基于現場(chǎng)總線(xiàn)的電梯監控系統設計

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

現代社會(huì )中，電梯已經(jīng)成為不可缺少的運輸設備。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，微機控制階段，現場(chǎng)總線(xiàn)控制階段。

與其它幾種現場(chǎng)總線(xiàn)比較而言，CAN總線(xiàn)是最易實(shí)現，價(jià)格最為低廉的一種，這也是目前CAN總線(xiàn)在眾多領(lǐng)域被廣泛采用的原因。CAN總線(xiàn)協(xié)議是建立在國際標準組織開(kāi)放系統互聯(lián)模型基礎上的。作為工業(yè)控制的底層網(wǎng)絡(luò )，CAN總線(xiàn)通波特率可高達1Mbps，最遠距離可達l0km；通訊采用短幀結構，使得數據傳輸的時(shí)間短，受干擾的幾率低，并且CAN總線(xiàn)協(xié)議有良好的檢錯措施，因此CAN總線(xiàn)通訊的可靠性較高。由于CAN總線(xiàn)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用。目前電梯井道系統中，主要采用并行通訊，上行、下行電纜比較多，現場(chǎng)安裝調試比較麻煩。采用CAN總線(xiàn)后，通過(guò)串行通信方式，構成控制器局域網(wǎng)，僅用四根線(xiàn)，其中兩根為電源線(xiàn)，一根信號發(fā)送線(xiàn)，一根信號接收線(xiàn)，實(shí)現呼梯、內選及顯示信號的通信，并為進(jìn)一步實(shí)現多臺電梯群控、遠程監控、樓宇自動(dòng)化提供便利接口。

1系統組成及硬件設計

1.1系統的總體結構
系統基于CAN總線(xiàn)多主結構，以CAN總線(xiàn)控制器82526和總線(xiàn)收發(fā)器PCA82C250為主體組成通信控制模塊，設計了主控制器、轎廂控制器、門(mén)廳控制器。通過(guò)串行通信方式構成控制器局域網(wǎng)，實(shí)現呼梯、內選及顯示信號的通信。但是隨著(zhù)高層建筑的出現和建筑面積的擴大，需要并排設置幾臺電梯，以完成大樓內的垂直運輸任務(wù)。為了實(shí)現群控，便存在著(zhù)電梯相互聯(lián)接的問(wèn)題，這樣就需要有監控微機統一監控調度。這里我們采用485總線(xiàn)實(shí)現單臺電梯主控制器之間以及與監控微機間的通信。電梯的群控系統結構如圖1所示。


圖1電梯控群控系統結構圖

1.2系統硬件設計
在單臺電梯控制系統中，主控制器要完成其它控制器信號的采集，顯示信號的輸出，電梯運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采集，經(jīng)CAN總線(xiàn)送往主控制器，并接收來(lái)自主控制器的顯示信號將它輸出即可。因此，轎廂、門(mén)廳控制器結構大體與主控制器類(lèi)似且相對簡(jiǎn)單。

下面以主控制器(如圖2所示)為例介紹硬件設計。電梯主控制器CPU采用了AT89C51單片機。AT89C51單片機是與8X51系列單片機兼容的增強型微控制器，其內部集成了4K字節的Flashrom。由于主控制器是電梯控制系統的核心，擔負著(zhù)控制電梯運行的重要任務(wù)，所編出的程序較大，因此，它的外部還要擴展外部程序數據存儲器，按常規采用2764和6264。


在單臺電梯控制系統中，主控制器與轎廂及門(mén)廳控制器之間采用CAN總線(xiàn)實(shí)現通訊。CAN總線(xiàn)控制器采用INTEL公司82526芯片。PCA82C250作為CAN總線(xiàn)的接口。82526內部采用硬件實(shí)現了數據鏈路層的全部功能，因而這部分的程序只需將82526中的數據讀出和將數據寫(xiě)入82526。圖3為CPU與CAN、485接口電路部分的外圍電路接線(xiàn)原理圖。

圖3通訊接口電路原理圖

在主控制器中，因為需要輸入的點(diǎn)數較多，這里我們采用常用的8255作為輸入輸出接口芯片?？紤]到實(shí)際調試、修改程序的方便，主控制器中設計了鍵盤(pán)顯示電路，這一部分電路的核心采用專(zhuān)供鍵盤(pán)及顯示器接口用的可編程接口芯片8279，以?huà)呙璺绞焦ぷ?。掃瞄線(xiàn)SL0~SL2經(jīng)過(guò)3-8譯碼器產(chǎn)生8路掃描信號。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，保證系統發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)讓系統回到正常工作狀態(tài)。

