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电梯呼梯信号多主结构通信方式设计

电梯呼梯信号多主结构通信方式设计

2008/3/7 15:31:00
[摘 要]基于CAN总线多主结构方式,采用P8XC592单片机和PCA82C250总线收发器设计一种节点控制器,实现电梯信号在机房、轿厢、各层站之间的串行通信。 [关键词]多主结构;电梯;串行通信 1 引言 电梯运行时需要实现控制信号在层站、机房和轿厢之间传输。控制信号主要有层站呼梯、层楼显示、井道位置信号、测速信号。其中呼梯及显示信号随电梯层站数的增加成比例地增加。传统电梯大多采用点对点信号传输连接方式,该方式连线多,控制复杂,抗干扰能力差,系统难于维护。为节省通信线路,提高可靠性,串行通信已逐步应用于电梯之中。目前电梯中串行通信大多采用RS—485标准,这是在RS—422基础上发展起来的主从结构网络,其通信协议简单,价格便宜,但具有如下缺点:数据通信方式为命令响应型,数据传输率低,实时性差;链路层为SDLC协议,错误校验能力不强。主从结构网络上只能有一个主站(机房),其余均为从站(层站和轿厢),一旦主节点出现故障,整个系统将处于瘫痪状态,因而对主节点的可靠性要求很高。 本文基于控制局域网总线CAN,采用多主结构方式实现电梯呼梯信号的串行通信。CAN是一种新型的总线式串行通信网络,为多主工作方式,具有如下特点:CAN网络上任一节点均可在任意时刻发送信息,无主从之分;CAN总线采用非破坏性的总线仲裁,当多节点同时向总线发送报文(Message)时,优先级低的节点主动停止数据发送(仲裁丢失),而优先级高的节点可以不受影响地继续发送数据,优先级最高的节点,其数据等待时间小于134μs;CAN采用短帧传送,每帧信息都有差错校验,可靠性高,直接通信距离最远可达10km,而最高传输速率可达1Mbit/s。由于CAN的多主结构在实时性、灵活性和可靠性方面具有突出的优点,非常适合电梯呼梯信号的通信。 2 系统结构原理 
    电梯系统结构原理如图2—1所示。电力拖动部分主要由变频器、电机、减速机及旋转编码器等装置组成。变频器接收来自机房控制器的控制信号,和旋转编码器的脉冲反馈信号一起构成变压变频速度位置闭环控制,驱动电机牵引电梯轿厢平滑准确地运行和停靠。信号控制部分主要有3种控制器:机房控制器,层站控制器,轿厢控制器,从系统结构原理图可看出各控制器不分主从,以相同的方式与总线连接,均为挂在总线上的节点。各节点都可实时向总线发送信号,并接收总线上的信号。从而实现呼梯和显示信号的串行通信。 3 节点控制器设计 基于CAN总线多主结构,3种控制器作为总线上的控制节点,其传送和接收信号的方式类似,故选用相同的单片机和总线收发器,根据控制信号的多少和种类不同相应地增减接口电路,构成结构类似的控制器。下面以轿厢控制器为例介绍节点控制器的硬件设计,电路原理图如图3—1所示。 
    总线控制器和收发器分别采用Philips公司的P8XC592和PCA82C250。P8XC592是用COMS工艺制造的具有CAN功能的8位单片机,其指令集与80C51完全兼容。PCA82C250是CAN控制器与物理总线的接口,可以提供对总线的差动发送和接收功能,能以1Mbps的速率工作于恶劣的电气环境下。按CAN总线物理层协议,采用双绞线布线。P8XC592与PCA82C250,以及PCA82C250与总线的联接都通过两个串行口互联。P8XC592的P16/CTX0为CAN发送器输出端0,CRX0和CRX1为CAN总线至控制器差分输入比较器的输入端,分别与PCA82C250的TXD(发送数据输入端),RXD(接收数据输出端),Vref(基准电压输出端)相连。P8XC592的P0口经锁存器74LS373接两片8255扩展口,8255(1)的PA,PB,PC共24个端口分别接收轿厢24个内选信号,按下任意一个按钮,通过或非门产生负脉冲经P8XC592的INT0口形成外部中断,之后P8XC592调用中断服务程序依次读入24个端口的信号。当电梯层站数多于24个时,只需增加两片8255即可使控制层站数达到48个。P8XC592通过串口P1.6/CTX0将信号传到PCA82C250的TXD端;P26~P27口输出方向信号,用于点亮上下方向指示灯;P2.0~P2.5接两片译码驱动器MC14495与七段码显示器相连,用以显示层楼数。8255(2)的PA、PB、PC共24个端口分别输出登记记忆信号,用于点亮相应内选记忆指示灯。机房控制器定时发送方向和层站信号,而登记记忆信号则是机房控制器收到呼梯信号后,立即向总线发送。 