火灾报警系统的平衡总线技术

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火灾报警系统的平衡总线技术

深圳市泰和安科技有限公司 陈宇弘 江海

摘要：通过对平衡现场总线的设计探索，介绍和分析了平衡现场总线在火灾报警系统中的运用实现方式，并提出了遇到的相关问题及解决方法。

关键词：平衡 普通 传输 平衡总线

一、信号的平衡传输

模拟信号在传输过程中，如果被直接发送就是普通信号传输；如果在发送端把信号反相，然后同时传送反相的信号和原始信号，原始信号和反相信号相对于参考点是对称平衡的,即差分信号传输;为形象方便的叙述,我们把差分相关的名词改用平衡。在接收端平衡信号送入差动放大器，原信号和反相位信号相减，得到加强的原始信号，由于在传送中，两条线路在任一干扰进入点受到的干扰非常接近，在相减的过程中，减掉了一样的干扰信号，因此抗干扰很强。这种在平衡式信号线中抑制两极导线中所共同有的噪声的现象便称为共模抑制。所以平衡线路只需要在输入输出信号增加一级平衡信号转换电路(如差分放大器)就可以实现。

二、平衡传输与普通传输的性能对比

平衡传输的使用由来已久，在很多工业控制系统中和干扰较大的场所以及远距离传输中都使用了平衡传输，平衡传输之所以使用如此广泛，是因为它具有抗干扰能力强、传输距离远、布线容易、线材价格低廉等许多优点。

（一）传输距离远、传输质量高。

由于在平衡传输收发器中普遍采用了先进的处理技术，每一个收发器均采用末级激励和前级防抖极好地补偿了平衡传输线路对信号幅度的衰减以及不同频率间的衰减误差。

（二）布线方便、线缆利用率高。

以视频传输为例，一根非屏蔽平衡传输双绞线既可以传输高清图像信号，还可以传输高保真立体音频信号。另外，楼宇大厦内广泛铺设有5类非屏蔽平衡传输线，随便取其一根就可以传输一路信号，无须另外布线，即使是重新布线，5类线缆也比光纤、同轴线缆容易，大大简化了工程布线难度，提高了线缆利用率，同时避免了各种信号单独布线带来的麻烦，减少了工程造价。

（三）抗干扰能力强。

平衡传输线能有效抑制共模干扰，在传输线上的任一点其耦合进来的干扰几乎相等，当干扰信号到达接收点后，被接收器处理后完全不干扰接收器解码，即使在强干扰环境下，平衡传输也能传送极好的信号，而且多组平衡传输线平行时相互之间不会发生干扰。

（四）传输线材价格便宜，取材方便。

由于使用的是目前广泛使用的普通5类、超5类、6类非屏蔽平衡传输，各地都购买容易，而且价格也很便宜，给工程应用带来极大的方便。

（五）相对于普通传输而言，电路稍微复杂。

每一个收发点均需要专门的收发器来完成平衡调制与平衡解调。使用平衡传输方式连接起来的公共通信干线，在这里我们忽略它是传输数字信号还是模拟信号，是点对点还是点对多我们可以称为平衡总线。

三、平衡总线技术在火灾报警系统中的应用初探

火灾报警系统中的总线一直受制于环境、布线水平等非可控因素影响，在运行过程中极易产生各种意想不到的干扰。如：自然空间雷击引起的直接干扰和感应雷击干扰、强电线路中的大功率设备的启停干扰、总线与其他线路的耦合干扰等。经过行业的实际经验及各种相关实验分析，我们知道这些干扰以共模信号为最多最强，影响系统的稳定运行。平衡传输方式具备以上诸多优点，尤其是在抗共模干扰方面尤其突出，因此我们借鉴平衡传输原理对总线进行设计尝试，在设计过程中遇到诸多行业特点制约的问题，现进行探讨如下：

