智能煙火報警系統(tǒng)可靠性設計

郭建花

摘 要：工業(yè)現(xiàn)場日益惡化的電磁干擾環(huán)境，使得產品開發(fā)不再是簡單的“拼湊”工作，信號完整性、電磁兼容性與產品工作性能變得同等重要。因此，從事產品開發(fā)工作的設計人員必須具備可靠性設計思想。

關鍵詞：可靠性;振蕩器;報警

1 引言

單片機系統(tǒng)的可靠性是內部因素和外部因素綜合作用的結果，所謂的內部因素是指系統(tǒng)自身穩(wěn)定運行和抑制干擾的能力，而外部因素是指引起系統(tǒng)不可靠或影響系統(tǒng)可靠的外界因素。但是，外部環(huán)境的改善總是有限的，往往是愛莫能助。

硬件是單片機系統(tǒng)的基礎，軟件是單片機系統(tǒng)的靈魂。因此，以故障為核心的煙火報警系統(tǒng)可靠性設計也應該從這兩個方面著手，硬件、軟件自身可靠性以及它們的完美組合是系統(tǒng)可靠運行的有力保障[1]。

2 提高系統(tǒng)可靠性的措施

2.1 硬件系統(tǒng)的可靠性設計

為了提高系統(tǒng)的可靠性，硬件系統(tǒng)綜合運用了抗干擾和冗余保障技術。優(yōu)先考慮CMOS工藝高性能工業(yè)級元器件，提高電路噪聲容限，增加系統(tǒng)抗干擾能力;電源變換模塊設計前級濾波電路，不僅能夠有效抑制外界對單板的傳導干擾，同時也可濾除單板對外的傳導發(fā)射;在盡可能靠近集成芯片電源引腳放置高品質的陶瓷去耦小電容，能夠濾除高頻諧波干擾，提供一個穩(wěn)定的局部電源。

可靠性設計是一項復雜龐大的工程，除以上防護措施外，探測器還進行了如下設計：

1）隔離技術。隔離可細分為物理隔離和信號隔離，物理隔離是指通過良好的PCB布局、布線，將容易產生干擾和干擾敏感的器件、線路隔離開來，將系統(tǒng)可能產生的干擾降到最低。探測器模擬電路和數(shù)字電路分板設計，供電電源采用星型布線，模擬電源、數(shù)字電源和模擬地、數(shù)字地僅在公共節(jié)點連接，從而有效阻斷了數(shù)字電路產生的電源噪聲對模擬信號的影響。

2）屏蔽技術。屏蔽技術是利用金屬隔離的原理來控制電磁干擾由一個區(qū)域向另一個區(qū)域感應和輻射傳播。探測器采用不銹鋼外殼構成電磁屏蔽體，通過屏蔽材料的吸收和反射作用來削弱進入殼體的電磁能量，金屬網蓋板和DB9外殼共地設計，進一步保證了屏蔽體接合完整性，從而使系統(tǒng)具有較高的抗電磁干擾能力。

3）基于冗余設計思想的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路。為確保程序跑飛時系統(tǒng)也能自動納入正常軌道，智能火災探測器采用冗余設計，除使能MCU自帶的看門狗定時器外，還用單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器搭建了死機顯示電路。

設計只用第一通道，A是上升沿觸發(fā)信號，是下降沿觸發(fā)信號，Q和是輸出信號，其配置邏輯如表1所示。由表可知U5工作在第五觸發(fā)模式，來自MCU的上升沿觸發(fā)信號控制輸出一個時間長度為τ的低電平脈沖信號，τ值大小由C20、R29共同決定，如公式（1）所示。

Q2、Q3、Q5是三個N溝道MOSFET，導通電壓最高為3V，如果撇開振蕩器輸出信號，三個管始終處于導通狀態(tài)，場效應管導通時漏源電壓很小，漏極相當于接地，此時火警/正常、故障輸出和探測器LED指示三個控制信號都失去控制作用。反之，如果振蕩器A腳觸發(fā)信號提供一個周期小于7ms的方波，那么U5輸出信號始終保持低電平，三個MOS管始終處于截止狀態(tài)，三個控制信號就能夠正常行使控制邏輯。

2.2 軟件系統(tǒng)的可靠性設計

1）數(shù)字濾波。探測器煙霧處理程序采用中位值平均濾波算法，連續(xù)采樣N個數(shù)據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數(shù)據的算術平均，中位值平均濾波算法能夠有效濾除隨機干擾，保證了數(shù)據可信度。

2）軟件防抖。軟件防抖的原理是檢測到控制信號后并不立即執(zhí)行相應動作，而是等待一段時間后再判斷一次，如果前后兩次判斷結果一致才執(zhí)行控制動作。按鍵處理和控制信號檢測程序采用軟件防抖，有力地保證了人機交互的可靠性。

3）看門狗定時器。使能探測器MCU自帶的看門狗定時器，當程序失控時，得不到及時清零的看門狗定時器溢出，溢出端復位MCU，探測器自動重啟。

3 系統(tǒng)自檢診斷功能設計

在工程實踐中，單片機系統(tǒng)具有一定的自檢診斷功能是非常有用的，它可以幫助使用者快速準確地確定故障部位[2]。自檢信號產生電路如圖1所示。

系統(tǒng)正常工作情況下，開關觸點接5V電壓，與非門反相輸出低電平，晶體管Q3和復合管Q2都處于截止狀態(tài)，自檢信號不能正常輸出。當自檢按鈕按下，開關接地電平，Q2和Q3均飽和導通，最終輸出0V和24V自檢信號。

24V電壓信號被探測器的自檢信號檢測電路檢測到，探測器MCU控制U4C和U4D兩路電子開關都導通，兩級交流電壓放大倍數(shù)變化如式（2）、（3）所示。

如此高的前置電壓放大倍數(shù)，使得光電接收管靜態(tài)工作電流最終轉換為近乎滿偏電壓輸出，經預置火災探測算法處理，必判定為火警邏輯，繼電器輸出火災報警信號也是必然的。控制器像對待正常的火災報警信號一樣，觸發(fā)蜂鳴器蜂鳴、繼電器輸出火警匯總信號。

4 結論

綜上所述，一個設計合理、功能完善的自檢診斷系統(tǒng)已經搭建完畢。系統(tǒng)自檢狀態(tài)下，探測器微處理器、煙霧數(shù)據采集模塊、智能火災探測算法、輸入輸出模塊和控制器LED指示模塊、蜂鳴指示模塊、VCU驅動模塊以及控制器微處理器本身都得到了充分而完備的自檢，如果系統(tǒng)某個部分或者某個功能出現(xiàn)故障，均可通過控制器的LED和蜂鳴提示得到準確判斷。

參考文獻

[1]唐鐘，周小偉.大型復雜分布式控制系統(tǒng)可靠性及可擴充性設計[J].自動測量與控制，2006，25（10）：67-69.

[2]任曉榮.單片機系統(tǒng)可靠性設計[J].計算機測量與控制，2003，11（8）：621-623.