嵌入式实时操作系统在火灾自动报警系统中的应用

嵌嵌入入式式系系统统 专 业 电子信息科学与技术 班 级 学 号 学生姓名 嵌入式实时操作系统在火灾自动报警系统中的应用嵌入式实时操作系统在火灾自动报警系统中的应用 火灾的自动报警系统是在火灾初期阶段报警 以便及时扑灭火灾 减少损失 但是 在我国由于宏观政策与行业管理的各种原因 消 防系统总是设计为一个需要独立的系统 比如在GB 50116 1998 火 灾自动报警系统设计规范 中10 2 7条就明确规定火灾报警系统的 传输网络不应与其他系统的传输网络合用 这样一方面我国的消防 自动报警系统有了较好的操作环境 但另一方面 由于对系统以外 的各个方面关心不够 存在自我封闭性 不利于消防电子产业更广 泛地拓宽发展 尤其是随着智能建筑和城市火灾联网监控系统的发 展 相对封闭的火灾报警系统已越来越不适应环境发展的要求 因 此建设开放的火灾报警系统 增强与其他系统的互联能力是一个紧 迫的问题 随着经济与技术的高速发展 全国各地高层 超高层建筑如雨后 笋 而且楼层愈来愈高 内部装修越来越豪华 在高层建筑内部又 有许多楼梯 电梯和直通上下楼层的各类管线竖井 这就好像是在建 筑物内部埋藏了许多导火筒 加之楼内空调 排风 排烟 各类管 道等大大增加了火灾发生的概率 因此 高层建筑一旦失火 如果 没有现代化的自动消防报警设备及早发现火情和及时扑救 火灾一 旦蔓延造成生命财产的损失都是难于估量的 国内外发生的特大火 灾都给我们敲响了警钟 消防自动报警系统包含了很多的监测 控制点 并且它已做到了 价格低廉 原因是 一方面受政策的影响 消防自动报警系统结构 比较统一 较易形成产品化 另一方面消防自动报警系统由于仅需 考虑火情的问题 传输数据量较小 数据协议较为简捷 可使在一 条网络上连接较多的监测控制设备 一个系统的控制网络及智能区 域控制器在整个工程投资中所占的份额较低 尽管确实具备了结构 紧凑 价格低廉的优点 但火灾自动报警系统的外延性不强 所以火灾自动报警系统的设计显得尤为重要 1 国内外现状 目前 国际高端市场是欧美和日本的天下 主要生产商有日本的 日探 报知机器和能美 法国的 FARE 瑞士西门子楼宇自控公司 美国的 Honeywell Simplex 的消防系统等 国外产品多数采用多 CPU 系统 各个 CPU 分别承担不同的任务 有的 CPU 主要处理对探 测器和模块发送控制信号接受报警信号的 有的 CPU 做显示处理 采用的控制器以 16 位控制器为主 部分消防联动设备采用了 X86 的控制板 软件编程序基本上是采用交互方式的人机对话 在 X86 的基础上有采用在 DOS 下编写程序 这类产品如法国的 FARE 在通 信方面 许多公司采用了 CAN 总线基本上取代了原来的 485 通信方 式 目前 部分企业已经将互联网引入到了消防设备 国内火灾报警控制器多数采用8位微处理器 优点是硬件成本比 较低 缺点是难以满足复杂的数据算法 人机界面做的不是很完善 设备的可操作性不好 一方面 在大型消防报警系统中 报警地点 报警现场的情况难以反应给消防值班员 另一方面 设备在安装过 程中 设备的设置很难做到现场化 多数将设置的数据二值化处理 后 预先存储在ROM NVRAM 和FLASH 中 不便于现场编程 设备设 置参数如联动关系 报警地点的设置编程很难被工程公司的人员掌 握 也有通过预先计算机处理了的数据 通过专用软件将数据传输给 设备控制器与控制器之间采用主 从式网络结构 若主控制器故障时 整个系统都将处于瘫痪状态 控制器不能直接同Internet 相连接 不能直接进行区域控制报警 只能通过PC 机 然后再与互联网相连 增加了额外的工程造价 2 ARM 的优点 