淺議可編程邏輯器件在消防自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：隨著計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)及智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，我國消防設(shè)施的自動化、智能化水平不斷提高，消防技術(shù)實現(xiàn)了火災(zāi)自動監(jiān)測、自動報警及消防設(shè)備聯(lián)動控制。本文將對可編程邏輯器件在消防自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行探討。通過采用可編程片上系統(tǒng)技術(shù)，來實現(xiàn)用戶對消防自動控制系統(tǒng)升級，并通過軟硬件的裁減來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，從而為消防自動控制系統(tǒng)的微型化、集成化、智能化提供了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：消防自動控制系統(tǒng)；可編程邏輯器件；FPGA；SOPC

中圖分類號：TP273

本文在結(jié)合目前消防自動控制系統(tǒng)的構(gòu)建基礎(chǔ)上，以實際應(yīng)用為目的，設(shè)計并實現(xiàn)了基于可編程邏輯器件的現(xiàn)代消防自動控制系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)消防自動控制系統(tǒng)

隨著消防電子產(chǎn)品的發(fā)展，我國消防自動控制系統(tǒng)發(fā)展迅猛，尤其是在微電子技術(shù)的應(yīng)用之后，火災(zāi)自動報警技術(shù)研究和推廣應(yīng)用出現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的新局面。在消防自動控制系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)、制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、具有應(yīng)用價值的成果層出不窮。

伴隨著我國城市中的大、中型建筑及公共場所安裝的火災(zāi)探測報警系統(tǒng)和消防設(shè)施逐漸普及，在實際使用過程中暴露出的問題也日益突出，存在以下主要問題：

（1）對于集中系統(tǒng)的主機(jī)，由于其系統(tǒng)龐大，導(dǎo)致其可靠性差，一旦失效，會造成比較大的損失；

（2）該系統(tǒng)形式單一，不同場所會造成一定的無效開銷，導(dǎo)致反應(yīng)不及時；

（3）缺乏擴(kuò)展的靈活性。

2 現(xiàn)代消防自動控制系統(tǒng)的發(fā)展

可編程邏輯器件是復(fù)雜大系統(tǒng)控制和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的客觀要求，監(jiān)測單元、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備的智能化為可編程邏輯器件在消防自動控制系統(tǒng)更深層次的應(yīng)用提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時提高了系統(tǒng)自身的可靠性和開放性問題，并越來越多得應(yīng)用到消防自動控制系統(tǒng)這個特殊行業(yè)中。

2.1 基于PLC控制的自動滅火消防系統(tǒng)

基于PLC控制的自動滅火消防系統(tǒng)反應(yīng)快，控制面積大，用水量大。PLC比單片機(jī)穩(wěn)定，功能沒有單片機(jī)靈活。現(xiàn)在發(fā)展的已經(jīng)相當(dāng)成熟，但價格比較高，使用人員屬于2次開發(fā)，通訊協(xié)議保密，不利于客戶壓縮成本的要求。

2.2 基于FPGA的消防控制系統(tǒng)

基于FPGA的消防控制系統(tǒng)正在迅速發(fā)展，其包含以下優(yōu)勢：

FPGA通過原理圖、VHDL對數(shù)字系統(tǒng)建模，運用EDA軟件仿真、綜合，生成基于一些標(biāo)準(zhǔn)庫的網(wǎng)絡(luò)表，配置到芯片即可使用。它與ASIC的區(qū)別是用戶不需要介入芯片的布局布線和工藝問題，而且可以隨時改變其邏輯功能，使用靈活。在目前的電子設(shè)計中，常使用硬件描述語言（Verilog或VHDL）所完成的電路設(shè)計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，燒錄至FPGA上進(jìn)行測試。本文采用FPGA作為消防自動控制系統(tǒng)的主要控制芯片，運用VHDL語言實現(xiàn)并處理，有很好的靈活性和擴(kuò)展性。

