基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于CAN總線技術(shù)，以AT89C51為核心，采用Intel82526及PCA82C250構(gòu)成的電梯監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)主控制器與轎廂、門(mén)廳控制器間的通信，完成了對(duì)電梯的控制，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。對(duì)通訊中出現(xiàn)的沖突采用非破壞性仲裁的方法解決。
關(guān)鍵詞：CAN總線；串行通信；電梯

現(xiàn)代社會(huì)中，電梯已經(jīng)成為不可缺少的運(yùn)輸設(shè)備。電梯的存在使得每幢高層建筑的交通更為便利。電梯控制技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：繼電器控制階段，微機(jī)控制階段，現(xiàn)場(chǎng)總線控制階段。

與其它幾種現(xiàn)場(chǎng)總線比較而言，CAN總線是最易實(shí)現(xiàn)，價(jià)格最為低廉的一種，這也是目前CAN總線在眾多領(lǐng)域被廣泛采用的原因。CAN總線協(xié)議是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎(chǔ)上的。作為工業(yè)控制的底層網(wǎng)絡(luò)，CAN總線通波特率可高達(dá)1Mbps，最遠(yuǎn)距離可達(dá)l0km；通訊采用短幀結(jié)構(gòu)，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間短，受干擾的幾率低，并且CAN總線協(xié)議有良好的檢錯(cuò)措施，因此CAN總線通訊的可靠性較高。由于CAN總線的安全性，實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)單易操作性和價(jià)格低廉，使其十分適合在電梯通訊中應(yīng)用。目前電梯井道系統(tǒng)中，主要采用并行通訊，上行、下行電纜比較多，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試比較麻煩。采用CAN總線后，通過(guò)串行通信方式，構(gòu)成控制器局域網(wǎng)，僅用四根線，其中兩根為電源線，一根信號(hào)發(fā)送線，一根信號(hào)接收線，實(shí)現(xiàn)呼梯、內(nèi)選及顯示信號(hào)的通信，并為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電梯群控、遠(yuǎn)程監(jiān)控、樓宇自動(dòng)化提供便利接口。

1系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)基于CAN總線多主結(jié)構(gòu)，以CAN總線控制器82526和總線收發(fā)器PCA82C250為主體組成通信控制模塊，設(shè)計(jì)了主控制器、轎廂控制器、門(mén)廳控制器。通過(guò)串行通信方式構(gòu)成控制器局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)呼梯、內(nèi)選及顯示信號(hào)的通信。但是隨著高層建筑的出現(xiàn)和建筑面積的擴(kuò)大，需要并排設(shè)置幾臺(tái)電梯，以完成大樓內(nèi)的垂直運(yùn)輸任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)群控，便存在著電梯相互聯(lián)接的問(wèn)題，這樣就需要有監(jiān)控微機(jī)統(tǒng)一監(jiān)控調(diào)度。這里我們采用485總線實(shí)現(xiàn)單臺(tái)電梯主控制器之間以及與監(jiān)控微機(jī)間的通信。電梯的群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。


圖1電梯控群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在單臺(tái)電梯控制系統(tǒng)中，主控制器要完成其它控制器信號(hào)的采集，顯示信號(hào)的輸出，電梯運(yùn)行控制等一系列的功能。而轎廂及門(mén)廳控制器只需要將呼叫信號(hào)采集，經(jīng)CAN總線送往主控制器，并接收來(lái)自主控制器的顯示信號(hào)將它輸出即可。因此，轎廂、門(mén)廳控制器結(jié)構(gòu)大體與主控制器類(lèi)似且相對(duì)簡(jiǎn)單。

下面以主控制器(如圖2所示)為例介紹硬件設(shè)計(jì)。電梯主控制器CPU采用了AT89C51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)是與8X51系列單片機(jī)兼容的增強(qiáng)型微控制器，其內(nèi)部集成了4K字節(jié)的Flashrom。由于主控制器是電梯控制系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)著控制電梯運(yùn)行的重要任務(wù)，所編出的程序較大，因此，它的外部還要擴(kuò)展外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，按常規(guī)采用2764和6264。


在單臺(tái)電梯控制系統(tǒng)中，主控制器與轎廂及門(mén)廳控制器之間采用CAN總線實(shí)現(xiàn)通訊。CAN總線控制器采用INTEL公司82526芯片。PCA82C250作為CAN總線的接口。82526內(nèi)部采用硬件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，因而這部分的程序只需將82526中的數(shù)據(jù)讀出和將數(shù)據(jù)寫(xiě)入82526。圖3為CPU與CAN、485接口電路部分的外圍電路接線原理圖。

圖3通訊接口電路原理圖

在主控制器中，因?yàn)樾枰斎氲狞c(diǎn)數(shù)較多，這里我們采用常用的8255作為輸入輸出接口芯片。考慮到實(shí)際調(diào)試、修改程序的方便，主控制器中設(shè)計(jì)了鍵盤(pán)顯示電路，這一部分電路的核心采用專供鍵盤(pán)及顯示器接口用的可編程接口芯片8279，以掃描方式工作。掃瞄線SL0~SL2經(jīng)過(guò)3-8譯碼器產(chǎn)生8路掃描信號(hào)。另外為了解決外部的干擾引起的問(wèn)題，在主控制器中要加入Watchdog電路，保證系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)讓系統(tǒng)回到正常工作狀態(tài)。

2通訊協(xié)議

本系統(tǒng)采用CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議最大的優(yōu)點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，因此CAN沒(méi)有節(jié)點(diǎn)地址的概念，代之以對(duì)通訊數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，支持以數(shù)據(jù)為中心的通信模式。當(dāng)電梯層站數(shù)不同時(shí)，只需要在總線上進(jìn)行增減控制器的節(jié)點(diǎn)數(shù)，并對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?