ARM 公司自1990 年正式成立以来 在32 位RISC Reduced Instruction Set Computer CPU 开发领域不断取得突破 其结构 已经从V3 发展到V6 由于ARM 公司自成立以来 一直以IP Intelligence Property 提供者的身份向各大半导体制造商出售知 识产权 而自己从不介入芯片的生产销售 加上其设计的芯核具有 功耗低 成本低等显著优点 因此获得众多的半导体厂家和整机厂 商的大力支持 在32 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功 目前已 经占有75 以上32 位RISC 嵌入式产品市场 在低功耗 低成本的 嵌入式应用领域确立了市场领导地位 现在设计 生产ARM 芯片的 国际大公司已经超过50 多家 国内中兴通讯和华为通讯等公司已经 购买ARM 公司芯核用于通讯专用芯片的设计 ARM 芯片也获得了许 多实时操作系统 Real Time Operating System 供应商的支持 比较知名的有 Windows CE Linux uc ox pSOS VxWorks Nucleus EPOC BeOS 等 HMS30C7202 是Hynix 公司由ARM720T 内核和其他一些外围接口 器件组成 具有高性能低功耗的特点 片内资源非常丰富 具有极高 的集成度 支持工业级应用 该处理器支持FLASH Memory SRAM SDRAM Sound LCD Touch Screen Keyboard IrDA MMC SMC PS 2 口和CAN 接口 主要特点 1 采用32位RISC高速MCU作为核心处理器 内核运行速率可达 70MHz 比传统51单片机处理速度提高60倍寻址能力提高4000倍 2 8KB综合指令 数据的cache 3 拥有内存管理单元 MMU 便于内嵌实时多任务操作系统 4 体积小 低功耗 低成本 高性能 5 支持Thumb 16位 ARM 32位 双指令集 能很好的兼容8位 16位器件 6 大量使用寄存器 指令执行速度更快 7 大多数数据操作都在寄存器中完成 8 寻址方式灵活简单 执行效率高 3 硬件结构 1 RS232 RS485 接口 兼容16C550 其中2个标准RS232 接口 一个接工业打印机或微型打印机 一个作计算机通信口和计算机做 数据通信 2 个RS485 接口 一个作为兼容原来产品的通信口或和 其它具有JBUS 或MODEBUS 接口的消防水泵 消防风机和气体灭火设 备接口 一个作内部设备的通信用 如总线式火灾楼层显示器火警信 息的发布 2 2个CAN 控制器接口 需要外接CAN 接口芯片 一路作为 控制器联网用总线 实现多台控制器的对等联网 一路作为回路控 制板的通信总线 传输回路板检测到的感烟或感温报警探测器的火 灾报警信号 联动设备的启动关闭信号 控制模块的启动命令 控 制模块的输入输出信息 输入模块的输入信息和它们本身的故障信 息 3 1个标准PS 2 接口可作为键盘或鼠标接口 采用廉价的标准 计算键盘 配合相应的软件 可以方便的把汉语拼音 五笔字型等汉 字输入法集成到系统中来 我们在此设备中采用汉语拼音输入法 用 来设置报警联动点的安装地点 设备类型等 4 1个LCD 接口 功能强大的LCD接口 便于选择不同分辨率的 LCD 不用再扩充显示控制电路 就能够实现从支持廉价LCD 到昂贵 的高分辨率LCD的控制 硬件不做调整便可实现从160 120到800 600 甚至更高分辨率的LCD的显示控制 方便了系统图文方式的实现 具 有很高的集成度 不同型号LCD 的配置只需要调整软件就可以实现 LCD 的价格在产品中是占很大比例 