基于C167CS微控制器的數字化電梯系統

摘要: 基于C167CS 微控制器設計了數字化電梯系統, 該系統中利用多規則加權的模糊控制算法進(jìn)行群控控制,以CAN總線(xiàn)多主方式實(shí)現各控制器間的串行通信。該系統提高了電梯的運行效率,并增強了電梯運行的實(shí)時(shí)性控制,系統的靈活性與可靠性得到了提高。
關(guān)鍵詞: 數字化電梯; C167CS; 模糊控制; CAN總線(xiàn)

1 引言

國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展, 現代化程度日益提高,高層建筑愈來(lái)愈多, 電梯也隨之增多, 電梯產(chǎn)品在人們物質(zhì)文化生活中的地位得到了提高,成為重要的運輸設備之一。國內傳統的電梯控制一是由繼電器、接觸器構成。它不僅存在著(zhù)可靠性差、成本高、故障率高等缺點(diǎn),而且在層數增加時(shí),配線(xiàn)變化給制造及安裝帶來(lái)諸多不變。若用微機來(lái)控制電梯具有許多優(yōu)點(diǎn),進(jìn)而數字化電梯控制系統是發(fā)展的必然。數字化最大的優(yōu)點(diǎn)之一是在信號的傳輸方面, 而且同時(shí)也將交換的功能聯(lián)系在一起, 視頻信號、音頻信號、計算機數據都利用0、1 二進(jìn)制代碼在同一網(wǎng)絡(luò )里傳輸和交換,這種以數字化為共同語(yǔ)言彼此相容和溝通的特性,使各種形式的信息傳輸速度大大加快,使得整個(gè)系統更加有效。本文旨在開(kāi)發(fā)數字化電梯系統。

2 系統的總體結構

本系統中,以C167CS微控制器為基礎,開(kāi)發(fā)了數字化電梯系統。整個(gè)系統的結構如圖1所示。它主要包括主控器、轎廂控制器、層站控制器、通訊模塊及廳外呼叫部分。


主控器:是指控制相應電梯運行的控制器。它負責與各轎廂控制器、層站控制器相互通訊, 并發(fā)送控制指令來(lái)控制相應電梯的運行。通過(guò)采集到的各個(gè)電梯的狀態(tài)及廳外呼叫來(lái)決定指派最優(yōu)的電梯來(lái)進(jìn)行工作。主控器控制變頻器進(jìn)行調速控制; 接收旋轉編碼器的輸出的脈沖信號, 作為速度反饋信號; 具有RS-232接口, 以與其它設備相聯(lián)接,以進(jìn)行電梯的監控與調試。

轎廂控制器: 它控制單個(gè)電梯的運行, 并將電梯的運行狀態(tài)及時(shí)傳送到主控器,以便主控器發(fā)送指令來(lái)控制整個(gè)系統的運行。

層站控制器: 采集樓層召喚信號, 控制按鈕燈的輸出,并以滾動(dòng)方式顯示方向和樓層?；镜臉菍涌刂破髟鲈O鑰匙開(kāi)關(guān)、消防運行開(kāi)關(guān)輸入功能,以實(shí)現電梯的開(kāi)/ 停和消防運行,并通過(guò)CAN端口與總線(xiàn)相連接。

通訊模塊: 采用CAN總線(xiàn)多主結構,來(lái)實(shí)現電梯主控器、層站控制器、外呼和轎廂之間控制信號的串行通信。

廳外呼叫及顯示:在電梯的每層廳外都有呼叫選擇部分, 它代表乘客的乘梯方向(如向上或向下) ,并給予相應的LED 顯示。

系統工作原理: 各個(gè)轎廂控制器及層站控制器將采集到的信號發(fā)送到CAN總線(xiàn), 主控器根據這些信號及相應的群控算法選擇最優(yōu)的電梯進(jìn)行響應,結合專(zhuān)用線(xiàn)路上的安全信號、旋轉編碼器脈沖信號等發(fā)出選層、定向、變速和平層等指令, 控制轎廂的運行及門(mén)機的動(dòng)作, 并將轎廂的位置信號發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。顯示模塊則相應地進(jìn)行LED顯示。在數字化電梯系統的設計中關(guān)鍵部分是主控器中的群控算法及CAN總線(xiàn)通信的實(shí)現, 下面詳細介紹此兩部分的具體實(shí)現。

