CN116030610A - 一种消防报警系统回路总线隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消防报警系统回路总线隔离器，涉及消防报警技术领域，包括输入回路调理电路、主控单元、IO扩展电路、支路短路检测电路、支路隔离控制电路和状态指示电路，输入回路调理电路处理后的回路总线及滤波后的高电平信号与主控单元的微处理器连接，微处理器通过SPI接口连接IO扩展电路，IO扩展电路的输出信号作为控制信号与支路短路检测电路、支路短路隔离控制电路和状态指示电路连接，支路短路检测电路的采样信号与主控单元的A/D端口连接，支路隔离控制电路用于将短路的支路隔离；本发明将一个回路总线分成多个可独立隔离保护的支路输出，可靠性更高以及成本更低，短路阈值以及报故障灵敏度等参数可软件设置和实时查询，调试维护方便。
Description
技术领域
本发明涉及消防报警技术领域，具体而言，特别是涉及一种消防报警系统回路总线隔离器。
背景技术
随着近年来火情发生的频繁性及危害性，人民越来越重视早期的火灾检测及报警。消防报警产品越来越多的使用在生产和生活中，随着对消防报警的重视，对火灾探测检测的可靠性就提出了更高要求，消防报警系统回路总线隔离器，能对隔离器后端支路所接设备在短路等异常突发情况进行隔离保护，避免影响回路上的其他正常设备的正常火灾探测，提高了系统的可靠性。
当前，消防报警系统回路总线隔离器，存在如下不足：(1)大都是一进一出的单支路隔离方式。一条消防报警回路总线上一般能接252个现场设备，要想更多的隔离分区，需要的总线隔离器就会更多，成本高。(2)大都是采用的固态继电器，因继电器本身特性，响应时间慢，机械寿命短，振动环境下容易触发误动作。(3)大都是靠纯硬件电路实现隔离，短路判定阈值参数固定，应用不灵活，后期维护不方便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用一进多出的多支路隔离方式的消防报警系统回路总线隔离器。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种消防报警系统回路总线隔离器，包括输入回路调理电路、主控单元、IO扩展电路、支路短路检测电路、支路隔离控制电路和状态指示电路，所述输入回路调理电路处理后的回路总线及滤波后的高电平信号与所述主控单元的微处理器连接，所述主控单元的微处理器通过SPI接口连接IO扩展电路，所述IO扩展电路的输出信号作为控制信号与所述支路短路检测电路、支路短路隔离控制电路和状态指示电路连接，所述支路短路检测电路的采样信号与所述主控单元的A/D端口连接，所述支路隔离控制电路用于将短路的支路隔离，所述状态指示电路用于指示所述主控单元的微处理器运行状态及支路的短路故障。
根据本发明优选的一个实施例，所述支路短路检测电路包括信号采样控制电路，在信号采样控制电路中，IO扩展电路的级联移位寄存器的输出信号AD1ON同时接电阻R22和电阻R25的一端，电阻R22的另一端接N-MOS管U4的G极，电阻R25的另一端接GND，N-MOS管U4的S极接GND，N-MOS管U4的D极同时接电容C10、电阻R19和电阻R20的一端，电阻R20的另一端接稳压管D12的正极，稳压管D12的负极接支路回路输出的1B-，1B-与B+之间连接支路负载RL。
根据本发明优选的一个实施例，所述支路短路检测电路包括信号采样电路，所述信号采样电路中，电阻R19的一端与电容C10的一端相连以及同时连接采样控制电路的N-MOS管U4的D极，在采样控制开关打开的时候，N-MOS管U4导通且S极接GND，电阻R19的另一端与电容C10的另一端相连并同时连接电阻R16的一端和组合二极管D11的PIN3，组合二极管D11的PIN1接地，组合二极管D11的PIN2接5V电压，电阻R16的另一端连接支路回路输出的1B-。