采用同一控制CPU 不同的LCD 实现价格的高中低搭配 其产品更加具有兼容性和市场竞争力 5 1个触摸屏接口 Touch screen 用来实现图形界面的操 作 更方便用户的使用 6 1个标准声音接口 片内DAC接口模块 8Bit立体音频输出 在传统的控制系统中 都是扩展一块四声音的芯片 满足消防标准 对不同报警信号发出不同的声音提示 如火警声 设备启动声音 气体灭火的喷洒声音及故障声音 更多的报警信息难以用声音提 示 不同的报警声音只能用不同的声音来提示给操作人员 我们采 用标准声音接口后 可以很容易的实现报警的语音提示功能 加上 图形显示功能 实现一个多媒体的报警控制器 7 具有MMC SMC CF接口 采用CF 卡存放程序 MMC或SMC作为应用 程序或数据的载体下载到控制器中 便于调试维护 系统大了 大 量的电子地图用于报警时候指示具体的报警地点 需要大的存储界 质 选用MMC 或SMC 8 可扩展1个10M以太网口 用于远程登录 联网组成大的报警 网络 现代建筑集成的越来越大 单体一个建筑报警联动点可以上 万点的很多 设置次接口便于多机共享数据 组成大的网络 这些 硬件能满足火灾报警的这个特殊行业的要求 并且 能够保证整个 系统的稳定 快速 准确 4 软件实现 软件的设计采用嵌入式操作系统 在操作系统及驱动程序之上做 应用程序 具体要应用到图形界面 GUI 文件系统 FS 嵌入式 数据库 EDase 等 目前 常用的嵌入式操作系统非常多 有 Windows CE VxWorks PSOS Linux 和 C OS II 等 由于 Windows CE VxWorks 和PSOS 等商用嵌入式操作系统的使用要有授 权 其授权费用为比较昂贵 且不是全部公布源代码 不利于我们 的产品送检和使用 Linux 的源代码虽然是完全公开的 使用者不 需支付任何费用 且互联网上的技术支持也非常丰富 几乎所有硬件 的驱动程序都可以从网上获得 但由于这个操作系统 相对做嵌入 式应用的工程技术人而言 非常复杂 我们在短时间内难以掌握 而 C OS II 是一种公开源代码 结构小巧 整个操作系统内核源 代码C 语言包括详尽的文件注释只有五千行左右 具有可剥夺 实时内核的实时操作系统 其内核提供任务调度与管理 时间管理 任务间同步与通信 内存管理和中断服务 支持嵌入式TCP IP 协议 等功能 且其授权费用相对经济 技术研究是完全免费的 国内 中小消防企业完全可以承受 1 采用嵌入式操作系统 C OS II 可以把整个程序分成 许多任务 每个任务相立独立 各个独立的任务可以有多人分工协 作 便于程序的开发维护 2 采用图形界面 C GUI 可以将系统的操作方式设计成类似 Windows 操作方式 人机界面友好 便于用户的使用 3 采用嵌入式文件系统 C FS C FS 文件系统是简化的 FAT16 文件系统 可以将历史记录 黑盒子的记录数据包括火警 故障 设备启动 设备关闭 器件隔离 解除隔离 探测器污染 系统故障 系统操作等 系统的安装设置数据 安装地点的数据 器件模块的隔离数据和器件的组态 设备的联动输出和相关输出等 很方便的和嵌入式数据库系统接口 便于打印程序 显示程序 通 信程序 查询程序的编写 4 网络传输协议 C TCP IP 用于互联网通信编程 通过 网络传输协议 并配置响应的硬件 可以将设备接入互联网 便于 远程登入管理 将嵌入式实时操作系统应用于火灾报警控制器 并且由于系统实 时多任务机制的采用 不仅提高了软件对异常事件的响应速度 同 时也使软件的结构和控制大大简化 极大地提高了控制器软件的可 靠性 从而进一步提高了火灾报警系统的整体性能 这种系统通过 32 位的ARM 作为主芯片