适用于多梯群控系统的主控制器设计与实现

1 引言 传统的电梯控制系统各楼层与控制器之间采用点对点的连接方式，使得电梯的安装、维护比较麻烦，通用性差，给生产带来许多不便。随着计算机硬件、软件技术和集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大的进步，突出表现为现场总线技术的大量运用。它的出现给自动化系统的最终用户带来了许多实惠和方便。 根据电梯系统的特点，本研究提供一种利用现场总线之一“CAN总线”的基于DSP TMS320LF2407A的新型、先进的电梯群控系统主控制器，它既可作为单梯主控制器又可作为群控系统运算器。 2 主控制器的结构及其原理 本电梯控制系统采用分布式控制技术，采取的技术方案是主控制器扩展了三路CAN接口。三路CAN总线的设计使分布式总线网络结构设计更加合理化，使CAN总线通信具有更高安全性能。第一路CAN总线用于群控系统与各个单梯控制器之间的通信，第二路CAN总线用于单梯主控制器与各层站呼梯控制器的信息交换，第三路CAN总线用于单梯主控制器与轿厢控制器、语音报站控制器的信息交换。另外单梯主控制器集成有RS-485、USB、SPI、以太网口、通用I/O接口等。RS-485接口用于嵌入式系统与液晶显示器之间的通信，通过液晶显示器查看电梯所有的实时工作状态，动态设置电梯主控制器内存变量，修改电梯运行方式；USB口用来与PC机通讯，在没有液晶显示器的情况下使PC机能直接访问嵌入式系统的内核，修改电梯各种运行变量值，并可进行故障诊断 ；SPI接口外接EEPROM，用于数据的掉电保存；以太网接口用于PC机与嵌入式系统的通讯，并有效实时远距离传输电梯运行数据，实现小区监控及电梯远程网络管理。 3 硬件设计 3.1 信号采集与处理部分 信号采集与处理硬件原理图如图1所示。 图1 主控制器核心电路原理图 3.1.1 DSP+CPLD架构 根据系统要求，主控制器必须有很高的信号处理能力，经过多次试验论证，我们决定采用DSP+CPLD的架构。嵌入式微处理器技术和复杂可编程逻辑器件技术有效的结合，使得主控制器具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，硬件设计像软件一样通过编程来修改，这样就极大的提高了设计的灵活性和通用性，并且实现了系统硬件的高度集成，提高了运行速度和可靠性。 其工作原理是核心处理器为DSP，它负责将采集的信号进行运算和处理。CPLD主要是接收来自DSP的总线信息，并将总线信号进行逻辑再处理，扩展DSP的I/O口，用于输出控制。CPLD还负责DSP与外部器件的在总线上的信号转换。 3.1.2信号的采集与通讯 由于系统采用三路CAN总线技术方案，而DSP只集成有一个CAN接口，所以主控制器还要扩展两路CAN总线接口。采用的解决方案是通过板级集成CAN通信控制器SJA1000来实现。本系统采用模拟SJA1000时序方法进行DSP与SJA1000配合操作。SJA1000的ALE信号由DSP的一个I/O口来模拟。地址线与数据线的分开用到锁存器件由CPLD来完成。DSP对SJA1000操作时首先ALE信号高电平有效，然后地址信号A0~A7有效，然后ALE信号变低，接着读（写）信号有效，然后数据D0~D7有效。 主控制器集成有标准RS-485协议的串口，专门用于与液晶显示器或PC机间的通讯。485接口是通过DSP的SCI口外接MAX485接口芯片，将SCI串口消息变成标准RS-485协议信号的。 电梯运行时通过计算光电编码脉冲来判断轿箱运行的位置。DSP芯片集成有正交编码输入接口，直接与光电编码器相连，自动计算脉冲数。 3.1.3 数据的掉电保存： 系统采用串行8*8K位的EEPROM X25650作为存储单元，当系统掉电时，用于保存数据。DSP与X25650的连接是采用串行外设接口SPI连接的。系统采用IMP809L芯片作为系统的电源监控单元。IMP809L正常工作状态输出高电平，一旦发现电压低于5V电压值，芯片输出口立即给出一个低电平脉冲信号。DSP专门有一I/O口监测此信号，发现为低，马上将数据写入EEPROM X25650芯片。保存数据完毕后，输出控制信号使电梯停止运行。 3.2数据接口模块 本控制器集成有网络接口与USB接口。通过USB接口芯片CH371，主控制器可以直接与PC机相连，通过PC机实时显示电梯运行状态，主控制程序的各个内存变量值，并可实时修改。