（机械电子工程专业论文）基于ram共享的嵌入式系统在电梯控制系统中的应用.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术和网络技术的发展，单片机技术和现场总线技术广泛应用 于电梯控制系统中。利用现场总线技术和单片机技术，结合电梯控制系统本身 的特性，论文主要研究基于r a m 共享的电梯微机控制系统。 根据电梯控制系统的特点，本文提出了一种新型、高效的系统结构。该系 统分主控制器模块、轿厢模块、楼层模块和驱动模块，这四个模块在基于共享 r a m 的方式下通过多分支的c a n 总线结构实现数据的快速通讯。使整个系统简 洁明了，既满足了电梯控制系统复杂的逻辑控制和调速性能，又便于扩展，为 电梯控制系统提供了一个很好的解决方案。 论文中提出了一个通过r s 2 3 2 通讯实现的上位机监控系统，为电梯状态的 实时跟踪和故障的检测提供了一个友善的人机界面。 同时论文中又提出了一个基于容栅测位的电梯测位技术，为实现电梯直接 停靠提供了一种高性价比的实现方案。 最后在系统软件设计上，结合嵌入式系统的设计特点，把面向对象的软件 设计方法运用到嵌入式系统的软件设计中。通过统一建模语言u m l 的运用，为 电梯嵌入式系统软件的实现提供了一种领先的设计方案。 关键字：电梯控制系统，现场总线技术，共享r a m ，c a n 通讯，多分支的c a n 总线结构，容栅测位，统一建模语言u m l 。 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e c o m p u t e r a n dn e t t e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t ，m o n o l i t h i cp r o c e s s o r t e c h n o l o g ya n df i e l d b u st e c h n o l o g ya r eb r o a d l ya p p l i e di nt h ee l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m u s i n gt h em o n o l i t h i cp r o c e s s o rt e c h n o l o g ya n df i e l d b u st e c h n o l o g y , t h ea r t i c l eh a s m a i n l ys t u d i e dt h em a i nc o n t r o l l e r sd e s i g no ft h ee l e v a t o rm i c r o c o n t r o ls y s t e m b a s e do ns h a r i n gr a mc o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e v a t o rc o n t r o l s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m ，ak i n do fn e w - t y p e ， h i g h - e f f i c i e n ts t r u c t u r ei sp u tf o r w a r d w i t h i nt h i ss y s t e ms t r u c t u r e ，t h es y s t e mi s c o n s i s to fm a i nc o n t r o l l e rm o d u l e ，c a rm o d u l e ，f l o o rm o d u l ea n dd r i v em o d u l e b a s e d o nt h es h a r i n gr a m ，t h e s em o d u l e sh a sb e e nb u i l tu ph i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o na n d d a t as h a r i n gt h r o u g ht h em u l t i - e m b r a n c h m e n tc a ns t r u c t u r e t h ed e s i g ni sc o m p a c t i us t r u c t u r ea n ds i m p l ei no p e r a t i o n ，i tf u l f i l st h ec o m p l e xl o g i cc o n t r o la n d1 0 f u n c t i o no fe l e v a t o rs y s t e ma n da l s oe a s yt oe x t e n d ag o o ds o l u t i o ni sp r o v i d e df o r t h ee l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m a nn e we l e v a t o rd i s t a n c em e a s u r e m e n ts o l u t i o ni sa p p l i e di nt h i ss y s t e m i t se a s yt o r e a l i z et h ec a rl a n d i n gd i r e c t l y m o r e o v e r , t h er s 2 3 2s e r i e sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb e t w e e np ca n de m b e d