2.根据权利要求1所述的总线型气体监测和报警控制系统，其特征在于，所述的总线为半双工通讯总线。

3.根据权利要求1所述的总线型气体监测和报警控制系统，其特征在于，所述的控制器主机包括主板和底板，所述的主板包括单片机以及与所述的单片机相连接的总线通讯模块、蜂鸣器控制模块和继电器控制模块，所述的底板包括连接于所述的总线与总线通讯模块之间的总线收发模块、与所述的蜂鸣器控制模块相连接的蜂鸣器、与所述的继电器控制模块相连接的继电器输出端子。

4.根据权利要求3所述的总线型气体监测和报警控制系统，其特征在于，所述的主板还包括：

电源监视模块，用以对所述的气体检测仪的供电情况进行监控；

充电控制模块，用以控制所述的控制器主机的充电过程。

5.根据权利要求3所述的总线型气体监测和报警控制系统，其特征在于，所述的主板还包括RS485通讯电路，所述的RS485通讯电路用以在所述的单片机的控制下与外界CRT显示器或PLC进行通信。

6.根据权利要求1所述的总线型气体监测和报警控制系统，其特征在于，所述的四总线气体检测仪包括四线制总线接收模块、传感器模块和继电器控制模块，所述的四线制总线接收模块由所述的控制器主机通过总线进行供电。

7.根据权利要求1所述的总线型气体监测和报警控制系统，其特征在于，所述的三总线气体检测仪包括三线制总线接收模块、传感器模块和继电器控制模块，所述的三线制总线接收模块与外部电源相连接。

8.一种基于权利要求1至7任一项所述的系统实现总线型气体监测和报警的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的控制器主机通过总线以曼切斯特编码方式形成的电压脉冲序列向各个所述的气体检测仪发送控制信号；

(2)所述的气体检测仪通过总线以曼切斯特编码方式形成的电流脉冲序列向所述的控制器主机发送监测状态信号。

9.根据权利要求8所述的实现总线型气体监测和报警的方法，其特征在于，所述的步骤(2)之后，还包括以下步骤：

(3)所述的控制器主机判断各个所述的气体检测仪的地址是否存在冲突。

10.根据权利要求9所述的实现总线型气体监测和报警的方法，其特征在于，所述的控制器主机判断各个所述的气体检测仪的地址是否存在冲突，具体为：

(31)所述的控制器主机判断所述的总线中是否存在由于瞬间电流增加而引起的快速压降，如果是，则继续步骤(32)，否则继续步骤(33)；

(32)所述的控制器主机判断为所述的气体检测仪的地址存在冲突；

(33)所述的控制器主机判断为所述的气体检测仪的地址不存在冲突。

11.根据权利要求8所述的实现总线型气体监测和报警的方法，其特征在于，所述的步骤(2)之后，还包括以下步骤：

(4)所述的控制器判断所述的总线中是否存在短路并暂时关闭短路的总线。

12.根据权利要求11所述的实现总线型气体监测和报警的方法，其特征在于，所述的控制器判断所述的总线中是否存在短路并暂时关闭短路的总线，包括以下步骤：

(41)所述的控制器主机检测所述的总线中是否存在电流限制在硬件保护电流值时的快速压降，如果是，则继续步骤(42)，否则结束退出；

(42)所述的控制器主机判断为所述的总线短路并暂时关闭短路的总线；

(43)所述的控制器主机在10秒后打开总线并检测所述的总线中是否依然存在电流限制在硬件保护电流值时的快速压降，如果是，则继续步骤(42)，否则恢复总线的通信能力。