本发明涉及应急广播系统，尤其是一种具故障报警的双导线消防公共广播系统。
背景技术：
按照消防广播的国家标准，这种系统实际上应用和传输了3种特性迥异的电压信号。
第一种是音频信号。这是一种大功率的信号，由功率放大器生成并输出，用以驱动一个或多个扬声器。其瞬间功率依照需要，可能从几十瓦到数千瓦。频率范围可以覆盖从80hz至20khz。音频信号本身是属于多频混合的随机信号，无论是功率或频率都呈现无法预测的特性。
第二种信号是数字通信信号。它主要是用来报告系统元器件是否发生故障。这种信号的传输可能是间歇性的，但每次传输必然遵守数字信号的特性。首先，它是小功率信号，输出在毫瓦级范围。音频信号的功率一般来讲比它的功率大了至少数十倍至数万倍。
第三种是直流电源。它是一个固定的直流电压，不携带任何信号。它存在的主要目的是为产生数字信号的电路提供直流电源。按照它所服务的扬声器数量不同，它所提供的功率从几瓦到几十瓦，比音频功率小1至3个数量级。这3种信号，无论是在功率上、频率上、电压上，都有巨大的差异；所以任何意图使它们共存在同一个双导线构成的回路上，并且能够让每一个、个别的分开应用，不受其它2个信号的干扰，是一种极端困难的企图。
以目前市场上存在的应急广播系统为例，除了音频质量常常处于接近最低标准状态外；对于故障实时(小于100秒)报警的硬性要求，通常必须在音频输出双导线外，再额外追加使用2至4导线来通过检测。
传统公共广播系统如图1电路结构图所示，传统公共广播系统包括包括音源101，音源连接功率放大器102，功率放大器102连接双导线回路104，双导线回路104通过并联电路105连接匹配变压器106和扬声器107，双导线回路104上设有与功率放大器102输出端连接的输出变压器103，音源101的输出信号进入功率放大器102以后，被放大成所需的功率输出到输出变压器103的初级。在此，功率放大器102是属于ab类或c类的功率放大器。
输出变压器103是一个功率匹配的电压提升装置。依照国际通用标准，输出变压器103的次级输出电压分为70vp-p和100vp-p峰-峰值两种。消防广播也有设备采用120vp-p做为输出电压。
采用高电压的原因是因为双导线回路104电阻匹配的需要。首先，双导线回路104的长度可能达到100米或更长。为了节约成本，通常选择的导线电阻多在每米0.1ohm范围。100米的回路(总长度200米)就产生20ohm的阻抗。依照ohm定律，每1amp的电流通过100米回路，会造成20v的电压降。所以采取高电压输送就成为必须采用的方案。
每个扬声器107的推动功率是通过并联电路105及匹配变压器106输入。常用扬声器107的阻抗为2、4、8、16ohm。以功率6瓦、阻抗4ohm的扬声器107为例，它的尖峰驱动电压理论值可以计算如下：
w＝v2/r在此，w是功率＝6w，v是尖峰驱动电压，r是阻抗＝4ohm，得到v＝4.9v。
所以，匹配变压器106的初级输入电压的理论值为100v，次级输出电压的理论值为4.9v。依据此数据，可以设计最佳的匹配变压器106。如果功率放大器102的输出功率为240瓦，则理论上这个公共广播系统可以安装多至40个6瓦的扬声器107。
图2是另一种传统公共广播系统的电路结构图。它是一个传统高电压广播系统，采用d类功率放大器。这种系统的结构和图一中的系统基本相同；唯一不同之处在于它省略了输出变压器103。这是因为d类功率放大器具有直接输出高电压的能力，能够直接输出70v或100v的尖峰电压。所以可以省去具有升压功能的输出变压器103，但是如果有特殊需要，不排除加入输出变压器103。
以上普通公共广播系统没有故障报警需求，它们只使用双导线回路。如果需要升级为消防广播系统，采用市场上现存的设备就需要额外佈线，大幅度增加施工困难。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种具故障报警的双导线消防公共广播系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具故障报警的双导线消防公共广播系统，包括音源，音源连接功率放大器，功率放大器连接双导线回路，双导线回路通过并联电路连接匹配变压器和扬声器，双导线回路上接近输出变压器位置插入隔离电容，隔离电容为双导线回路提供交流信号的通道，同时阻断直流通过，造成直流断路；