d e d s y s t e mm a k e st h er e a l t i m ee l e v a t o rs t a t em o n i t o r i n ga n dt r o u b l es h o o tc o m e t u r e i t s p r o v i d ea m i a b i l i t yh m i ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) f o re m b e d d e ds y s t e m r e g a r d i n gt h ed e s i g no fs y s t e ms o f t w a r e ，an e ws o f t w a r ee n g i n e e r i n gm e t h o dh a s b e e na p p l i e dt oe l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m t h r o u g ht h ea p p l i c a i o no fu m l ( u n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g e ) ，a na d v a n c e ds o f t w a r er e a l i z a t i o nt o o lf o re l e v a t o rc o n t r o l s y s t c mi so f f e r e d k e yw o r d s ：e l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m ，f i e l db u s ，s h a r i n gr a m ，c a nc o m m u n i c a t i o n ， m u l t i e m b r a n c h m e n tc a ns t r u c t u r e ，g r i dm e a s u r e m e n t ，u m l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者虢多哲呸尹 年月日切哆7 7 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：乡告髟尹 刁年乡月，7 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 作为世界最大的电梯市场和电梯生产国，中国近几年来电梯的产量和市场 需求量一直是呈直线快速上升趋势，其增长速度之快令世界为之震惊。据统 计，2 0 0 3 年全国电梯的销量超过六万台，2 0 0 4 和2 0 0 5 年的销量都超过八万 台。从发展的眼光来看，中国已经是最大的电梯市场，中国在不久的未来，会 成为全世界电梯拥有量最大的国家。 电梯技术的进步与现代高科技俱时共进，从继电器控制到微机控制，正向 着现代化、智能化和人性化方向发展，电梯已经成为现代化城市建设的一部 分。而作为现代电梯“大脑”的控制系统，已采用了最先进的计算机设计和最 先进的控制技术。 随着科学技术的快速发展，以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计 算机技术和通讯技术为基础，强调软件硬件协同性与整合性，软件和硬件可裁 剪，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求的嵌入式系统走进了我们的 生活；嵌入式系统以其实用性、经济型适应了自动化控制水平的发展；从洗衣 机、冰箱、手机、数码相机等日常用品，汽车、轮船和飞机等交通工具，到坦 克、导弹和卫星等军事产品，在我们身边嵌入式系统无处不在。 所谓嵌入式系统是指将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起的系 统。狭义的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似于b i o s 的工作 方式。电梯控制系统可以看作一个将控制内核嵌入整个系统完成控制任务的嵌 入式控制系统。这种系统具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点， 特别适合于要求实时和多任务的体系。与通用型计算机系统相比，嵌入式系统 功耗低、可靠性高；功能强大、性能价格比高；实时性强、支持多任务；占用 空间小、效率高；面向特定应用，可根据需要灵活定制。 将嵌入式系统开发技术引入到电梯控制系统中，可以充分发挥其实时性强 多任务处理功能强大、性价比高等优点。充分缩短产品面市周期、提高产品可 靠性、使产品功能卓著，具有高效特色。 电梯的控制系统随着嵌入式技术的发展，经历了从一位、八位到如今的十 六位和三十二位微机控制。在嵌入式系统中，数据通讯问题成为制约其性能提 第1 章绪论 高的主要因素，而共享r a m 的高速数据通信和共享能力为解决这一问题提供 了可行的技术支持。 随着通讯技术的日新月异，从并行通讯、r s 4 2 2 r s 4 8 5 串行通讯，到如今 现场总线技术已广泛应用于电梯控制系统。现场总线技术是电子仪表仪器计算 机技术和网络技术的发展成果，是工业自动化的发展需要与必然，现场总线使 得现场仪表之间、现场仪表和控制室设备之间构成网络互连系统；实现全数字 化、双向、多变量数字通信，为整个工业系统全数字化运行奠定了基础。 所谓现场总线是指连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双线传输、 多分支结构通信网络；具有三大特点：信号传输数字化、标准统一全开放和控 制彻底分散。