3 C167微控制器介紹

C167 單片機是80C166 系列中的一款高性能的微處理器。CPU時(shí)鐘頻率最高可達40MHz , 片內ROM128K/256 K,片內RAM11K,尋址能力16M。采用4 級流水線(xiàn),有56個(gè)中斷(16個(gè)優(yōu)先級) ,外設事件控制器PEC ,32 通道比較/ 捕捉單元,2 個(gè)通用定時(shí)器單元, 以及4 通道的PMW。多通道10位的A/D轉換口,C167的I/O 接口多達111個(gè),其串行I/ O接口有同步/異步接口UART、高速同步接口SSC。同時(shí)擁有CAN總線(xiàn)通信控制器模塊, 可以支持高速串行通信協(xié)議CAN2.0B , 即支持標準(11位ID) 和擴展(29位ID) 的通信協(xié)議?？删幊掏獠靠偩€(xiàn)可對不同地址范圍進(jìn)行不同的設置。
C167 單片機的集成度高、功能多、性能強。C167單片機的品種也比較多, 比如C167S、C167CR、C167CS等,這些單片機的I/O基本功能是相同的, 都是111根引腳, 只是片內RAM以及ROM大小有所不同。本文采用的單片機型號是C167CS, 圖2 所示為C167CS的結構圖。


C167CS 作為此C166的第三代產(chǎn)品, 允許使用高級語(yǔ)言對系統進(jìn)行開(kāi)發(fā), 擁有高達16MB的尋址空間, 11KB的內部RAM(隨機存取存儲器) 和128KB 的內部ROM(只讀存儲器) , 并且能夠對使用外部總線(xiàn)的各類(lèi)資源進(jìn)行更系統的管理。

4 電梯系統的設計

4. 1 電梯控制算法實(shí)現
在傳統的電梯群控制系統設計中, 通常只要滿(mǎn)足一個(gè)性能標準,如:最佳速度、位置和最小時(shí)間等,就實(shí)行電梯的調度,這必然存在其局限性。由于傳統算法的局限性,同時(shí)要滿(mǎn)足多個(gè)目標是很困難的。將專(zhuān)家知識與經(jīng)驗規則運用到電梯系統中, 可以很好地提高電梯的性能。

由于在模糊邏輯控制系統中,多目標能夠較容易地被融入到系統設計中去, 因此考慮采用模糊控制算法進(jìn)行電梯的群控控制。在設計的電梯群控系統里,考慮下面的目標: ①使乘客的等待時(shí)間要盡量短; ②盡量減少乘客的長(cháng)候梯率; ③使每個(gè)電梯的行程盡量短; ④合理分配電梯應答,防止聚堆和忙閑不均; ⑤選擇能耗最省的方式。

在實(shí)際的電梯系統中, 同時(shí)考慮以下的限制條件: ①若有乘客在轎廂內,那么電梯不能響應相反的方向; ②每個(gè)電梯都有最大的承載能力, 若滿(mǎn)載, 則電梯需直通,不響應外部呼叫; ③每部電梯是在一個(gè)恒定的速度下運行; ④每部電梯必須響應內呼。針對以上的目標,提出了基于等待時(shí)間、乘梯時(shí)間、乘客數量、停站次數和相對距離等5個(gè)參量的加權模糊算法。其方法的模型可以描述如下:
R¹ : if X1 is A₁ then Yis B₁
R² : if X2 is A₂ then Yis B₂
. . . . . .
Rⁿ : if Xn is A_n then Yis B_n
式中, R¹ , R² , . . . . . . , Rⁿ 是指n 條模糊規則,X₁ ,X₂ , . . . . . ,X_n 是指系統的輸入,而Y是指系統的輸出,A₁ ,A₂ , . . . . . . ,A_n 和B₁ ,B₂ , , . . . . . . ,B_n 是系統的模糊變量。
對于每個(gè)單輸入―――單輸出系統的輸出值,求其加權值的和, 進(jìn)而得到整個(gè)系統的輸出值, 可以表示如下:
Y= W₁B₁ + W₂B₂ + .+ W_nB_n (1)
式中, W₂ , W₂ , ., W_n 為各條規則的權值。此模型的具體結構如圖3 所示。

對于n 部電梯,則有n 個(gè)輸出值Y₁ ,Y₂ ,. . . . . . , Y_n , 而最終系統選擇max(y _i) { i = 1 , 2 , . . . . . . , n} 作為輸出,即選派此電梯來(lái)響應召喚。選擇各個(gè)參量相應的隸屬度函數和輸出參量的隸屬度函數及相應的權值,經(jīng)過(guò)模糊算法即可實(shí)現電梯的調度。

