基于A(yíng)RM7嵌入式系統的電梯群控系統的設計

目前,大多數電梯公司的群控系統都是采用RS485總線(xiàn)進(jìn)行通信，但RS485采用主從式的通信方式,由主機發(fā)起呼叫，對應的終端應答，因此只能采取輪詢(xún)的通信方式，實(shí)時(shí)性差，一旦主機出現故障，整個(gè)系統將癱瘓；而CAN總線(xiàn)在電梯群控系統中卻體現出更多的優(yōu)勢：CAN總線(xiàn)通信與RS485通信相比抗干擾能力更好；可連接較多的通信節點(diǎn)；通信速率更高；實(shí)時(shí)性與穩定性高。

本文采用CAN總線(xiàn)來(lái)實(shí)現群控主機和各電梯之間的通信[2]。
1 系統總體結構
本系統以ARM7為內核，主頻達72 MHz的32 bit微處理器LPC2368作為群控主控制器,它有高達512 KB的片內Flash程序存儲器，具有在系統編程（ISP）和在應用編程（IAP）功能，同時(shí)LPC2368內部集成了2個(gè)CAN控制器，CAN控制器提供了一個(gè)完整的CAN協(xié)議（遵循CAN規范V2.0 B）實(shí)現方案。包含這個(gè)片內CAN控制器的微控制器用來(lái)構建功能強大的局域網(wǎng)，支持極高安全級別的分布式實(shí)時(shí)控制，可以用在汽車(chē)、工業(yè)環(huán)境、高速網(wǎng)絡(luò )和低價(jià)位多路連線(xiàn)的應用中。系統還選用了CAN總線(xiàn)收發(fā)器MPC2551，它可作為CAN控制器與物理總線(xiàn)接口，提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收能力。
2 通信模塊設計
2.1 通信模塊硬件實(shí)現
　本系統采用LPC2368內部集成了的CAN控制器和高速CAN收發(fā)器MPC2551配合實(shí)現群控主機和各電梯之間的通信任務(wù)的，CAN模塊由2個(gè)部分組成：控制器和接收濾波器，所有的寄存器和RAM都作為32 bit的字來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。LPC2368的CAN控制器具有如下的特點(diǎn)：2個(gè)控制器和總線(xiàn)；支持11 bit和29 bit的標識符；雙重接收緩沖器和三態(tài)發(fā)送緩沖器；可編程的錯誤報警界限和可讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的錯誤計數器；仲裁丟失捕獲和錯誤代碼捕獲（帶有詳細的位位置）；單次觸發(fā)的發(fā)送（不會(huì )重復發(fā)送）；只聽(tīng)模式（無(wú)應答、無(wú)活動(dòng)錯誤標志）；“自身”報文的接收（自接收請求）[3]。
　LPC2368的接收濾波器有如下的特點(diǎn)：快速硬件實(shí)現的搜索算法，支持大量的CAN標識符；全局驗收濾波器識別所有CAN總線(xiàn)的11 bit和29 bit Rx標識符；允許11 bit和29 bit CAN標識符的明確定義和分組定義；驗收濾波器可以為選擇的標準標識符提供FullCAN-style自動(dòng)接收。
　高速CAN收發(fā)器MPC2551是一個(gè)可容錯的高速CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)接口。MCP2551可為CAN協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合ISO-11898標準，包括能滿(mǎn)足24 V電壓要求。其工作速率高達1 Mb/s。典型情況下，CAN系統上的每個(gè)節點(diǎn)都必須有一個(gè)器件，把CAN控制器生成的數字信號轉化為適合總線(xiàn)傳輸(差分輸出)的信號。它也為CAN控制器和CAN總線(xiàn)上的高壓尖峰信號之間加入了緩沖器，這些高壓尖峰信號可能是由外部器件產(chǎn)生(EMI、ESD和電氣瞬態(tài)等)。
　本系統設計的電路中，2個(gè)二極管D3與D4可有效地抑制傳輸介質(zhì)的浪涌干擾，由于電梯群控系統中存在多個(gè)CAN通信節點(diǎn)，因此本電路中加入了終端電阻跳線(xiàn)JP3，由用戶(hù)靈活地選擇是否在該節點(diǎn)處加入終端通信電阻，本系統設計的CAN通信電路連接如圖1。