根据本发明优选的一个实施例，所述支路隔离控制电路中，IO扩展电路的级联移位寄存器的输出信号1ON同时接电阻R17和电阻R21的一端，电阻R17的另一端接N-MOS管Q1B的G极，电阻R21的另一端接GND，N-MOS管Q1B的S极接GND，N-MOS管Q1B的D极接1B-，1B-与B+之间连接支路负载RL。
根据本发明优选的一个实施例，所述输入回路调理电路包括端口的EMC保护电路，所述EMC保护电路中，输入回路的B+接EMC保护电路中的双向TVS管一端，双向TVS管另一端接输入回路的B-。
根据本发明优选的一个实施例，所述输入回路调理电路还包括MOS管防反接保护电路，所述MOS管防反接保护电路中，输入回路的B+接采样电阻R15的一端，电阻R15的另一端接电阻R18的一端，电阻R18的另一端接GND，GND连接Q5A和Q5B的S极，Q5A和Q5B的D极相连并接B-，Q5A和Q5B的G极相连且接电阻R110的一端，电阻R110的另一端接主控单元微处理器的控制信号Crtl_ON，控制信号Crtl_ON同时还接电阻R109的一端，电阻R109的另一端接GND。
根据本发明优选的一个实施例，所述主控单元还包括电源LDO，所述电源LDO用于为回路总线隔离器提供电源。
根据本发明优选的一个实施例，所述主控单元的微处理器为LK213芯片。
根据本发明优选的一个实施例，所述IO扩展电路包括有多个级联的移位锁存器。
根据本发明优选的一个实施例，所述状态指示电路包括电性连接的微处理器运行状态指示电路及支路的短路故障指示电路。
本发明的技术效果在于：
1、本发明一种消防报警系统回路总线隔离器，输入回路调理电路处理后的回路总线及滤波后的高电平信号与主控单元的微处理器连接，微处理器通过SPI接口连接IO扩展电路，IO扩展电路的输出信号作为控制信号与支路短路检测电路、支路短路隔离控制电路和状态指示电路连接，支路短路检测电路的采样信号与所述主控单元的A/D端口连接，支路短路隔离控制电路连接有多个支路，本发明从一个回路总线上通过隔离器分成多个可独立隔离保护的支路输出，从而实现了采用一进多出的多支路隔离方式的有益效果。
2、本发明一种消防报警系统回路总线隔离器，含有微处理器，其与回路总线连接，可相互通信，控制器或配置工具，可通过回路总线，对该消防报警系统回路总线隔离器进行参数的读和写操作，短路的判定阈值、短路故障报出的时间等均可灵活设置，及实时读取，对后期的调试及维护非常方便。
3、本发明一种消防报警系统回路总线隔离器，是由MOS管的开关来实现隔离控制，相对于继电器而已，响应更快，寿命更长，可靠性更高。
附图说明
图1是本发明一种消防报警系统回路总线隔离器的原理框图；
图2是本发明一种消防报警系统回路总线隔离器第一支路的短路检测及隔离控制电路的原理图。
附图标记：RL-负载；R15-电阻；R16-电阻；R18-电阻；R19-电阻；R20-电阻；C9-电容；C10-电容；D11-组合二极管；D12-稳压管；D13-组合二极管；Q1-MOS管；Q5-MOS管；U4-MOS管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对发明的限定。
如图1-图2所示，本发明一种消防报警系统回路总线隔离器，是一进八出的隔离方式，将一个回路总线信号接入进来后，分成八个支路输出，由这八个支路再分别接若干现场部件。所述消防报警系统回路总线隔离器包含输入回路调理电路、主控单元、IO扩展电路、支路短路检测电路、支路隔离控制电路和状态指示电路。