双导线回路上连接直流电源，隔离电容的两端分别连接直流电源的正极和负极，直流电源与双导线回路连接构成直流回路；
并联电路上安装故障报警单元和分支隔离电容，故障报警单元与匹配变压器初级线圈，分支隔离电容的两端分别连接故障报警单元的电流输入端和输出端。
进一步，所述功率放大器为ab类或c类的功率放大器，双导线回路上设有与功率放大器输出端连接的输出变压器。
进一步，所述功率放大器为d类功率放大器，功率放大器输入双导线回路的端点之间安装隔离电感；
这个隔离电感通过理论上零阻抗的直流通道使得直流不至于击穿d类功率放大器，隔离d类功率放大器输入双导线回路的节点。如果有特殊需要，仍然可以用输出变压器替代隔离电感。
进一步，所述故障报警单元由直流电源模块，微控制单元，负载监测模块，无线通讯模块组成；
直流电源模块保证故障报警单元的工作电压稳定在一个设计的数值范围；
微控制单元控制负载监测模块对并联电路、匹配变压器、扬声器进行持续监测；
负载监测模块通过监测扬声器的负载来判断扬声器和其连接电路是否正常工作。
通讯模块可以有两种选择：无线通讯模块和有线通讯模块；分别对应于下述的无线控制通讯回路和有线通讯控制回路。
进一步，双导线回路连接控制通讯回路的设计可以有两种：无线控制通讯回路和有线控制通讯回路。
无线控制通讯回路是由相互连接的系统控制器，故障信息无线收集器，天线组成，天线通过无线通讯通道与故障无线报警单元的天线信号连接，系统控制器与音源连接。
有线控制通讯回路是由相互连接的系统控制器，信号调制解调器，通讯信号匹配变压器所组成。调制后的通讯信号频率远高于音频信号，通过通讯信号匹配变压器跨入双导线，通过有线通讯模块的解调功能和微控制单元通讯。从微控制单元回复的调制信号，经信号调制解调器解调后，输入系统控制，做出适当的反应。
进一步，所述音源为数字音频播放器或模拟音频播放器或实时音频播放器。
进一步，所述并联电路为多个。
进一步，所述负载监测模块为霍尔(halleffect)监测元件等一类电磁感测模块或其它电流测量元件。
进一步，所述无线通讯模块为ieee802.11系列，zigbee，蓝牙模块等。也可以选择使用ism频段如：433mhz，902mhz等，并配用自定义的通讯协议，保证故障无线报警单元的可靠性和稳定性。无线通讯模块与天线连接，提供无线发射功能。
进一步，所述的有线通讯模块，通过内部通讯信号匹配变压器和双导线控制通讯回路连接。由微控制单元产生的通讯信号，输入模块中的调制解调器。经过调制后，通过通讯信号匹配变压器流入双导线控制通讯回路。从双导线控制通讯回路流入的控制信号，通过通讯信号匹配变压器流入模块的调制解调器。经过解调后的信号，输入微控制单元。
本发明的有益效果为：该双导线消防公共广播系统的音频交流回路、直流供电回路和无线或有线通讯回路能够有效并存。并且以双导线回路形式，同时满足消防与公共广播的双重标准。
附图说明
图1为使用ab类和c类功放的传统公共广播系统的电路结构图；
图2为使用d类功放的传统公共广播系统的电路结构图；
图3为本发明改进后使用ab类和c类功放的双导线公共广播及故障报警复合系统的电路结构图；
图4为本发明改进后使用d类功放的双导线公共广播及故障报警复合系统的电路结构图；
图5为本发明故障无线报警单元的内部设计图；
图6为本发明双导线三回路公共广播及故障无线报警复合系统示意图；
图7为本发明双导线三回路公共广播及故障有线报警复合系统示意图；
图8为本发明故障无线报警单元的内部设计图；
图9为本发明有线通讯模块设计图；
图10为本发明实施案例中广播系统在二楼安装的建筑示意图；
图11为本发明实施案例中广播系统在一楼安装的建筑示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