2.2 通信協(xié)議及通信軟件設計
2.2.1 CAN總線(xiàn)幀種類(lèi)
　 CAN總線(xiàn)上傳輸的信息稱(chēng)為報文，報文傳輸按照幀結構的不同，通?？杀硎緸槿缦?種不同類(lèi)型的幀：
(1)數據幀:用于發(fā)送單元向接收單元傳送數據的幀;
(2)遙控幀：用于接收單元向具有相同ID的發(fā)送單元請求數據的幀;
(3)錯誤幀：用于當檢測出錯誤時(shí)向其他單元通知錯誤的幀;
(4)過(guò)載幀：用于接收單元通知其尚未做好接收準備的幀;
(5)幀間隔：用于將數據幀及遙控幀與前面的幀分離開(kāi)來(lái)的幀。2.2.2 CAN報文格式
在總線(xiàn)中傳送的報文,每幀由7部分組成，CAN協(xié)議支持2種報文格式，其唯一的不同是標識符(ID)長(cháng)度不同,標準格式為11 bit,擴展格式為29 bit[4]。標準格式幀的組成如圖2所示 。

在標準格式中,報文的起始位稱(chēng)為幀起始(SOF),然后是由11 bit標識符和遠程發(fā)送請求位(RTR)組成的仲裁段。RTR位標明是數據幀還是請求幀，在請求幀中沒(méi)有數據字節。
　 控制段包括標識符擴展位(IDE),指出是標準格式還是擴展格式。它還包括1個(gè)保留位 (ro),為將來(lái)擴展使用。它的最后4個(gè)字節用來(lái)指明數據段中數據的長(cháng)度(DLC)。數據段范圍為0～8個(gè)字節,其后有一個(gè)檢測數據錯誤的循環(huán)冗余檢查CRC段。
　ACK段用來(lái)確認是否正常接收，由ACK槽(ACK Slot)和ACK界定符2個(gè)位構成。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時(shí)正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò )中至少有一個(gè)站能正確接收到報文。
　 報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時(shí)沒(méi)有站進(jìn)行總線(xiàn)存取,總線(xiàn)將處于空閑狀態(tài)。
2.2.3 通信協(xié)議設計
　 由于在CAN總線(xiàn)中，標識符(ID)的大小規定了各節點(diǎn)發(fā)送消息的優(yōu)先級，ID號越小,發(fā)送優(yōu)先級越高，本系統中規定群控主控制器優(yōu)先級最高,因此設為0x01，其他電梯主控制器次之，設為0x11,依次類(lèi)推。
　 本系統消息格式采用：目的ID號+命令+數據字節1+數據字節2＋……+數據字節6的格式，在LPC2368中，存放數據的寄存器是CANRDA、CANRDB，每個(gè)寄存器是4個(gè)字節，因此一條CAN消息最多可存放8個(gè)字節。本協(xié)議中，CANRDA對應目的ID號、命令、數據字節1、數據字節2；CANRDB對應數據字節3~6。
　目的ID號確定消息的發(fā)出源，當目的ID號的內容為0x00時(shí)，所對應的消息是一條由主控制器發(fā)出的廣播消息，各節點(diǎn)均接收并分析。
　命令字節的內容是協(xié)議的核心，由各命令組成，包括狀態(tài)命令、控制命令，通常與數據字節搭配使用。
2.2.4 通信軟件設計
　通信模塊軟件設計，首先要初始化CAN控制器，CAN控制器初始化主要實(shí)現CAN工作時(shí)的參數設置，這些初始化的內容包括：硬件使能CAN、設置CAN報警界限、設置總線(xiàn)波特率、設置中斷工作方式、設置CAN驗收過(guò)濾器的工作方式、設置CAN控制器的工作模式等。初始化結束之后CAN模塊就可以進(jìn)入工作狀態(tài)，進(jìn)行數據發(fā)送和接收。發(fā)送數據時(shí)，首先判斷發(fā)送緩沖區是否空閑，如果有空閑發(fā)送緩沖區則將發(fā)送數據寫(xiě)入該發(fā)送緩沖區內，再啟動(dòng)發(fā)送命令，完成一幀數據的發(fā)送。接收數據時(shí)，讀取接收緩沖區數據，同時(shí)釋放該接收緩沖區，完成一幀數據的接收。數據發(fā)送和接收流程如圖3所示。