4 多主结构通信方式 4.1用户通信协议 本设计以24层站电梯为例,采用CAN 2.0A标准,该协议最大优点是废除了传统的站地址编码(如RS—485,它的站地址有5位编码,因而最多只能有32个网络节点),因此CAN没有节点地址的概念,代之以对通信数据块进行编码,支持以数据为中心的通信模式。当电梯层站数不同时,只需要在总线上增减层站控制器的节点数,并对相应的数据帧进行适当的修改。CAN上的节点数主要取决于总线驱动线路,当采用PCA82C250时,最多可达110个,可用于107层以下电梯的控制。 数据帧如图4—1所示,包括7个部分:帧起始,仲裁场,控制场,数据场,CRC序列,ACK场,帧结束。仲裁场包括有报文标识符(11位)和远程发送申请位(RTR);控制场由6位组成,后4位为数据长度码,代表数据场字节数;传输信号每一帧数据长度为16位,低字节设为控制字,高字节用D8到D15 8位编码表示具体层楼数,控制字各位高电平时有效。例如,数据场为0801H,表示轿厢内选信号第8个按钮按下,0802H表示第8层站上行呼梯信号。 
    4.2多主广播方式 CAN总线采用多主结构。总线空闲时,任意节点均可发送数据,其它节点都可接收总线上的数据,解决了RS—485中从节点无法主动与其他节点交换数据的问题。另外CAN只需通过报文滤波即可实现点对点,一点对多点及全局广播等传收方式,无须专门调度。本文用接收码寄存器,接收码屏蔽寄存器实现报文滤波,使机房控制器接收总线上的一切信息,而层站控制器只接收机房控制器发出的信号,并且使不同层站可同时接收机房控制器的数据。这一点非常有用,在机房向各层站发送方向、层楼显示信号时采用广播方式,可极大地节省传输时间,提高传输效率,增强系统的实时性和可靠性。 4.3总线仲裁方式 报文标识符用于提供传送报文和总线访问优先权信息。当多个总线控制器同时发送报文时,为避免冲突需进行仲裁。仲裁期间,每个进行发送的P8XC592都将其发送位电平与监控总线电平进行比较。如果传送的数据和检测到的相同,该节点继续发送,如果发送一个隐性位而监视到一个显性位电平,那么该节点失去仲裁,放弃总线控制权,停止传送信息,P8XC592立即变成总线上较高优先权报文的接收器,而不破坏总线上的任何信息。数据场中的发送数据存贮在发送缓存器数据区中,同时,接收数据帧的数据将被存贮在接收缓存器中。每段报文包括一个唯一的标识符和报文中描述数据类型的RTR位。标识符和RTR位一起定义该报文的总线访问优先权。仲裁期间,标识符的最高位先被发送,而RTR位最后发送。标识符和RTR位对应二进制数据最低的报文具有最高的优先权。11位可以形成2032个不同的标识符,而24层站加机房、轿厢及远程监控机,其节点数总共为27个,采用标识符确定优先权绰绰有余。 4.4差错校验方式 总线采用位校验、位填充校验、循环冗余码校验(CRC)和数据帧格式校验,数据出错概率一般在10-15以下,有效地保证了数据传输的正确性和可靠性。CRC场包括CRC序列和CRC界定符,CRC序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成,适用于位数小于127的帧,接收器以与发送器相同的方法计算CRC。如结果与接收到的CRC序列不相同,则检测出一个错误,检测到错误的节点将发送错误标志进行标定,出错标志从应答界定符后面一位开始发送。错误报文失效,并自动进行重发送。当节点出现重大故障时,可自动关闭总线,即当某一节点出错次数大于一定数量时,可自动退出总线操作,切断该节点与总线上其他节点之间的联系,使总线上其他节点的操作不受影响,使错误节点对总线的干扰降到最低程度。除CRC校验之外,CAN还提供了其他检测措施包括:发送自检、位填充、报文格式检查等,可使未检出的剩余错误概率为报文出错率的4.7×10-11。极大提高系统的可靠性、安全性。 4.5程序设计 机房控制器的集选控制功能程序设计已在参考文献[2]中介绍。由于CAN为多主结构,各节点发送和接收方式类似,下面以轿厢控制器为例,给出程序流程图并加以说明。   
  轿厢控制器主程序流程图如图4—2所示。初始化开中断后,控制器接收机房回传的信息,判断控制字,确定数据内容,分别调用相应的子程序实现显示。当轿厢控制器接收到内选信号,由INT0口产生中断并调用中断服务程序,将8255端口数据读入P8XC592,由PCA82C250在总线空闲时发送,中断服务程序流程图如图4—3所示。  
   5 结束语 采用多主结构控制方式经对一台24层站电梯进行改造,改造前原系统电梯呼梯信号采用点对点传输连接方式,除了端站只需一进一出两根信号线外,其余每个层站都需要二进二出4根信号线,即N1=(N-2)×4+2×2,其中N1为外呼信号数,N为层站数,对应24层站电梯N1为92。相应的轿厢内选
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