智能烟火报警系统可靠性设计

郭建花

摘 要：工业现场日益恶化的电磁干扰环境，使得产品开发不再是简单的“拼凑”工作，信号完整性、电磁兼容性与产品工作性能变得同等重要。因此，从事产品开发工作的设计人员必须具备可靠性设计思想。

关键词：可靠性;振荡器;报警

1 引言

单片机系统的可靠性是内部因素和外部因素综合作用的结果，所谓的内部因素是指系统自身稳定运行和抑制干扰的能力，而外部因素是指引起系统不可靠或影响系统可靠的外界因素。但是，外部环境的改善总是有限的，往往是爱莫能助。

硬件是单片机系统的基础，软件是单片机系统的灵魂。因此，以故障为核心的烟火报警系统可靠性设计也应该从这两个方面着手，硬件、软件自身可靠性以及它们的完美组合是系统可靠运行的有力保障[1]。

2 提高系统可靠性的措施

2.1 硬件系统的可靠性设计

为了提高系统的可靠性，硬件系统综合运用了抗干扰和冗余保障技术。优先考虑CMOS工艺高性能工业级元器件，提高电路噪声容限，增加系统抗干扰能力;电源变换模块设计前级滤波电路，不仅能够有效抑制外界对单板的传导干扰，同时也可滤除单板对外的传导发射;在尽可能靠近集成芯片电源引脚放置高品质的陶瓷去耦小电容，能够滤除高频谐波干扰，提供一个稳定的局部电源。

可靠性设计是一项复杂庞大的工程，除以上防护措施外，探测器还进行了如下设计：

1）隔离技术。隔离可细分为物理隔离和信号隔离，物理隔离是指通过良好的PCB布局、布线，将容易产生干扰和干扰敏感的器件、线路隔离开来，将系统可能产生的干扰降到最低。探测器模拟电路和数字电路分板设计，供电电源采用星型布线，模拟电源、数字电源和模拟地、数字地仅在公共节点连接，从而有效阻断了数字电路产生的电源噪声对模拟信号的影响。

2）屏蔽技术。屏蔽技术是利用金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一个区域感应和辐射传播。探测器采用不锈钢外壳构成电磁屏蔽体，通过屏蔽材料的吸收和反射作用来削弱进入壳体的电磁能量，金属网盖板和DB9外壳共地设计，进一步保证了屏蔽体接合完整性，从而使系统具有较高的抗电磁干扰能力。

3）基于冗余设计思想的单稳态多谐振荡电路。为确保程序跑飞时系统也能自动纳入正常轨道，智能火灾探测器采用冗余设计，除使能MCU自带的看门狗定时器外，还用单稳态多谐振荡器搭建了死机显示电路。

设计只用第一通道，A是上升沿触发信号，是下降沿触发信号，Q和是输出信号，其配置逻辑如表1所示。由表可知U5工作在第五触发模式，来自MCU的上升沿触发信号控制输出一个时间长度为τ的低电平脉冲信号，τ值大小由C20、R29共同决定，如公式（1）所示。

Q2、Q3、Q5是三个N沟道MOSFET，导通电压最高为3V，如果撇开振荡器输出信号，三个管始终处于导通状态，场效应管导通时漏源电压很小，漏极相当于接地，此时火警/正常、故障输出和探测器LED指示三个控制信号都失去控制作用。反之，如果振荡器A脚触发信号提供一个周期小于7ms的方波，那么U5输出信号始终保持低电平，三个MOS管始终处于截止状态，三个控制信号就能够正常行使控制逻辑。

2.2 软件系统的可靠性设计

1）数字滤波。探测器烟雾处理程序采用中位值平均滤波算法，连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均，中位值平均滤波算法能够有效滤除随机干扰，保证了数据可信度。

2）软件防抖。软件防抖的原理是检测到控制信号后并不立即执行相应动作，而是等待一段时间后再判断一次，如果前后两次判断结果一致才执行控制动作。按键处理和控制信号检测程序采用软件防抖，有力地保证了人机交互的可靠性。

3）看门狗定时器。使能探测器MCU自带的看门狗定时器，当程序失控时，得不到及时清零的看门狗定时器溢出，溢出端复位MCU，探测器自动重启。

3 系统自检诊断功能设计

在工程实践中，单片机系统具有一定的自检诊断功能是非常有用的，它可以帮助使用者快速准确地确定故障部位[2]。自检信号产生电路如图1所示。

系统正常工作情况下，开关触点接5V电压，与非门反相输出低电平，晶体管Q3和复合管Q2都處于截止状态，自检信号不能正常输出。当自检按钮按下，开关接地电平，Q2和Q3均饱和导通，最终输出0V和24V自检信号。

24V电压信号被探测器的自检信号检测电路检测到，探测器MCU控制U4C和U4D两路电子开关都导通，两级交流电压放大倍数变化如式（2）、（3）所示。

如此高的前置电压放大倍数，使得光电接收管静态工作电流最终转换为近乎满偏电压输出，经预置火灾探测算法处理，必判定为火警逻辑，继电器输出火灾报警信号也是必然的。控制器像对待正常的火灾报警信号一样，触发蜂鸣器蜂鸣、继电器输出火警汇总信号。

4 结论

综上所述，一个设计合理、功能完善的自检诊断系统已经搭建完毕。系统自检状态下，探测器微处理器、烟雾数据采集模块、智能火灾探测算法、输入输出模块和控制器LED指示模块、蜂鸣指示模块、VCU驱动模块以及控制器微处理器本身都得到了充分而完备的自检，如果系统某个部分或者某个功能出现故障，均可通过控制器的LED和蜂鸣提示得到准确判断。

参考文献

[1]唐钟，周小伟.大型复杂分布式控制系统可靠性及可扩充性设计[J].自动测量与控制，2006，25（10）：67-69.

[2]任晓荣.单片机系统可靠性设计[J].计算机测量与控制，2003，11（8）：621-623.