2通訊協(xié)議

本系統采用CAN2.0A標準，該協(xié)議最大的優(yōu)點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼，因此CAN沒(méi)有節點(diǎn)地址的概念，代之以對通訊數據塊進(jìn)行編碼，支持以數據為中心的通信模式。當電梯層站數不同時(shí)，只需要在總線(xiàn)上進(jìn)行增減控制器的節點(diǎn)數，并對相應的數據幀進(jìn)行適當的修改。

2.1數據幀
數據幀（如圖4所示）包括七個(gè)部分：幀起始，仲裁場(chǎng)，控制場(chǎng)，數據場(chǎng)，CRC序列，ACK場(chǎng)，幀結束。仲裁場(chǎng)包括有報文標識符（11位）和遠程發(fā)送申請位（RTR）；控制場(chǎng)由六位組成，后四位為數據長(cháng)度碼，代表數據字節數，這里設為
2；傳輸信號每幀數據含兩個(gè)字節，高字節表示具體層樓數，低字節設為控制字。

圖4數據幀組成

2.2仲裁
總線(xiàn)空閑時(shí)，任意節點(diǎn)都可以發(fā)送數據，其它節點(diǎn)都可以接收數據，只需要通過(guò)報文濾波即可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等通訊方式，無(wú)需專(zhuān)門(mén)調度。這里用接收碼寄存器，接收碼屏蔽寄存器實(shí)現報文濾波。

當多個(gè)總線(xiàn)控制器同時(shí)發(fā)送報文時(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號碼來(lái)實(shí)現的。CAN數據幀如前所述仲裁場(chǎng)ID號碼唯一的標識一個(gè)節點(diǎn)地址，RTR位為0表示該幀為數據幀，為1時(shí)表示遠程幀，而后者優(yōu)先權要高于前者。這12位ID號代表報文的優(yōu)先權高低，數越小優(yōu)先權越高。

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)節點(diǎn)a、b、c同時(shí)發(fā)送信息，ID標識符的發(fā)送順序為從高位到低位，即由ID.0到ID.11，每發(fā)送1字符網(wǎng)絡(luò )做一次與運算。比如ID.6發(fā)送后，網(wǎng)絡(luò )做運算：0∩1∩0＝0，則網(wǎng)絡(luò )上各節點(diǎn)收到的信息為0。ID.6為1的字節發(fā)現接收到的與發(fā)送的不同，停止發(fā)送。這樣就使優(yōu)先級低（ID大）的節點(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 )上僅剩節點(diǎn)c繼續發(fā)送信息，并且無(wú)需重發(fā)。

3程序設計

圖5CAN的沖突仲裁過(guò)程

主控制器程序流程圖如圖6所示。根據電梯實(shí)際運行的要求，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)現對轎廂和門(mén)廳呼梯信號的采集，完成對電梯運行方向、當前層樓數的判斷、顯示和中途停車(chē)等的控制。同時(shí)電梯在運行過(guò)程中，主控制器還要對井道中各種開(kāi)關(guān)量限位信號進(jìn)行采集分析，以實(shí)現對電梯的準確控制。在系統調試時(shí)，主控制器還應能與PC機實(shí)現通訊以方便系統的實(shí)時(shí)控制。因此，主控制器的程序設計應當充分考慮到上述功能的有機結合。


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)單即采集呼梯信號發(fā)送到主控制器，接收來(lái)自主控制器的顯示信號并將它們輸出。

圖7轎廂、門(mén)廳控制器程序流程框圖

停車(chē)控制子程序主要負責電梯停車(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(zhù)判斷光幕信號是否被截斷。若是，則等待，沒(méi)有被截斷的話(huà)，再判斷此時(shí)電梯是否超重，若超重則報警等待，沒(méi)有則繼續判斷是否有關(guān)門(mén)信號，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結束語(yǔ)

基于CAN總線(xiàn)技術(shù)，以AT89C51為核心，采用82526結合PCA820250芯片構成的電梯監控系統在實(shí)際應用中，主控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)收發(fā)器借助CAN總線(xiàn)完成與其他主控制器的數據通訊。經(jīng)在兩臺8層電梯上實(shí)地使用，與代用PLC控制系統相比，故障停梯時(shí)間大大縮短，可靠性明顯提高，調試和增減內容均比較方便，達到了預期效果。

參考文獻:
[1]鄔寬明編著(zhù),CAN總線(xiàn)原理和應用系統設計,北京,北京航空航天大學(xué)出版社,1996. [2]李恩林,陳斌生主編.微機接口技術(shù)300例,北京,機械工業(yè)出版社,2003.