（一）控制器对前端的信号发送

传统的总线的控制器对前端发送的信号是普通的，即一根信号线，一根地线.实现平衡传输时把普通信号转换为平衡信号如图1所示：

IN端输入的是常规的发送调制信号，经过普通/平衡转换电路后，转换成BUS+、BUS-，BUS+的信号与输入信号一致，BUS-是倒相的输入信号。经过转换后在两条传输线中传输的不两个大小相等方向相反的对称平衡信号。这里的“+”表示同相位，“-”表示反相位。

在转换电路中要注意的问题是：由于导线都存在电感，尤其是线路较长时，在信号发送时候非常容易产生振铃。为消除振铃必须适当控制好调制信号的上沿和下沿时间，具体的时间根据每个控制器的通信速率确定。

（二）前端接收信号处理

前端接收信号的整体示意图如图2，它简述了信号处理前后的情况。

BUS+和BUS-的信号通过信号与电源转换单元后，转换出两部分信号。第一部分通过整流滤波稳压后产生前端电路需要的电源。图3所示为组合信号通过电源电路给Cp单向充电，充电时间很快，其两端电压很快达到信号高电平值，LDO负责给MCU等电路提供稳定的直流电源电压。这时K1、K2（K1、K2为等效开关，方便说明引出）接通到电源部分电路。

第二部分通过信号转换电路把BUS+、BUS-两条线作为输入信号线，并把它还原成为与发送端相同的的编码信号，提供给前端进行解码。图4所示为信号通过信号电路把信号还原成data信号供解码电路处理，而这时候的供电是由Cp的储能提供的。K1、K2接入信号电路。

实验过程中遇到的问题及解决方法如下：

1、信号电压较高不能直接输入差分放大比较器，这时我们使用最简单的方法通过电阻分压把BUS+、BUS-上的信号先经过按比例降压，然后把信号送入差分放大器，经过双端输入单端输出差分放大电路电路，取出MCU需要的解码信号。

2、电源线与信号线是共用的，不知道什么时候是电源供给，什么时候是信号。经过分析试验发现解决这个问题可以通过控制时间来分离出电源和信号。在高信号宽度的3/4时间内作为电源供给使用，这时候两条线作为供电线使用，给前端进行充电。剩下的1/4时间作为解码输入线使用，电源线部分断开，两条线只能作为输入线使用，实现这种功能需要在信号转换电路中使用双沿检测电路，检测到提供给MCU控制。

（三）前端返回数据的处理

火灾报警系统中的前端不仅要接收信号，同时还要返回自身的状态及事件信号，为保证信号的双向平衡性，需要在回传时也采用平衡传输方式。处理方式分两部分。

1、控制器部分

控制器每发完一个地址的相关控制码后就进入接收反馈状态，这时候关闭发送电路，回路上的匹配电阻接入总线，控制器的平衡接收电路接入总线等待前端的数据返回。

2、前端部分

当每个前端解码到是操作自己地址的时候，准备回码，把总线接入回码发送器；不是本地址的不回，把BUS+,BUS-接入到电源端。由于控制器已经停止发送信号，电源Cp上的电压大于总线上的电压，单向电路反偏，非巡检地址不会消耗总线上的回传信号。在这个时候实际上只有匹配电阻，控制器接收电路，前端信号发送器接到一起。前端准备完成后，立刻通过前端信号发送器回传状态信息或者事件信息，它同样发送的是平衡数字信号，如图5所示。

在图5中前端发送器负责向控制器返回数据，回传电平选用+/-5V的电压反馈，控制器接收电路采用差分电路取出反馈电压。斯密特比较器还原数字信号。在控制器接收状态时，在前端信号发送器或控制器接收电路中含有匹配电阻（图略），一方面它保证信号电平的可控性，使在控制器端不会出现不定电平；另一方面起到匹配和吸收干扰作用。

