基于基于CAN總線和MCU實現(xiàn)數(shù)字化電梯系統(tǒng)的應(yīng)用方案

1 引言

國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展， 現(xiàn)代化程度日益提高，高層建筑愈來愈多， 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(shè)備之一。國內(nèi)傳統(tǒng)的電梯控制一是由繼電器、接觸器構(gòu)成。它不僅存在著可靠性差、成本高、故障率高等缺點，而且在層數(shù)增加時，配線變化給制造及安裝帶來諸多不變。若用微機來控制電梯具有許多優(yōu)點，進而數(shù)字化電梯控制系統(tǒng)是發(fā)展的必然。數(shù)字化最大的優(yōu)點之一是在信號的傳輸方面， 而且同時也將交換的功能聯(lián)系在一起， 視頻信號、音頻信號、計算機數(shù)據(jù)都利用0、1 二進制代碼在同一網(wǎng)絡(luò)里傳輸和交換，這種以數(shù)字化為共同語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，使得整個系統(tǒng)更加有效。本文旨在開發(fā)數(shù)字化電梯系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中，以C167CS微控制器為基礎(chǔ)，開發(fā)了數(shù)字化電梯系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(yīng)電梯運行的控制器。它負(fù)責(zé)與各轎廂控制器、層站控制器相互通訊， 并發(fā)送控制指令來控制相應(yīng)電梯的運行。通過采集到的各個電梯的狀態(tài)及廳外呼叫來決定指派最優(yōu)的電梯來進行工作。主控器控制變頻器進行調(diào)速控制; 接收旋轉(zhuǎn)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(shè)備相聯(lián)接，以進行電梯的監(jiān)控與調(diào)試。

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

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

通訊模塊： 采用CAN總線多主結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)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(yīng)的LED 顯示。

系統(tǒng)工作原理： 各個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， 主控器根據(jù)這些信號及相應(yīng)的群控算法選擇最優(yōu)的電梯進行響應(yīng)，結(jié)合專用線路上的安全信號、旋轉(zhuǎn)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機的動作， 并將轎廂的位置信號發(fā)送到CAN總線上。顯示模塊則相應(yīng)地進行LED顯示。在數(shù)字化電梯系統(tǒng)的設(shè)計中關(guān)鍵部分是主控器中的群控算法及CAN總線通信的實現(xiàn)， 下面詳細(xì)介紹此兩部分的具體實現(xiàn)。

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時鐘頻率最高可達40MHz ， 片內(nèi)ROM128K/256 K，片內(nèi)RAM11K，尋址能力16M。采用4 級流水線，有56個中斷（16個優(yōu)先級） ，外設(shè)事件控制器PEC ，32 通道比較/ 捕捉單元，2 個通用定時器單元， 以及4 通道的PMW。多通道10位的A/D轉(zhuǎn)換口，C167的I/O 接口多達111個，其串行I/ O接口有同步/異步接口UART、高速同步接口SSC。同時擁有CAN總線通信控制器模塊， 可以支持高速串行通信協(xié)議CAN2.0B ， 即支持標(biāo)準(zhǔn)（11位ID） 和擴展（29位ID） 的通信協(xié)議?？?a target="_blank">編程外部總線可對不同地址范圍進行不同的設(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)圖。

C167CS 作為此C166的第三代產(chǎn)品， 允許使用高級語言對系統(tǒng)進行開發(fā)， 擁有高達16MB的尋址空間， 11KB的內(nèi)部RAM（隨機存取存儲器） 和128KB 的內(nèi)部ROM（只讀存儲器） ， 并且能夠?qū)κ褂猛獠靠偩€的各類資源進行更系統(tǒng)的管理。

4 電梯系統(tǒng)的設(shè)計

4. 1 電梯控制算法實現(xiàn)

在傳統(tǒng)的電梯群控制系統(tǒng)設(shè)計中， 通常只要滿足一個性能標(biāo)準(zhǔn)，如：最佳速度、位置和最小時間等，就實行電梯的調(diào)度，這必然存在其局限性。由于傳統(tǒng)算法的局限性，同時要滿足多個目標(biāo)是很困難的。將專家知識與經(jīng)驗規(guī)則運用到電梯系統(tǒng)中， 可以很好地提高電梯的性能。

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

在實際的電梯系統(tǒng)中， 同時考慮以下的限制條件： ①若有乘客在轎廂內(nèi)，那么電梯不能響應(yīng)相反的方向; ②每個電梯都有最大的承載能力， 若滿載， 則電梯需直通，不響應(yīng)外部呼叫; ③每部電梯是在一個恒定的速度下運行; ④每部電梯必須響應(yīng)內(nèi)呼。針對以上的目標(biāo)，提出了基于等待時間、乘梯時間、乘客數(shù)量、停站次數(shù)和相對距離等5個參量的加權(quán)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 An then Yis Bn

式中， R1 ， R2 ， 。 . 。 . 。 . ， Rn 是指n 條模糊規(guī)則，X1 ，X2 ， 。 . 。 . 。 ，Xn 是指系統(tǒng)的輸入，而Y是指系統(tǒng)的輸出，A1 ，A2 ， 。 . 。 . 。 . ，An 和B1 ，B2 ， ， 。 . 。 . 。 . ，Bn 是系統(tǒng)的模糊變量。

對于每個單輸入———單輸出系統(tǒng)的輸出值，求其加權(quán)值的和， 進而得到整個系統(tǒng)的輸出值， 可以表示如下：

Y= W1B1 + W2B2 + .+ WnBn （1）

式中， W2 ， W2 ， 。， Wn 為各條規(guī)則的權(quán)值。此模型的具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