所述输入回路调理电路包括端口的浪涌保护电路、防反接电路、及回路整流滤波电路；所述主控单元包含了电源LDO、回路协议解析电路及微处理器，本发明选取的微处理器为公司定制开发芯片LK213芯片，其内部已集成了电源LDO和回路协议解析电路，电源LDO的输出电压为5VDC；所述IO扩展电路包括三片级联的74HC595移位锁存器，由主控单元的微处理器经SPI进行级联扩展；所述支路短路检测电路，包括八个支路的信号采样控制电路、信号采样电路和输入回路总线干路的信号采样电路；所述支路隔离控制电路包括八个支路的MOS管开关控制电路；所述状态指示电路包括隔离器本身运行状态指示电路及八个支路的短路故障指示电路。所述输入回路总线的调理电路处理后的回路总线及滤波后的高电平信号与所述主控单元的微处理器芯片连接；所述支路短路检测电路的采样信号与所述主控单元的微处理器芯片的A/D端口连接；所述IO扩展电路采用了74HC595级联方式进行扩展，其数据信号、时钟信号和锁存信号与所述主控单元的微处理器芯片的SPI接口连接，其输出信号作为控制信号与所述支路短路检测电路、支路短路隔离控制电路和状态指示电路连接。
进一步，消防报警系统回路总线隔离器在PCB上设计固定孔及输入接线端子和输出接线端子，可做成板卡的形式，即隔离卡，安装在控制器内。控制器内的回路总线输出接到隔离卡后，经八个支路输出，接现场回路总线设备。八路不够的话，可以多接一个或多个隔离卡。所述消防报警系统回路总线隔离器也可做成模块成品的形式，即隔离模块，安装在工程现场，现场回路总线接入隔离模块后，再八个支路输出，分别接附近现场回路总线设备。
进一步，所述主控单元的微处理器，内部集成了回路协议解析电路，回路波形为脉冲波形，其中含有通讯段及非通讯段协议，通讯段用于回路板与回路总线设备的通讯，非通讯段用于回路线的检线，消防报警系统回路总线隔离器正是利用非通讯段，对八个支路进行短路检测及算法判定，对符合短路判据的支路定为短路状态，控制对应支路MOS管关断隔离。当检测到短路撤销后，控制对应支路MOS管导通，恢复正常工作。
进一步，所述IO扩展电路，包括三个74HC595芯片级联，扩展出二十四个输出控制信号，正好对应八个支路的信号采样控制开启信号，MOS管开关控制信号及短路故障指示灯驱动信号，所述三个级联的74HC595芯片通过SPI与所述主控单元微处理器连接。
进一步，所述支路短路检测电路，包括回路总线干路的信号采样电路、八个支路的信号采样控制开启电路及信号采样电路。所述信号采样电路，包括由两个电阻构成的1:10分压电路、电容滤波电路和采样限幅电路。所述信号采样控制电路，包括由74HC595输出的控制信号、电阻和MOS管构成的开关电路以及由6.2V稳压管、1.2K电阻及负载RL构成的高电平检测通道电路。所述6.2V稳压管，用于过滤掉回路中电平6V和低电平0V波形，只让高电平通过。
进一步，所述支路隔离控制电路，包括74HC595输出的控制信号、电阻和MOS管；通过MOS管的关断将短路的支路隔离。
进一步，所述状态指示灯电路，包括主控单元微处理器、IO扩展电路74HC595输出的控制信号、限流电阻和LED。
下面举例说明为本发明一种消防报警系统回路总线隔离器，而实际工程使用过程中并不限于此。
如图1-图2所示，为本发明一种消防报警系统回路总线隔离器的原理示意框图及第一支路短路检测及隔离控制电路实际应用原理图。消防报警系统回路总线进入隔离器，与主控单元的微处理器进行通讯及供电，微处理器选用公司定制的LK213芯片，内部集成了回路总线协议解析电路和LDO，微处理器运行起来后，给本板卡提供5V电源，供外围器件使用。同时控制Crtl_ON为高，使防反设计的MOS管Q5正常导通，连接GND与B-。
下面就参照图2，以第一支路的短路检测及隔离控制原理进行详细阐述。
