智能煙火報警系統可靠性設計

郭建花

摘 要：工業現場日益惡化的電磁干擾環境，使得產品開發不再是簡單的“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自身穩定運行和抑制干擾的能力，而外部因素是指引起系統不可靠或影響系統可靠的外界因素。但是，外部環境的改善總是有限的，往往是愛莫能助。

硬件是單片機系統的基礎，軟件是單片機系統的靈魂。因此，以故障為核心的煙火報警系統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可靠運行的有力保障[1]。

2 提高系統可靠性的措施

2.1 硬件系統的可靠性設計

為了提高系統的可靠性，硬件系統綜合運用了抗干擾和冗余保障技術。優先考慮CMOS工藝高性能工業級元器件，提高電路噪聲容限，增加系統抗干擾能力;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，將系統可能產生的干擾降到最低。探測器模擬電路和數字電路分板設計，供電電源采用星型布線，模擬電源、數字電源和模擬地、數字地僅在公共節點連接，從而有效阻斷了數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域向另一個區域感應和輻射傳播。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，從而使系統具有較高的抗電磁干擾能力。

3）基于冗余設計思想的單穩態多諧振蕩電路。為確保程序跑飛時系統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，還用單穩態多諧振蕩器搭建了死機顯示電路。

設計只用第一通道，A是上升沿觸發信號，是下降沿觸發信號，Q和是輸出信號，其配置邏輯如表1所示。由表可知U5工作在第五觸發模式，來自MCU的上升沿觸發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，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，三個控制信號就能夠正常行使控制邏輯。

2.2 軟件系統的可靠性設計

1）數字濾波。探測器煙霧處理程序采用中位值平均濾波算法，連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均，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 系統自檢診斷功能設計

在工程實踐中，單片機系統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，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變化如式（2）、（3）所示。

如此高的前置電壓放大倍數，使得光電接收管靜態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已經搭建完畢。系統自檢狀態下，探測器微處理器、煙霧數據采集模塊、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，如果系統某個部分或者某個功能出現故障，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.單片機系統可靠性設計[J].計算機測量與控制，2003，11（8）：621-623.