基于CAN總線(xiàn)的電梯主控系統

摘 要：為了升級現有電梯控制系統，給出了一種以L(fǎng)PC2294 為主控芯片的電梯主控系統的設計。軟件上以搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統μC/OS 為平臺，實(shí)現了電梯主控系統中的輸入采集、調度分配、CAN 通信、菜單輸出等任務(wù);硬件建立在LPC2294 基礎上，實(shí)現了與變頻器互聯(lián)互通、編碼器脈沖反饋的采集、井道開(kāi)關(guān)量的輸入輸出等。

1 引言

隨著(zhù)城市化建設事業(yè)飛速發(fā)展，高層建筑和智能建筑大量涌現對電梯控制提出了許多新的要求，與此同時(shí)MCU 與現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展為電梯控制系統不斷完善提供條件。由于現代電梯控制系統在安全性、穩定性、人性化的要求不斷提高，對原有系統在通信方式和電機控制方式等方面進(jìn)行升級也顯得尤為必要。

在通信方式上，CAN 總線(xiàn)技術(shù)的引入改變了RS485 總線(xiàn)在電梯控制上只能構造主從結構的通信網(wǎng)絡(luò )、缺少總線(xiàn)仲裁與實(shí)時(shí)響應效果不理想等方面的缺點(diǎn)，這也使得在現代電梯控制系統的設計時(shí)，可以把一些井道開(kāi)關(guān)量信號轎廂控制器來(lái)采集，然后通過(guò)CAN 通信把有效信號直接傳輸給主控系統，這樣就減少主控系統的負擔，增加系統的安全性;在電機控制上，電梯控制系統經(jīng)歷了雙速系統、多段速系統與當前采用的模擬量控制系統三個(gè)階段，使得乘客在乘坐電梯時(shí)舒適感逐步完美，電梯控制系統也得到了不斷改變并趨完善。

2 系統簡(jiǎn)介

現代電梯電氣系統由電力驅動(dòng)系統、電氣控制系統和安全保護系統組成(如圖1)。其中電力驅動(dòng)系統由曳引電動(dòng)機、速度反饋裝置(旋轉編碼器)、電動(dòng)機調速裝置(變頻器)和電源系統等部分組成;電氣控制系統又由電梯主控系統、外呼控制系統、轎廂顯示、門(mén)控制系統和外召系統等部分組成;安全保護系統由光幕、急停、門(mén)鎖、安全窗等組成。

圖1 電梯控制系統結構圖

電氣控制系統中電梯主控系統主要收集電梯井道限位信號和電梯外呼內叫的呼梯信號，然后根據系統參數和系統的當前狀態(tài)，與門(mén)控制系統和電力驅動(dòng)系統交互完成整個(gè)電梯的運行控制。其在電梯的電氣控制系統中扮演了舉足輕重的作用。

2 控制系統硬件設計

主控系統的硬件設計主要包括微控制器、CAN 通信模塊、光耦輸入、繼電器輸出、存儲器模塊、液晶顯示模塊、按鍵電路、電源模塊、復位模塊和JTAG模塊等。其硬件框圖如圖2 所示。

圖2 主控系統的模塊。

在主控系統中，外接了4 路CAN 總線(xiàn)收發(fā)器，分別連接到電梯外呼采集板、轎廂采集板、電動(dòng)機調速裝置(變頻器)、以及群控電梯板。主控系統與電梯電氣系統的其余子系統之間的通信。光耦輸入、繼電器輸出電路的功能主要是讓電梯主控系統采集井道限位信號和輸出井道限位;液晶顯示模塊和按鍵電路則是給電梯調試人員設計的調試接口，用來(lái)查看系統運行參數和改變系統運行參數;而鐵電存儲器用來(lái)保存系統參數運行參數。

2.1 微控制器模塊

LPC2294 是基于一個(gè)支持在線(xiàn)仿真和跟蹤的16/32 位ARM7TDMI-STM CPU,并帶有16KB 的SRAM 和256 KB 板級高速Flash 存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16 位Thumb 模式將代碼規模降低超過(guò)30%,而性能的損失卻很小。

由于LPC2294 的144 腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32 位定時(shí)器、8 路10 位ADC、4 路CAN、PWM 通道以及多達9 個(gè)外部中斷使它們適用于汽車(chē)、工業(yè)控制應用以及醫療系統和容錯維護總線(xiàn)。LPC2294 包含至少76(使用了外部存儲器)~至多112(單片)個(gè)GPIO口。由于內置了高速的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉換器以及其它各種類(lèi)型的應用。

2.2 CAN 模塊電路

在電梯控制系統中，往往是一棟大樓中使用多臺電梯構建一個(gè)由多臺電梯組成的群控系統。在一臺電梯控制系統內部主控系統要與轎廂板、外召板之間進(jìn)行通信;在各電梯之間由群控板負責收集各臺電梯運行狀態(tài)和電梯負載量然后根據相應的算法進(jìn)行派梯，這樣就使得控制系統中的通信壓力較大。由于LPC2294 內部帶有4 路CAN 控制器，使得該處理器很適合應用于電梯控制系統中。

各路CAN模塊電路基本一致，從微控制器中CAN控制器上引出輸入/輸出引腳RD/TD 到CAN 收發(fā)器TJA1050 相應的管腳上。為了減少終端反射對系統的影響，需要在每路CAN 總線(xiàn)的兩最遠端各加上120Ω的終端電阻。從通信角度看，電梯控制系統的設計是以主控系統為中心的CAN 通信系統的設計，因而在主控系統在設計的時(shí)，給每條CAN 總線(xiàn)的CANH 和CANL 之間添加上了120Ω的終端電阻是必要的。另外由于系統中的供電采用的是24V 的標準工業(yè)用電，而這非電子元器件的承受電壓范圍，因而避免在工程施工中接線(xiàn)錯誤對系統致命破壞，設計的時(shí)候在CANH 和CANL 口線(xiàn)上添加了TVS 管。如圖3 所示。

圖3 CAN 模塊電路。

CANH 和CANL 輸出到GND 的匹配電容C1 和C2 經(jīng)常被用于提高抗電磁干擾的性能。相應噪聲源的阻抗和CANH 和CANL 對地的電容組成了一個(gè)RC低通濾波器，在抗干擾的性能的問(wèn)題上電容的值應該盡可能大，才能獲得低的角頻率。另一方面輸出級的整個(gè)電容負載和阻抗為數據信號建立了一個(gè)低通濾波器。因此相關(guān)的角頻率要比數據傳輸頻率高。這使電容值必須由節點(diǎn)的數量和數據傳輸頻率決定。當TJA1050 的輸出級阻抗大約是20Ω，總線(xiàn)系統有10個(gè)節點(diǎn)，速度是500kbit/s 則電容的值不應該超過(guò)470pF.

2.3 光耦輸入電路

在電梯電氣控制系統中主控系統為了電梯不發(fā)生安全事故，安全穩定地運行，因此要實(shí)時(shí)地從電梯安全保護系統中采集電梯井道信號。對于實(shí)時(shí)性要求非常高的輸入開(kāi)關(guān)量直接通過(guò)光耦輸入到主控系統，如開(kāi)/關(guān)門(mén)限位、上/下強減、上/下限位、光幕、門(mén)鎖、抱閘反饋等開(kāi)關(guān)量信號。另外為了減小輸入信號對微控制器的影響，在微控制器端對這些開(kāi)關(guān)量信號，采用了光耦隔離其電路原理圖如圖4 所示。