输入回路调理电路由端口的EMC保护电路、MOS管防反接保护电路及二极管、电阻和电容组成的整流滤波电路组成。输入回路的B+接EMC保护电路中的双向TVS管一端，EMC保护电路中的双向TVS管另一端，接输入回路的B-，构成输入回路的一级EMC保护。输入回路的B+，接采样电阻R15的一端，R15的一端接R18的一端，R18的另一端接GND，GND接Q5A和Q5B的S极，Q5A和Q5B的D极相连，都接B-，Q5A和Q5B的G极相连，都接R110电阻的一端，R110电阻的另一端接主控单元微处理器的Crtl_ON控制信号，Crtl_ON控制信号同时还接R109的一端，R109的另一端接GND，这部分构成防反接电路。经过防反接处理后的输入回路B+/GND，接主控单元的回路协议解析电路。
所述支路短路检测电路包括信号采样控制电路和信号采样电路；信号采样控制电路用于控制信号采样的开和关，由IO扩展电路输出的控制信号、电阻和MOS管构成的开关电路以及由6.2V稳压管、电阻和负载构成的高电平检测通道电路构成。多路支路的信号采样控制电路原理相同，以第1支路为例，IO扩展电路的级联移位寄存器的输出信号AD1ON，同时接电阻R22和电阻R25的一端，电阻R22的另一端接N-MOS管U4的G极，电阻R25的另一端接GND，N-MOS管U4的S极接GND，N-MOS管U4的D极,同时接电容C10、电阻R19和电阻R20的一端，电阻R20的另一端接稳压管D12的正极，D12的负极接支路回路输出的1B-，1B-与B+之间接第1支路负载RL。信号采样电路用于信号的采样，包括由两个电阻构成的1:10分压电路、电容滤波电路和采样电压限幅电路。回路总线干路和多路回路支路的信号采样控制电路原理相同，以第1支路为例，电阻R19的一端与电容C10的一端相连，同时连接采样控制电路的N-MOS管U4的D极，在采样控制开关打开的时候，N-MOS管U4导通，U4的S极接GND。电阻R19的另一端与电容C10的另一端相连，并同时连接R16的一端和D11的PIN3，D11的PIN1接地，D11的PIN2接5V，R16的另一端接支路回路输出的1B-。电阻R19与电阻R16构成1:10分压。也可做成其他分压比。
支路隔离控制电路包括MOS管开关控制电路。多路回路支路的隔离控制电路原理相同，以第1支路为例，IO扩展电路的级联移位寄存器的输出信号1ON，同时接电阻R17和电阻R21的一端，电阻R17的另一端接N-MOS管Q1B的G极，电阻R21的另一端接GND，N-MOS管Q1B的S极接GND，N-MOS管Q1B的D极接1B-，1B-与B+之间接第1支路负载RL。
微处理器芯片在通讯段与回路通讯，在非通讯段，进行检线。由主控单元，发送命令，通过IO扩展电路，控制74HC595芯片输出引脚的1ON为低电平，即关断MOS管Q1B，此时回路第一支路的输出，高端仍为B+，低端1B-不再与GND直通了。微处理器解析回路电平为高时，控制74HC595芯片输出引脚的AD1ON为高电平，此时高电平短路检测通道开启，路径如下：B+经负载RL到1B-，再到稳压管D12(电压为6.2V)，再到电阻R20(阻值为1.2K)，再到MOS管U4，经AD1ON控制后导通至GND，最后，经MOS管Q5导通，回到B-。采样分压电路中的电阻R16(阻值为1M)和电阻R19(阻值为100K)与稳压管D12和电阻R20支路并联，电容C10与电阻R19并联，AD1为R19的电压，对应为(V1B-)*1/11，组合二极管D11是对AD1进行电压限幅保护，防止异常电压进入微处理器烧坏。AD1连接主控单元微处理器的A/D口，通过软件采样读数，可推算出AD1的电压值VAD1，再根据电阻R16/R19的分压比，可算出1B-电压值V1B-为11*VAD1。同理，ADLB+采样电路，路径如下：B+经过采样分压电路中的R15(阻值为1M)和电阻R18(阻值为100K)，到GND，最后，经MOS管Q5导通，回到B-。电容C9与电阻R18并联，ADLB+为电阻R18的电压，对应为(VB+)*1/11，组合二极管D13是对ADLB+进行电压限幅保护，防止异常电压进入微处理器烧坏。AD LB+连接主控单元微处理器的A/D口，通过软件采样读数，可推算出ADLB+的电压值(VAD LB+)，再根据电阻R15/R18的分压比，可算出B+电压值(VB+)为11*VAD LB+。由此，可算出第一支路输出电压，即负载RL电压VRL＝(VB+)-(V1B-)。已知稳压管D12电压值VD12＝6.2V，可计算出电阻R20的电压VR20＝(V1B-)-VD12。通过负载RL电压VRL与电阻R20的电压值VR20的比值，作为短路判定的依据。
