基于USB單片機的模擬電梯設計與實(shí)現

摘要：為了更好地認識電梯、驗證個(gè)人編制的電梯調度算法及控制程序，開(kāi)發(fā)一套基于USB單片機(CY7C680013A)的模擬電梯平臺，配合下位機軟件及上位機軟件，實(shí)現電梯的部分功能如：轎廂內呼梯、轎廂外呼梯、電梯故障報警、電梯狀態(tài)信息顯示、電梯在線(xiàn)調試等。

電梯是近代物質(zhì)文明發(fā)展的產(chǎn)物，是科技進(jìn)步的結晶。作為一種垂直運輸工具，電梯已經(jīng)融入到了人們日常生活當中。截止到2010年底我國在運行電梯近170萬(wàn)臺，從事與電梯有關(guān)工作人員近百萬(wàn)。電梯是一套復雜的機電一體化產(chǎn)品，其涉及到機械工程技術(shù)、電力電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、軟件技術(shù)以及土建工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。如此復雜的系統對于一個(gè)初學(xué)者來(lái)說(shuō)具有很大的困難，因此有必要開(kāi)發(fā)出一套簡(jiǎn)易仿真系統來(lái)激發(fā)學(xué)生的興趣，發(fā)揮其主觀(guān)能動(dòng)性，進(jìn)一步深化其對于電梯的認識。本文通過(guò)搭建模擬電梯硬件平臺，開(kāi)發(fā)下位機軟件及上位機應用程序來(lái)實(shí)現電梯的各種功能。

1 硬件電路設計

本系統采用CYPRESS公司的USB控制器CY7C680013A作為主控制器，該芯片是一款低功耗、高集成度符合USB 2.0規范的集成51核的微處理器芯片。通過(guò)步進(jìn)電機的正轉、反轉和停止來(lái)代表電梯的上升、下降和暫停;用液晶顯示屏來(lái)顯示系統狀態(tài)信息，如當前電梯樓層、系統時(shí)間、診斷信息、調試信息等;利用蜂鳴器來(lái)模擬電梯開(kāi)關(guān)門(mén)的提示聲。系統結構圖如圖1所示。

1.1 CY7C680013A的介紹

CYPRESS的EZ-USB FX2LP (CY7C680013A/14/15/16A)是一款低功耗，高集成度符合USB2.0規范的單片機。

FX2LP具有可以自定義功能的通用可編程接口(GPIF)，其主要特點(diǎn)包括高集成度：集成USB 2.0收發(fā)器，增強型8051微處理器以及16KB的片上程序/數據存儲器;接口豐富：具有I2C/USART/GPIF等，其功能結構圖如圖2所示。

1.2 供電及復位電路

為了滿(mǎn)足系統低功耗的要求，該51單片機采用3.3 V的供電電壓。由于系統無(wú)外接電源，故需對來(lái)自USB總線(xiàn)的5 V電壓進(jìn)行轉換。系統采用ANALOG DEVICES公司的ADP3309線(xiàn)性電壓轉換芯片進(jìn)行電壓變換，其接口電路如圖3所示。

本系統通過(guò)RC網(wǎng)絡(luò )直接連接到CY7C680013A的RESET引腳上進(jìn)行復位操作，如圖4所示。須保證復位時(shí)間常數>5 ms。根據RC濾波電路時(shí)間常數計算公式t=R*C，可得t=R*C=10 E3*1.0E-6=10.0E-3=10 ms>5 ms，滿(mǎn)足系統復位操作要求。

1.3 LCD接口電路

本系統LCD顯示采用了3.3 V供電的液晶模塊。串行接口使得對處理器的端口要求大大降低，犧牲的僅僅是少量的系統占用時(shí)間，但對要求不是很高的場(chǎng)合這種占用可以忽略不計。液晶的接口引腳包括了供電、I2C接口以及背光接口。如圖5示為液晶接口電路。

圖5中的符號CS、SCL、SDA、LED分別表示片選信號、時(shí)鐘信號、數據和背光開(kāi)關(guān)。從圖中可以看出，液晶占用了很少的IO資源，緩解了單片機資源緊張的狀況。所有的控制時(shí)序均由軟件模擬產(chǎn)生。

1.4 步進(jìn)電機電路

步進(jìn)電機是一種能夠將電脈沖信號轉換成角位移或線(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制組件。在非超載的情況下，電機的轉速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖個(gè)數，而不受負載變化的影響，非常適合于微機的控制。當步進(jìn)電機接收到一個(gè)脈沖信號，它就旋轉一個(gè)固定的角度，此角度被稱(chēng)為“步距角”，其旋轉方向與繞組的通電方向有關(guān)?？刂泼}沖個(gè)數來(lái)決定電機的角位移量，以達到精確定位的目的;同時(shí)控制脈沖頻率來(lái)決定電機的速度，以達到調速的目的?？刂破髋c步進(jìn)電機的接口使用了專(zhuān)用的電機驅動(dòng)器，因此連接簡(jiǎn)單，編程調試方便。