如图3至图6所示，使用无线通讯做为故障报警的双导线消防公共广播系统，图3是本发明以图1的传统技术方案为基础，添加创新电路完成用双导线承担，同时提供音频广播功能、元器件故障无线报警功能、及完成报警功能所需的直流电源的任务。
首先音频广播仍然以图1的结构为基础，但是在双导线回路104接近输出变压器103位置插入隔离电容202。这个隔离电容202的主要作用是为双导线回路104提供交流信号(音频广播信号)的通道；同时阻断直流通过，造成直流断路。然后在隔离电容202的两端，分别连接直流电源201输出，端点205为正，端点206为负。这种安排使得双导线回路104得以同时运行一个交流回路和一个直流回路，并且互不干扰。
交流回路：交流信号自输出变压器103输入双导线回路104，然后经过节点209流入分支并联电路105。两支中的一支，让音频(交流)信号流过匹配变压器106的初级，使它的次级能够驱动扬声器107。然后交流电流经过端点212输入故障无线报警单元204。由于故障无线报警单元204的设计结构(参看图5)，对交流而言，它的阻抗远大于分支隔离电容203。所以交流必然流过端点208，然后通过分支隔离电容203，再经过节点210回归双导线回路104。然后继续流过隔离电容202回到输出变压器103，完成交流回路。
直流回路：直流电源201的正极通过端点205进入双导线回路104。直流通过理论上零阻抗的输出变压器103次级，经端点209流入并联电路105；两支中的一支，让直流电流流过匹配变压器106的初级。理论上讲，它对直流是零阻抗。然后直流电通过端点212进入故障无线报警单元204。
由于故障无线报警单元204的设计结构(参看图5)，直流电将通过电源模块501(dc/dc转换电路)，为故障无线报警单元204提供能源。由于隔离电容203在理论上对直流电是绝缘体，阻抗远高于故障无线报警单元204，所以直流电直接流向端点207，再经过端点210流入双导线回路104。到达隔离电容202的负端点206之后，由于隔离电容202对直流是断路，只能流向直流电源201负极，完成直流回路。
每个故障无线报警单元204监测相对应的并联电路105、匹配变压器106、扬声器107的健康状况。如果发现它们有任何故障，就会实时通过无线通信方式，向故障信息无线收集器302汇报。故障信息无线收集器302则上报给系统控制器301(参看图6)。这个过程发生在消防标准规定的时间范围内(目前为小于100秒)，完成故障报警的标准要求。
可以明显看出，这三个回路由于断路元器件的限制，并不会互相干扰。
作为另外一种改进技术方案，图4是基于图2结构改进而得。它和图3的区别在于d类功率放大器102不需要输出变压器103。所以在并入直流电源201时，必须在功率放大器102输入双导线回路104的端点之间，加入一个隔离电感211。这个隔离电感211，一方面做为通过理论上零阻抗的直流通道，使得直流不至于击穿d类功率放大器102。另一方面有效隔离d类功率放大器102输入双导线回路104的节点。
进一步，故障无线报警单元204的内部设计如图5所示，故障无线报警单元204由直流电源模块501，微控制单元(mcu)502，负载监测模块503，无线通讯模块504所组成。
因为双导线回路104的阻抗是线性分布，所以每一个并联电路105的输入直流电压并不相同。为了保障故障无线报警单元204能够正常工作，所以必须具备直流电源模块501，保证故障无线报警单元204的工作电压，稳定在一个设计的数值。最常用的电压是3.3vdc或5.0vdc。
微控制单元(mcu)502通过其硬件功能和软件编程，控制负载监测模块503对并联电路105、匹配变压器106、扬声器107进行持续监测。微控制单元(mcu)502也控制无线通讯模块504，通过软件编程提供通讯协议服务，保证和故障信息无线收集器302之间的通讯(参考图6)。
负载监测模块503通过监测扬声器107的负载来判断扬声器107和其连接电路是否正常工作。这个模块可以选用如霍尔(halleffect)监测元件等一类电磁感测模块或其它电流测量元件。
无线通讯模块504可以选择标准模块如：ieee802.11系列，zigbee，蓝牙模块等。也可以选择使用ism频段如：433mhz，902mhz等，并配用自定义的通讯协议，保证故障无线报警单元204的可靠性和稳定性。无线通讯模块504与天线507连接，提供无线发射功能。