B+/B-为输入回路线，为脉冲波形，高电平最大电压28V、中电平6V以及低电平0V，回路检线是在非通讯段的高电平进行，回路高电平输出最大28V，回路总线末端设备允许的最低高电平为13V。根据回路负载电流的不同，声称的长线也不同，在此定义回路支路的短路阈值为RS。则短路判据如下公式一：
化简如下公式二所示：
VB+可根据ADLB+采样值计算，(VB+)＝11*VAD LB+。
V1B-可根据AD1采样值计算，(V1B-)＝11*VAD1。
VD12＝6.2V。
通过软件采样AD1和ADLB+，带入上述公式二左侧表达式，如满足公式二，则判定当前支路负载电阻小于短路阈值RS，判定支路发生短路，反之支路正常。
本发明中的短路电阻阈值，是软件可调的，即声称的短路电阻RS，可以根据现场具体情况进行设置。本发明中主控单元微处理器，可以与控制器回路进行通讯，可以灵活设置参数，及实时读取查询参数，具体解释描述如下：
当现场满回路负载总电流为0.3A，则允许的长线电阻为(28V-13V)/0.3A＝50欧。考虑采样误差及元件精度偏差，预留余量，短路阈值可设为60欧，对应短路判据如下公式三：
化简如下公式四：
通过软件采样AD1和ADLB+，即可根据带入上述公式四左侧表达式，如满足公式四，则判定负载电阻小于短路电阻阈值60欧，判定支路发生短路。反之支路正常。
当现场满回路负载总电流为0.1A，则允许的长线电阻为(28V-13V)/0.1A＝150欧，声称回路总线长线电阻越大，意味着回路总线现场布线就可以越长。考虑采样误差及元件精度偏差，预留余量，短路阈值可设为160欧，对应短路判据如下公式五：
化简如下公式六：
通过软件采样AD1和ADLB+，即可根据带入上述公式六左侧表达式，如满足公式六，则判定负载电阻小于短路电阻阈值160欧，判定支路发生短路。反之支路正常。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种消防报警系统回路总线隔离器，其特征在于，包括输入回路调理电路、主控单元、IO扩展电路、支路短路检测电路、支路隔离控制电路和状态指示电路，所述输入回路调理电路处理后的回路总线及滤波后的高电平信号与所述主控单元的微处理器连接，所述主控单元的微处理器通过SPI接口连接IO扩展电路，所述IO扩展电路的输出信号作为控制信号与所述支路短路检测电路、支路短路隔离控制电路和状态指示电路连接，所述支路短路检测电路的采样信号与所述主控单元的A/D端口连接，所述支路隔离控制电路用于将短路的支路隔离，所述状态指示电路用于指示所述主控单元的微处理器运行状态及支路的短路故障。
2.根据权利要求1所述的一种消防报警系统回路总线隔离器，其特征在于，所述支路短路检测电路包括信号采样控制电路，在信号采样控制电路中，IO扩展电路的级联移位寄存器的输出信号AD1ON同时接电阻R22和电阻R25的一端，电阻R22的另一端接N-MOS管U4的G极，电阻R25的另一端接GND，N-MOS管U4的S极接GND，N-MOS管U4的D极同时接电容C10、电阻R19和电阻R20的一端，电阻R20的另一端接稳压管D12的正极，稳压管D12的负极接支路回路输出的1B-，1B-与B+之间连接支路负载RL。