2.1數(shù)據(jù)幀
數(shù)據(jù)幀（如圖4所示）包括七個(gè)部分：幀起始，仲裁場(chǎng)，控制場(chǎng)，數(shù)據(jù)場(chǎng)，CRC序列，ACK場(chǎng)，幀結(jié)束。仲裁場(chǎng)包括有報(bào)文標(biāo)識(shí)符（11位）和遠(yuǎn)程發(fā)送申請(qǐng)位（RTR）；控制場(chǎng)由六位組成，后四位為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼，代表數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，這里設(shè)為
2；傳輸信號(hào)每幀數(shù)據(jù)含兩個(gè)字節(jié)，高字節(jié)表示具體層樓數(shù)，低字節(jié)設(shè)為控制字。

圖4數(shù)據(jù)幀組成

2.2仲裁
總線空閑時(shí)，任意節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，其它節(jié)點(diǎn)都可以接收數(shù)據(jù)，只需要通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等通訊方式，無(wú)需專門(mén)調(diào)度。這里用接收碼寄存器，接收碼屏蔽寄存器實(shí)現(xiàn)報(bào)文濾波。

當(dāng)多個(gè)總線控制器同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，為避免沖突需進(jìn)行仲裁，這里采用非破壞性仲裁的方法解決沖突。所謂非破壞性是指這種仲裁方式可以使信息和時(shí)間都沒(méi)有損失，它是借助逐位仲裁幀中的ID號(hào)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。CAN數(shù)據(jù)幀如前所述仲裁場(chǎng)ID號(hào)碼唯一的標(biāo)識(shí)一個(gè)節(jié)點(diǎn)地址，RTR位為0表示該幀為數(shù)據(jù)幀，為1時(shí)表示遠(yuǎn)程幀，而后者優(yōu)先權(quán)要高于前者。這12位ID號(hào)代表報(bào)文的優(yōu)先權(quán)高低，數(shù)越小優(yōu)先權(quán)越高。

非破壞性仲裁的過(guò)程可以用一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明，如圖5，某時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)上有三個(gè)節(jié)點(diǎn)a、b、c同時(shí)發(fā)送信息，ID標(biāo)識(shí)符的發(fā)送順序?yàn)閺母呶坏降臀?，即由ID.0到ID.11，每發(fā)送1字符網(wǎng)絡(luò)做一次與運(yùn)算。比如ID.6發(fā)送后，網(wǎng)絡(luò)做運(yùn)算：0∩1∩0＝0，則網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)收到的信息為0。ID.6為1的字節(jié)發(fā)現(xiàn)接收到的與發(fā)送的不同，停止發(fā)送。這樣就使優(yōu)先級(jí)低（ID大）的節(jié)點(diǎn)退出發(fā)送。如此比較下去，直到全部ID及RTR發(fā)送完畢，網(wǎng)絡(luò)上僅剩節(jié)點(diǎn)c繼續(xù)發(fā)送信息，并且無(wú)需重發(fā)。

3程序設(shè)計(jì)

圖5CAN的沖突仲裁過(guò)程

主控制器程序流程圖如圖6所示。根據(jù)電梯實(shí)際運(yùn)行的要求，主控制器須通過(guò)與轎廂及門(mén)廳控制期間的通訊，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轎廂和門(mén)廳呼梯信號(hào)的采集，完成對(duì)電梯運(yùn)行方向、當(dāng)前層樓數(shù)的判斷、顯示和中途停車(chē)等的控制。同時(shí)電梯在運(yùn)行過(guò)程中，主控制器還要對(duì)井道中各種開(kāi)關(guān)量限位信號(hào)進(jìn)行采集分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的準(zhǔn)確控制。在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，主控制器還應(yīng)能與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊以方便系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。因此，主控制器的程序設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮到上述功能的有機(jī)結(jié)合。


圖6主控制器程序流程圖

轎廂、門(mén)廳控制器的程序流程框圖如圖7所示。它們所要完成的功能比較簡(jiǎn)單即采集呼梯信號(hào)發(fā)送到主控制器，接收來(lái)自主控制器的顯示信號(hào)并將它們輸出。

圖7轎廂、門(mén)廳控制器程序流程框圖

停車(chē)控制子程序主要負(fù)責(zé)電梯停車(chē)及轎廂開(kāi)關(guān)門(mén)控制。首先，程序輸出停車(chē)控制字。然后，使電梯開(kāi)門(mén)。接著判斷光幕信號(hào)是否被截?cái)?。若是，則等待，沒(méi)有被截?cái)嗟脑?，再判斷此時(shí)電梯是否超重，若超重則報(bào)警等待，沒(méi)有則繼續(xù)判斷是否有關(guān)門(mén)信號(hào)，有則電梯關(guān)門(mén)。沒(méi)有則延時(shí)一段時(shí)間后，自動(dòng)關(guān)門(mén)，返回主程序。程序流程框圖如圖8所示。

圖8停車(chē)子程序流程框圖

4結(jié)束語(yǔ)

基于CAN總線技術(shù)，以AT89C51為核心，采用82526結(jié)合PCA820250芯片構(gòu)成的電梯監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，主控制器通過(guò)CAN總線收發(fā)器借助CAN總線完成與其他主控制器的數(shù)據(jù)通訊。經(jīng)在兩臺(tái)8層電梯上實(shí)地使用，與代用PLC控制系統(tǒng)相比，故障停梯時(shí)間大大縮短，可靠性明顯提高，調(diào)試和增減內(nèi)容均比較方便，達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn):
[1]鄔寬明編著,CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì),北京,北京航空航天大學(xué)出版社,1996. [2]李恩林,陳斌生主編.微機(jī)接口技術(shù)300例,北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2003.