图6是双导线三回路公共广播及故障报警复合系统示意图。图中简化表示的交流回路和直流回路如前述。
本发明技术方案中的第三个回路，即为控制通讯回路，双导线回路104连接控制通讯回路，控制通讯回路是由相互连接的系统控制器301，故障信息无线收集器302，天线303组成，天线303通过无线通讯通道304与故障无线报警单元204的天线507信号连接，系统控制器301与音源101连接。在系统控制器301和故障无线报警单元204之间必须存在一种有效的通信协议，遵守iso的osi结构，保证无线通讯通道304畅通，以确保控制通讯回路的效率和可靠性。
图7到图9是本发明的另一种实施方案：采用有线做为故障报警的双导线消防公共广播系统。同时提供音频广播功能、元器件故障有线报警功能、及完成报警功能所需的直流电源。
因为音频广播功能及完成报警功能所需的直流电源与前述的功能完全相同，在此不再重复。因此，图7承袭图6中的共同部份，仅对故障有线报警单元224和故障信息有线收集器310提出陈述。
故障有线报警单元224(参考图8)的设计与故障无线报警单元204(参考图5)极为形似。其差异是：取消天线507，有线通讯模块514取代无线通讯模块504，有线通讯模块514对外与接点207、209连接。
图9所示是有线通讯模块514。双导线104的控制信息通过接点207和209进入有线通讯模块514的匹配变压器604。经过低噪放大器603放大后，通过高通滤波器602进入调制解调器601。解调后的信号输出到微控制单元(mcu)502。
微控制单元(mcu)502产生的信号(包括故障报警信号)则先经过调制解调器601调制到载频频段，再经过高通滤波器602消除低频噪音，由低噪放大器603放大后经过匹配变压器604并入双导线104。
故障信息有线收集器304的内部设计基本上和故障有线报警单元224相同。它与双导线104了解的一端与故障有线报警单元224完全相同。另一端则通过微控制单元(mcu)502，用软硬件和系统控制器301相连。
该系统能够仅应用双导线回路，就能够为应急/消防广播系统，同时提供音频广播功能、元器件故障报警功能、及完成报警功能所需的直流电源。
在这种安排下，音频交流回路、直流供电回路和无线通讯回路能够有效并存。并且以双导线回路形式，同时满足消防与公共广播的双重标准。
本发明已经通过具体安装、测试证实其可行性及实用性。
本系统安装的具体位置为企业办公大楼的第一和第二层楼，如图10和图11所显示。
图10为二楼布线图。其中垂直通道401是贯通一楼和二楼楼层的导线通道。系统核心402安装在二楼的功能展示室。系统核心402包括如图6中所显示的系统控制器301、音源101、功放102、直流电源201、隔离电感211、隔离电容202等。
二楼用故障信息收集器403(即图六中故障信息无线收集器302)安装在功能展示室墙外。其射频通讯范围能够覆盖二楼的所有扬声器405。故障信息收集器403和系统核心402中的系统控制器301之间，以标准以太网路电缆连接，遵守tcp/ip标准通信协议。
系统核心402中的功率放大器102、直流电源201分别经过隔离电感211、隔离电容202，以普通双导线404和各个扬声器405连接。在二楼一共有15个扬声器405，编号从1到15。它们用并联的方式连接到双导线404。
图11为二楼布线图。一楼用故障信息收集器403安装在tc工作区外的天花。其射频通讯范围能够覆盖一楼的所有扬声器405。一楼故障信息收集器403和系统核心402中的系统控制器301之间，以标准以太网路电缆通过垂直通道401连接，遵守tcp/ip标准通信协议。
系统核心402连接的双导线404，通过垂直通道401到达一楼。然后以并联方式分别和一楼的扬声器405连接。一楼的扬声器405一共有15个，编号从16到30。
这种实施方式的双导线消防公共广播系统，其正式测试数据如下：
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。