（四）总线保护措施

为保证系统稳定运作，需要在总线控制器端和前端加入防雷击和防止高频干扰的相关器件。

（五）与传统现场总线的比较

通过实践与传统的总线比较主要有以下几个方面的异同：

1、抗干扰能力显著提高

传统的总线系统中，回码采用电流反馈型，每个前端的反馈20～40ms的电流，当信号到达控制器时控制器通过采样电阻解读出来的信号大约为1V～2V左右（厂家不同而不同），干扰信号耦合进入时，在地线上的干扰通过地线释放，但在信号线上的干扰就通过前端和取样电路回到大地，经过采样电路时势必形成干扰。平衡总线中采用的是电压反馈型，在回码的时候引入匹配电阻对干扰进行吸收的同时，控制器接收电路中的共模抑制特性把大小相等方向相同的干扰减去后，剩下的便是干净的信号。这在总线环境特别恶劣的情况下，尤其表现优越。多组总线并行和绕行实验时。把几组总线紧密缠绕在一起然后分别接在传统总线控制器和平衡总线控制器上，通过示波器采样对比采样解码后的波形，平衡总线几乎不受干扰，普通总线在回码时受到其他回路发码干扰，解码不正常。

2、传输距离加长

通过实验得出在同等线材，同等负载，同等事件类型情况下，平衡总线比普通总线传输距离可提高30%，通过计算及数据实验分析如果在前端进行功耗改良设计，平衡总线的传输距离可以提高70%。

3、回路之间隔离度高，无共地串扰

在传统普通总线运用中，小点数系统一般不会出现什么问题，在大点数系统就会出现回路与回路间的共地串扰问题。例如：①、某一个回路接线方式或者绝缘不是很好，它会导致整个系统运行不太稳定，要查出原因要花很长时间，一个一个的去查，对于施工调试来说是一个很大的浪费；②、当某一个回路受到雷击或者感应雷击时，它不只是本回路发生干扰或者防雷元件损坏，还会通过共模接地的寄生耦合产生对其它回路的干扰或损坏。

在平衡总线中由于采用的交流份量传输，可以方便的通过变压器隔离，使回路与回路之间彼此隔离，回路与回路之间不在一个地线系统中，当某回路遇到强烈干扰时，干扰都只局限于本回路，对其它回路毫无影响。即使平行走线对另一回路产生耦合干扰，也可以被另一回路的固有抗干扰特性轻松的过滤掉。在最坏的情况下（如遭遇异常强烈的直击雷或强电输入）把本回路的保护元件损坏了，也不会损坏到其它回路，使损失达到最小化。

4、现场布线要求低，工作环境要求低，维护经济方便

普通总线中，如果信号线对地出现破皮，外层老化，潮湿环境（如地下设施，在雨季时经常出现雨水通过墙壁流下、导致通信线间接浸泡。）施工不慎等。导致信号线对地绝缘降低或者短路时，那么这个回路将无法正常运行。这时维护变得异常复杂，必须再次投入大量的人力物力。

平衡总线由于可采用变压器方便隔离，使回路与其它回路、回路与主机不在一个共地系统中，因此布线几乎没有什么特别的要求，做到两条信号间不短路即可。不再去关心对地有多少的绝缘电阻，不再关心是否要用超好的线管对线路进行保护，可轻松布线，成本低廉。当发生导线对地绝缘不良、回路的前端同样可以通过本回路的两条信号线取电，通信。对本回路和其它回路毫无影响。使维护变得轻松，不再拿着仪器到各处去测量。

5、开发成本略高

由于平衡总线比普通总线需要添加相应的硬件及软件支持，在成本上会比普通总线开发成本偏高40%左右。

6、系统稳定性高、性价比高

平衡总线虽然在开发成本上有所提高，但可以解决普通总线的固有缺陷。随着社会的高速发展，火灾报警系统的使用环境越来越恶劣，许多不可控因素随时可能发生；人工成本也越涨越高。谁也不能保证安装上去的系统，在若干年的运行过程中不会出现维护成本问题。考虑到系统运行稳定性、施工、干扰损坏、维护等成本因素，平衡总线将更具优势、更有前瞻性和更高的性价比。

参考文献

1、郑君里、杨为里，应启珩，信号与系统，高等教育出版社，2000（5）。