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3 其他模塊設計
3.1 液晶顯示模塊
　液晶顯示模塊選用容量為2行16個(gè)字的液晶模塊，每個(gè)字以5×8點(diǎn)陣塊組成。本設計中群控主機對各電梯進(jìn)行監控，通過(guò)液晶顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)電梯的狀態(tài)，包括各電梯的群控狀態(tài)、樓層狀態(tài)、運行方向，同時(shí)對群控主機的各種參數設置也可以很清楚地在液晶模塊上顯示出來(lái)。
3.2 鍵盤(pán)模塊
鍵盤(pán)模塊采用了5個(gè)按鍵實(shí)現對群控參數、模式的設置，這5個(gè)按鍵分別對應為：ESC、UP、DOWN、ROTA、ENT，各按鍵作用如下：ESC為返回鍵，返回主顯示界面；UP為上翻頁(yè)鍵，該按鍵可實(shí)現循環(huán)上選擇菜單。在參數設置中，實(shí)現數字循環(huán)＋1,并實(shí)現ON/OFF、YES/NO、HIGH/LOW之間的切換。DOWN為下翻頁(yè)鍵，該按鍵可實(shí)現循環(huán)下翻頁(yè)選擇菜單。在參數設置中,實(shí)現數字循環(huán)－1，并實(shí)現ON/OFF、YES/NO、HIGH/LOW之間的切換。ROTA為右方向鍵，該按鍵可循環(huán)右移。在參數設置中，實(shí)現光標移位。ENT為確認鍵，在選中某菜單(即菜單在LCD上反白顯示）后，按Enter鍵進(jìn)入菜單，執行相應功能。
4 群控算法設計
4.1 模糊控制概念
模糊控制是建立在模糊集合論基礎上的一種語(yǔ)言規則與模糊推理的控制理論，它將自然語(yǔ)言轉化為計算機所能接受的算法語(yǔ)言,并模擬人的思維方法,對被控過(guò)程進(jìn)行有效的確定性的控制，它利用專(zhuān)家知識獲得各種控制規則,可以很好地處理電梯系統的多目標性、隨機性和非線(xiàn)性[5]。所以本系統采用模糊控制理論來(lái)處理群控中電梯的調度問(wèn)題。
4.2 群控模糊算法設計
　為了有效地調度電梯來(lái)滿(mǎn)足乘梯者的要求，提高乘客的舒適度和總體服務(wù)質(zhì)量，在電梯群控研究和應用過(guò)程中，常常把減少乘客的平均候梯時(shí)間(AWT)、平均乘梯時(shí)間(ART)及能源消耗(RPC)作為評價(jià)標準，因此在算法設計上通過(guò)模糊控制調整各評價(jià)因素(候梯時(shí)間、乘梯時(shí)間、能量消耗等)的權重系數,從而確定最佳派梯方案，進(jìn)而實(shí)現電梯群控的高效性[6]。
本系統將AWT、ART及RPC作為電梯群控的優(yōu)化參數和評價(jià)標準，通過(guò)一個(gè)調度算法判斷出哪部電梯來(lái)響應各廳層召喚。所以構造一個(gè)評價(jià)函數，綜合以上評價(jià)標準，評價(jià)函數如式(1)所示：

本系統實(shí)現了電梯群的高效穩定運行。