2 下位機軟件設計

系統下位機軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil C51，為簡(jiǎn)化程序開(kāi)發(fā)，提高程序的易讀性和可移植性，采用C語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，并采用結構化編程進(jìn)行模塊化設計。本系統將整個(gè)軟件劃分為六個(gè)模塊，其中包括：系統初始化模塊、硬件驅動(dòng)模塊、USB數據傳輸模塊、用戶(hù)自定義命令解析模塊、系統監控模塊以及電梯調度算法模塊。

系統初始化模塊的作用是初始化系統的內部資源和外部資源，內部資源包括時(shí)鐘頻率的設定、I2C總線(xiàn)的設定、GPIF功能定義等，外部資源主要包括LCD模塊的配置、步進(jìn)電機驅動(dòng)器的配置等。通過(guò)系統初始化模塊的功能定義，保證系統運行在設定狀態(tài)。

硬件驅動(dòng)模塊屬于驅動(dòng)程序的范疇，本固件依據芯片廠(chǎng)商提供范例編寫(xiě)，在大大簡(jiǎn)化了編程難度的同時(shí)提高了程序的可讀性和移植性。

USB數據傳輸模塊屬于程序的通信范疇，除了對于USB模塊的功能配置外，該模塊還包含USB數據幀傳輸的定義、USB命令的解析及實(shí)現、USB傳輸異常的處理及數據重發(fā)機制的實(shí)現等。

用戶(hù)自定義命令解析模塊的主要功能是解析來(lái)自于上位機的命令，如“電梯上升到某層”、“電梯下降到某層”、“電梯停止運行”等。該模塊輪詢(xún)上位機用戶(hù)命令，并且查詢(xún)設備狀態(tài)及用戶(hù)命令優(yōu)先級，在滿(mǎn)足該命令執行的條件后執行該命令，并將運行狀態(tài)及結果反饋給上位機，或者將錯誤信息反饋給上位機。

系統監控模塊屬于系統資源管理模塊的范疇，包括看門(mén)狗的復位，定時(shí)器的復位，模擬電梯系統運行狀態(tài)的更新等。

電梯調度算法是本系統的核心。由于核心目的是實(shí)現電梯的調度，該算法只考慮電梯主體功能，忽略超重檢測、防夾檢測、用戶(hù)權限識別等功能，但是在固件中預留該功能的調用，以便日后完善。調度算法兼顧公平性和電梯的運行效率，要求電梯遵循時(shí)間優(yōu)先、順向優(yōu)先和最遠反向截梯控制原則。

3 上位機應用軟件設計

上位機采用VS2010為開(kāi)發(fā)工具，C++為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用了面向對象的編程方式進(jìn)行編程。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化編程和提高編程效率，沒(méi)有采用直接調用Windows API的模式進(jìn)行代碼調用而是采用了MFC(Microsoft Foundation Classes)庫進(jìn)行編程。MFC是一個(gè)微軟公司提供的類(lèi)庫，以C++類(lèi)的形式封裝了Windows API，并且包含一個(gè)應用程序框架，以減少應用程序開(kāi)發(fā)人員的工作量。其中包含的類(lèi)包含大量Windows句柄封裝類(lèi)和很多Windows的內建控件和組件的封裝類(lèi)。MFC的主要優(yōu)點(diǎn)是可以用面向對象的方法來(lái)調用Windows API，以及應用程序開(kāi)發(fā)的便捷。

上位機模塊的主要功能是模擬真實(shí)電梯轎廂內、外的按鍵，用戶(hù)點(diǎn)擊相應樓層按鈕后，下位機解析用戶(hù)命令并通過(guò)電梯的正、反轉轉動(dòng)及液晶顯示屏等來(lái)顯示用戶(hù)命令執行情況，同時(shí)將狀態(tài)及結果等反饋到上位機中。上位機的軟件運行界面如圖6所示。

4 結論

本文設計了一種實(shí)用的電梯模擬系統，該系統采用CY7C680013A作為主控制器，外擴液晶顯示模塊、步進(jìn)電機和蜂鳴器，可以模擬電梯的各種狀態(tài)，下位機軟件實(shí)現了電梯硬件資源的控制及調度。上位機采用VC2010開(kāi)發(fā)，顯示電梯樓層按鍵、電梯運行狀態(tài)、系統診斷信息等。本系統可以實(shí)現大部分電梯的功能，便于初學(xué)者掌握電梯的相關(guān)知識，通過(guò)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐，提高其軟件編制能力和故障診斷能力，為其將來(lái)的發(fā)展打堅實(shí)基礎。