通过USB口，PC机还可以对主控制器进行自动故障诊断，及时报警，及做一些内存变量恢复工作，保证电梯的运行。本控制器具有远程网络监控功能，通过RTL8019实现网络数据通信。在远程控制室就能通过Internet实时显示电梯各种运行参数，自动检测电梯故障，并预警，这样可大大缩短故障停梯时间，实现管理自动化，提高服务质量。 主CPU与网络接口芯片RTL8029、USB接口芯片CH371的电路连接原理图如图所示： 图2 数据接口电路原理图 选择网络控制芯片的8位I/O内存映射模式，也就是说只需要用到DSP的5位地址线和8位数据线，就可以访问网络控制芯片的32个内部8位寄存器，然后通过这32个8位寄存器来访问网络控制芯片的16KB内部SRAM。CH371是一个USB总线的通用接口芯片。在本地端，CH371具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到DSP控制器的系统总线上。在计算机系统中，CH371 的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与单片机通讯就如同读写硬盘中的文件。CH371 屏蔽了USB 通讯中的所有协议，在计算机应用层与本地端单片机控制器之间提供端对端的连接。 4 主控软件设计 从电梯运行的控制智能化角度讲，要求电梯有优质的服务质量。控制程序中应采用先进的调度规则，使群控管理有最佳的派梯模式。现在的群控算法中已不是单一地依赖“乘客等候时间最短”为目标，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统的方法，将要综合考虑的因素（即专家知识）吸收到群控系统中去。在这些因素中既有影响乘客心理的因素，也有对即将要发生的情况作评价决策，是专家系统和电梯当前运行状态组合在一起的多元目标控制。当一有召唤被各个单梯主控制器登记时，各单梯控制器初步计算要响应的楼层，再发给群控运算控制器，群控运算控制器根据所有单梯当前的运行状况利用遗传算法对客流交通模式及派梯规则进行优化，实现电梯调度规则的进化，以适应环境的变化。“以人为本”设计的电梯控制系统，将会使电梯的服务质量越来越好。 在该软件设计中利用遗传算法完成电梯乘客的分配调度：将该电梯的路线编码到可选择的染色体中，关于乘客和电梯厢体的所需的数据存储在该染色体的基因中，通过遗传算法，选择最佳染色体，并且将乘客引导到所选择的电梯厢体中，并且引导所选择的电梯厢体对于被考虑的乘客提供服务。 5 设计中的抗干扰讨论 通过对这套系统反复的试验与研究，我们采取了一套强有力的抗干扰措施来确保电梯的安全、可靠运行。 硬件上，在主控制器的供电电源部分采用DC/DC模块，以隔离外部的地线，并在DC/DC模块的输出端采用π型滤波电路，以抑制高频与中频干扰，为控制器提供一个稳定纯净的电压源；对于信号接口部分，都使用了光电隔离器件，并加有滤波电容退耦；在主控制器上，加有硬件看门狗电路，防止主控制器非法的死机。软件上，对于开关量信号的输入，采用软件去抖动处理，以消除干扰引起的误操作；对于通讯信号的处理，采用严格的通讯协议，对信息进行编码及奇偶校验，以保证信息的正确发送与接收；另外，我们也采取了如设置软件陷阱、重要数据备份以及软件冗余等措施，有效防止主程序的死机发生。 6 结束语 本控制器采用先进的大规模集成电路设计，并且可通过CPLD根据需要修改控制器上的硬件设计，实现了硬件软件化，具有高的性能价格比和可靠性。该控制器功能强大，集成有多种数据接口，是未来电梯控制系统发展的趋势。这一电梯微控制器研制成功及使用，对电梯及其它相关设备的电器改造具有较大的意义，尤其大大提高我国电梯与国外电梯的竞争力，具有深远的影响。 参考文献： [1]刘和平,严利平,张学锋. TMS320LF240X DSP结构、原理及其应用[M].北京：航空航 天大学出版社，2002. [2]宋万杰,罗丰吴,顺君. CPLD技术及其应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社，1999. [3]饶运涛,趋继军,郑勇芸．现场总线CAN原理与应用技术[M]．北京：北京航空航天大 学出版社，2003． [4]王洪荣，全书海．基于DSP和CPLD的电梯控制系统设计[J]．中国电 梯,2004,15(9):7-10.