3.根据权利要求1所述的一种消防报警系统回路总线隔离器，其特征在于，所述支路短路检测电路包括信号采样电路，所述信号采样电路中，电阻R19的一端与电容C10的一端相连以及同时连接采样控制电路的N-MOS管U4的D极，在采样控制开关打开的时候，N-MOS管U4导通且S极接GND，电阻R19的另一端与电容C10的另一端相连并同时连接电阻R16的一端和组合二极管D11的PIN3，组合二极管D11的PIN1接地，组合二极管D11的PIN2接5V电压，电阻R16的另一端连接支路回路输出的1B-。
4.根据权利要求1所述的一种消防报警系统回路总线隔离器，其特征在于，所述支路隔离控制电路中，IO扩展电路的级联移位寄存器的输出信号1ON同时接电阻R17和电阻R21的一端，电阻R17的另一端接N-MOS管Q1B的G极，电阻R21的另一端接GND，N-MOS管Q1B的S极接GND，N-MOS管Q1B的D极接1B-，1B-与B+之间连接支路负载RL。
5.根据权利要求1所述的一种消防报警系统回路总线隔离器，其特征在于，所述输入回路调理电路包括端口的EMC保护电路，所述EMC保护电路中，输入回路的B+接EMC保护电路中的双向TVS管一端，双向TVS管另一端接输入回路的B-。
6.根据权利要求1所述的一种消防报警系统回路总线隔离器，其特征在于，所述输入回路调理电路还包括MOS管防反接保护电路，所述MOS管防反接保护电路中，输入回路的B+接采样电阻R15的一端，电阻R15的另一端接电阻R18的一端，电阻R18的另一端接GND，GND连接Q5A和Q5B的S极，Q5A和Q5B的D极相连并接B-，Q5A和Q5B的G极相连且接电阻R110的一端，电阻R110的另一端接主控单元微处理器的控制信号Crtl_ON，控制信号Crtl_ON同时还接电阻R109的一端，电阻R109的另一端接GND。
7.根据权利要求1所述的一种消防报警系统回路总线隔离器，其特征在于，所述主控单元还包括电源LDO，所述电源LDO用于为回路总线隔离器提供电源。
8.根据权利要求1所述的一种消防报警系统回路总线隔离器，其特征在于，所述主控单元的微处理器为LK213芯片。
9.根据权利要求1所述的一种消防报警系统回路总线隔离器，其特征在于，所述IO扩展电路包括有多个级联的移位锁存器。
10.根据权利要求1所述的一种消防报警系统回路总线隔离器，其特征在于，所述状态指示电路包括电性连接的微处理器运行状态指示电路及支路的短路故障指示电路。
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| CN202211600013.3A CN116030610A (zh) | 2022-12-12 | 2022-12-12 | 一种消防报警系统回路总线隔离器 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211600013.3A CN116030610A (zh) | 2022-12-12 | 2022-12-12 | 一种消防报警系统回路总线隔离器 |
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| CN116030610A true CN116030610A (zh) | 2023-04-28 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202211600013.3A Pending CN116030610A (zh) | 2022-12-12 | 2022-12-12 | 一种消防报警系统回路总线隔离器 |
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2022
- 2022-12-12 CN CN202211600013.3A patent/CN116030610A/zh active Pending
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