對于n 部電梯，則有n 個輸出值Y1 ，Y2 ，。 . 。 . 。 . ， Yn ， 而最終系統(tǒng)選擇max（y i） { i = 1 ， 2 ， 。 . 。 . 。 . ， n} 作為輸出，即選派此電梯來響應(yīng)召喚。選擇各個參量相應(yīng)的隸屬度函數(shù)和輸出參量的隸屬度函數(shù)及相應(yīng)的權(quán)值，經(jīng)過模糊算法即可實現(xiàn)電梯的調(diào)度。

4. 2 CAN通訊的實現(xiàn)

CAN 是一種新型的總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有突出的實時性、靈活性和可靠性等優(yōu)點， 可以很好地解決通訊問題。CAN通信具有如下的特點：CAN網(wǎng)絡(luò)上的任一節(jié)點均可在任意時刻發(fā)送信息，同時接收總線上的信息，無主從之分; 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求， 當(dāng)多點同時向總線發(fā)送報文時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，增強了網(wǎng)絡(luò)的實時性; 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(yuǎn)10 km，速度可達1 Mbit/ s?？梢?，由于CAN的多主結(jié)構(gòu)在實時性、靈活性、可靠性等方面具有的突出優(yōu)點， 非常適合電梯呼梯信號的通信。

4. 2. 1 CAN接口設(shè)計

為了實現(xiàn)基于CAN的數(shù)據(jù)通信， 必須將各控制器的輸入、輸出轉(zhuǎn)化為CAN標(biāo)準(zhǔn)。由于微控制器本身都帶有兩個CAN模塊，因此只需選擇CAN收發(fā)器即可。CAN總線的收發(fā)器采用 TJA1040 ，它是完全符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的控制器局域網(wǎng)CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口， 速度可達1Mbaud。它有優(yōu)秀的EMC性能，而且在不上電狀態(tài)下有理想的無源性能，它還提供低功耗管理，支持遠(yuǎn)程喚醒。C167CS上的CAN模塊通過一條串行數(shù)據(jù)輸出線（CAN- TxD）和一條串行數(shù)據(jù)輸入線（CAN-RxD） 連接到收發(fā)器。而收發(fā)器則通過它的兩個有差動接收和發(fā)送能力的總線終端CANH和CANL連接到總線線路， 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的實際通信是由硬件來自動實施的，硬件是按信息幀格式（主要有數(shù)據(jù)信息幀和遠(yuǎn)程信息幀） 來傳遞數(shù)據(jù)的?？偩€傳送數(shù)據(jù)按信息幀來傳送， 幀與幀之間由3個分離位來分離， 沒有信息幀時，總線則處于空閑時間。數(shù)據(jù)信息幀的格式如圖4 所示（擴展模式） 。

4. 2. 3 CAN控制實現(xiàn)

本系統(tǒng)中， 各控制節(jié)點信號傳輸時以擴展數(shù)據(jù)幀格式打包，以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳輸。幀起始部分發(fā)送節(jié)點標(biāo)識符并與其優(yōu)先級相對應(yīng)，其值越小，優(yōu)先級越高，總線依據(jù)節(jié)點標(biāo)識符進行仲裁，以協(xié)調(diào)對網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的訪問。當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時， 優(yōu)先權(quán)低的節(jié)點會主動退出發(fā)送， 而優(yōu)先權(quán)高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)場中的發(fā)送數(shù)據(jù)存貯在發(fā)送緩存器的數(shù)據(jù)區(qū)中，而接收的數(shù)據(jù)則被存在接收緩存器中。

主控制器CAN節(jié)點發(fā)送的是指派相應(yīng)最優(yōu)電梯轎廂運行方向和周邊設(shè)備的啟動信號;接收的數(shù)據(jù)是樓層召喚、轎內(nèi)信號、門系統(tǒng)信號及稱重信號等。樓層CAN節(jié)點發(fā)送的j 是樓層召喚信號;接收的是轎廂運行方向和相應(yīng)的樓層。轎廂CAN 節(jié)點發(fā)送的是轎內(nèi)信號; 接收的是轎廂運行方向和樓層信號。

在系統(tǒng)中，主控制器有最小的標(biāo)識符，其余各控制器的優(yōu)先級依重要性排列。CAN節(jié)點接收與發(fā)送數(shù)據(jù)均通過中斷執(zhí)行，在進入中斷服務(wù)程序后，根據(jù)中斷標(biāo)志轉(zhuǎn)入接收中斷、發(fā)送中斷、出錯中斷和喚醒中斷。各節(jié)點設(shè)置節(jié)點狀態(tài)字，主控制器定期查詢其他節(jié)點狀態(tài)字， 如發(fā)現(xiàn)有狀態(tài)故障， 則系統(tǒng)報警， 并進行相應(yīng)處理并恢復(fù)，使系統(tǒng)返回正常工作。

5 結(jié)論

系統(tǒng)中的電梯群控算法采用基于多規(guī)則加權(quán)的模糊控制算法， 提高了系統(tǒng)的運行效率。基于CAN總線的多主結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)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時共享， 利于實時控制， 同時使整個系統(tǒng)有良好的擴展能力。串行通信的使用簡化了傳統(tǒng)電梯通信的信號線， 大大方便了安裝與維修， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。高性能微控制器的使用，也使系統(tǒng)的靈活性與可靠性得到了加，有良好的推廣價值。

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