3 基于SOPC技術(shù)的消防自動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2，該設(shè)計將所有探測點連接到區(qū)域火災(zāi)報警控制器中，每個區(qū)域報警控制器最多可以連接128個探測回路，除了滿足系統(tǒng)接口數(shù)量要求外還有一定冗余，為下一步系統(tǒng)擴(kuò)展提供了方便。區(qū)域報警器將探測器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并發(fā)送給主控制器進(jìn)行處理。區(qū)域火災(zāi)報警控制器采用51單片機(jī)來完成，消防聯(lián)動主控制器將區(qū)域報警器送來的信號進(jìn)行并行處理，提高了系統(tǒng)的處理能力，縮短了系統(tǒng)的處理周期，為發(fā)現(xiàn)和撲救火災(zāi)節(jié)省了寶貴的時間。

系統(tǒng)內(nèi)所有消防聯(lián)動設(shè)備有聯(lián)動控制模塊控制，執(zhí)行主控制器的命令，進(jìn)行滅火和停止動作。同時聯(lián)動監(jiān)視模塊對每個聯(lián)動設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并將設(shè)備情況反饋給主控制器，以便于主控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理。報警裝置用于遠(yuǎn)程發(fā)送信息報告火警，LCD顯示火災(zāi)的相關(guān)信息。

3.2 控制芯片硬件設(shè)計

以Nios II為核心的SOPC系統(tǒng)使用由SOPC Builder提供的各種IP核：包括Nios II軟核、JTAG UART調(diào)試模塊、三態(tài)橋、SDRAM控制器、片內(nèi)存儲器、LCD顯示器接口、PIO核等。在SOPC Builder中，Avalon總線將整個系統(tǒng)的片內(nèi)存儲器和外設(shè)與處理器連接起來以構(gòu)成SOPC系統(tǒng)，并可以自動或手動完成外設(shè)與存儲器的地址映射、總線控制、中斷控制等。

3.3 軟件設(shè)計

基于Nios II的SOPC系統(tǒng)是一個軟硬件復(fù)合的系統(tǒng)。因此設(shè)計過程中，可以分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個部分。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會遇到這種情況：所需要的功能既可以用軟件的方式來實現(xiàn)，也可以用純硬件邏輯來實現(xiàn)。若用硬件方式來實現(xiàn)，需要占用額外的FPGA片內(nèi)邏輯資源，但可以保證系統(tǒng)工作速度不受影響，在FPGA資源比較充裕時，顯然這種方案更為可??；反之，用軟件方式來實現(xiàn)，可以節(jié)省硬件資源，但增加了軟件的結(jié)構(gòu)和編寫的復(fù)雜度，而且不能保證系統(tǒng)處理的實時性，若對系統(tǒng)的實時性要求不高的話，則可考慮用軟件來實現(xiàn)更多的功能。控制芯片的Nios II系統(tǒng)模塊軟件設(shè)計主要包括人機(jī)接口設(shè)置、系統(tǒng)信息輸出報警功能、信息存儲設(shè)置以及系統(tǒng)報警和故障數(shù)據(jù)存儲。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用SOPC技術(shù)，將消防自動控制系統(tǒng)的信號采集模塊和微處理模塊巧妙的集成到一片F(xiàn)PGA內(nèi)部，并利用可編程邏輯的靈活性和NIOS II的強(qiáng)大處理能力，設(shè)計并實現(xiàn)了消防自動控制系統(tǒng)主要控制部件的功能。該系統(tǒng)的實現(xiàn)功能還是相對比較簡單的，由于FPGA內(nèi)部還有大量的邏輯資源可以利用，因此可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的功能。

實際結(jié)果表明：基于SOPC的消防自動控制系統(tǒng)運行正常、數(shù)據(jù)傳輸可靠、操作管理方便。

由于FPGA的可編程特性，可以在不改變?nèi)魏瓮鈬娐返那闆r下對系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件升級，大大延長了系統(tǒng)的壽命周期，這一點也是相對于其它控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，未來隨著計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，火災(zāi)報警系統(tǒng)和消防自動化系統(tǒng)規(guī)模將越來越大，其功能必定向模塊化、軟件化發(fā)展，便于控制系統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的開放性和智能化程度，采用SOPC方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，正符合當(dāng)今科技的發(fā)展方向。

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作者簡介：李征（1984-），男，邢臺人，碩士，參謀，助理工程師，畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)，研究方向：消防工程。

作者單位：邢臺市公安消防支隊，邢臺 054000