4. 2 CAN通訊的實(shí)現
CAN 是一種新型的總線(xiàn)式串行通信網(wǎng)絡(luò ),具有突出的實(shí)時(shí)性、靈活性和可靠性等優(yōu)點(diǎn), 可以很好地解決通訊問(wèn)題。CAN通信具有如下的特點(diǎn):CAN網(wǎng)絡(luò )上的任一節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻發(fā)送信息,同時(shí)接收總線(xiàn)上的信息,無(wú)主從之分; 網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級,可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求, 當多點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送報文時(shí),優(yōu)先級較低的節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)退出發(fā)送,而優(yōu)先級高的節點(diǎn)可以不受影響地繼續發(fā)送數據,大大節省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間,增強了網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性; 采用短幀傳送, 每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯校驗,可靠性高,直接通信能力可達最遠10 km,速度可達1 Mbit/ s?？梢?jiàn),由于CAN的多主結構在實(shí)時(shí)性、靈活性、可靠性等方面具有的突出優(yōu)點(diǎn), 非常適合電梯呼梯信號的通信。

4. 2. 1 CAN接口設計
為了實(shí)現基于CAN的數據通信, 必須將各控制器的輸入、輸出轉化為CAN標準。由于微控制器本身都帶有兩個(gè)CAN模塊,因此只需選擇CAN收發(fā)器即可。CAN總線(xiàn)的收發(fā)器采用 TJA1040 ,它是完全符合ISO 11898標準的控制器局域網(wǎng)CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口, 速度可達1Mbaud。它有優(yōu)秀的EMC性能,而且在不上電狀態(tài)下有理想的無(wú)源性能,它還提供低功耗管理,支持遠程喚醒。C167CS上的CAN模塊通過(guò)一條串行數據輸出線(xiàn)(CAN- TxD)和一條串行數據輸入線(xiàn)(CAN-RxD) 連接到收發(fā)器。而收發(fā)器則通過(guò)它的兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線(xiàn)終端CANH和CANL連接到總線(xiàn)線(xiàn)路, 收發(fā)器使用5 V的額定電源電壓。

4. 2. 2 幀格式的形式
CAN的實(shí)際通信是由硬件來(lái)自動(dòng)實(shí)施的,硬件是按信息幀格式(主要有數據信息幀和遠程信息幀) 來(lái)傳遞數據的?？偩€(xiàn)傳送數據按信息幀來(lái)傳送, 幀與幀之間由3個(gè)分離位來(lái)分離, 沒(méi)有信息幀時(shí),總線(xiàn)則處于空閑時(shí)間。數據信息幀的格式如圖4 所示(擴展模式) 。


4. 2. 3 CAN控制實(shí)現
本系統中, 各控制節點(diǎn)信號傳輸時(shí)以擴展數據幀格式打包,以報文為單位進(jìn)行數據傳輸。幀起始部分發(fā)送節點(diǎn)標識符并與其優(yōu)先級相對應,其值越小,優(yōu)先級越高,總線(xiàn)依據節點(diǎn)標識符進(jìn)行仲裁,以協(xié)調對網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)。當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送信息時(shí), 優(yōu)先權低的節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)退出發(fā)送, 而優(yōu)先權高的節點(diǎn)可不受影響繼續傳輸數據。數據場(chǎng)中的發(fā)送數據存貯在發(fā)送緩存器的數據區中,而接收的數據則被存在接收緩存器中。

主控制器CAN節點(diǎn)發(fā)送的是指派相應最優(yōu)電梯轎廂運行方向和周邊設備的啟動(dòng)信號;接收的數據是樓層召喚、轎內信號、門(mén)系統信號及稱(chēng)重信號等。樓層CAN節點(diǎn)發(fā)送的j 是樓層召喚信號;接收的是轎廂運行方向和相應的樓層。轎廂CAN 節點(diǎn)發(fā)送的是轎內信號; 接收的是轎廂運行方向和樓層信號。

在系統中,主控制器有最小的標識符,其余各控制器的優(yōu)先級依重要性排列。CAN節點(diǎn)接收與發(fā)送數據均通過(guò)中斷執行,在進(jìn)入中斷服務(wù)程序后,根據中斷標志轉入接收中斷、發(fā)送中斷、出錯中斷和喚醒中斷。各節點(diǎn)設置節點(diǎn)狀態(tài)字,主控制器定期查詢(xún)其他節點(diǎn)狀態(tài)字, 如發(fā)現有狀態(tài)故障, 則系統報警, 并進(jìn)行相應處理并恢復,使系統返回正常工作。

5 結論

系統中的電梯群控算法采用基于多規則加權的模糊控制算法, 提高了系統的運行效率?；贑AN 總線(xiàn)的多主結構來(lái)實(shí)現各控制器間的串行通信,使得任一控制器所采集的信號對其他控制器完全實(shí)時(shí)共享, 利于實(shí)時(shí)控制, 同時(shí)使整個(gè)系統有良好的擴展能力。串行通信的使用簡(jiǎn)化了傳統電梯通信的信號線(xiàn), 大大方便了安裝與維修, 提高了系統的穩定性。高性能微控制器的使用,也使系統的靈活性與可靠性得到了加,有良好的推廣價(jià)值。