常见的现场总线技术有基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) ，l o n w o r k s ( l o n 总线) 现场总线技术，过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i l e db u s ) 、c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k 控制局域网) 现场总线和 h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 高速可寻址远程传感器数据通 路) 等。 迅达和三菱电梯公司都在其新一代产品中采用l o n w o r k s 现场总线技术。 c a n 总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，其直接 通信距离最远可达l o k m ( 传输率为5 k b p s ) ，通信速率最高可达1m b p s ( 传输距离 为4 0m ) ：根据报文的i d 决定接受或屏蔽该报文；报文不包含源地址或目标地 址，仅用标志符来指示功能信息和优先级信息；c a n 具有抗瞬间干扰的能力， 其控制器接口有降低射频干扰的斜率控制；c a n 采用短帧结构，有较强的检错 能力；发送的信息遭到破坏后，可自动重发；c a n 采用非破坏性总线仲裁技 术；节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；由于c a n 具有上述十 分优越的特点，因此被公认为最有前途的现场总线之一。 因此，研究此项课题具有一定的理论意义和实际应用价值。 1 2 电梯控制系统的国内外研究现状 电梯控制系统发展先后经历了继电器控制、p l c 控制和微机控制三个阶 段。近年来，随着计算机技术的发展，微型计算机在工业控制系统中得到了广 泛应用，在现代电梯控制系统中使用计算机控制，使得电梯控制系统体积减 小、更节能、更智能、可靠性更高。电梯控制系统的发展在注重于运行质量提 高与功能完善的同时，也朝着环保、人性化和智能化的方向发展。 2 第1 章绪论 国外先进的电梯公司已经将模糊理论、神经网络、专家系统等方法，应用 于电梯群控系统中。网络的发展，使远程控制和服务系统也成功应用于电梯控 制中，监控系统让我们能随时远程监控电梯的运行与安全。我们与国外先进国 家相比，技术上还有很大的差距，需要我们进一步的努力。世界电梯领域，以 人为本的设计思想，将会使得电梯服务质量越来越好，也成为我国电梯工业技 术发展的方向。随着农村经济的发展，私人住宅中的家用电梯不久将是一个不 可忽视的潜在市场，最近推出的无机房电梯就是在电梯驱动装置及其布置方式 上具有独特风格的一种产品，它把影响建筑整体造型美观和人们居室日照的楼 顶机房去掉了。既节省了建筑空间，又降低了制造成本。虽然目前这种电梯只 适用于低速、低行程的场合，但它代表了电梯技术的一种发展趋势，相信随着 直线电机驱动技术的发展，高速无机房电梯的开发指日可待。 国内的技术起步晚，很多产品都是引进国外先进国家的技术基础之上而发 展的，很多先进的电梯也都是只有少数的国外国际化电梯大公司才能制造，而 我们国家还没有这样的技术领头人，因此与最先进的技术相比，还有一些差 距，需要我们年轻的一代不断努力，开发创新我们自主的知识产权和自主的技 术，不断取得技术进步。 1 2 1 国内情况 目前，国内的控制系统生产商和电梯厂商很多，但很多技术比较落后， 还是采用p l c 控制的系统；其中技术较先进、采用微机控制、产品比较可靠要 数上海新时达电气有限公司、沈阳蓝光自动化技术有限公司和无锡中秀电梯自 动化有限公司这国内三大知名的控制系统生产商，下面就它们的产品特点概括 如下： 上海新时达电气有限公司其主流产品采用3 2 位网络化s m a r t c o m n e t 电梯专 用电脑。该产品具有以下特点： 主板选用a r m 73 2 位主电脑并具有冗余式安全型多电脑结构； 具备超大容量r o m r a m 存储空间； 内嵌t c p i p 宽带上网系统； 内嵌r t o s 实时操作系统； 多路通讯接口( 最多3 个c a n 口、2 个r s 2 3 2 4 8 5 口) ； 抗电磁干扰能力( 4 0 0 0 v 级) ； 3 第1 章绪论 提供自编程( 自编电梯功能) ； 直接模拟速度给定； 支持电脑、掌上电脑和专用操作器调试电梯。 沈阳蓝光自动化技术有限公司的f r 3 0 0 0 系列电梯串行电脑板具有以下功能 特点： 采用高集成度3 2 位双c p u ，提高系统的运算精度和实时处理能力； 采用主从c p u - v 作方式，主c p u 负责信号处理，从c p u 负责系统的实时监 控和安全保护，实现容错和安全监测功能，以提高系统的可靠性； 预留i n t e r n e t 接口、支持绝对编码器； 内嵌故障自诊断专家系统； 采用大屏幕液晶显示器，显示中英文人机对话菜单，实时显示电梯运行曲 线； 采用手持编程器实现参数设置。 无锡中秀电梯自动化有限公司的w p c a n 5 0 0 0 a 电梯控制系统的主要功能 特点如下： 集电梯控制和驱动系统的结合； 采用3 2 位多c p u + d s p 冗余设计，c a nb u s 通讯技术； 距离控制； 闭环矢量控制，提高电梯运行的效率、精度和舒适感； 内置制动单元，节省控制柜空间。 1 2 2 国外情况 国际知名电梯公司当属奥的斯、迅达和三菱这三家跨国公司；德国的奔克 公司和科比公司是欧洲专业电梯控制和驱动控制系统的先导者，以其创新领先 的技术走在电梯控制领域的前沿。以下就瑞士迅达b i o n c 5 控制系统和德国奔克 公司的b p 3 0 4 控制系统的特点简述如下， 迅达b i o n c 5 控制系统的特点： 采用高集成度3 2 位m o t o r o l a 双c p u ： 具备超大容量r o m r a m 存储空间； 4 第1 章绪论 c a nb u s 和迅达专用b i ob u s 通讯技术的结合，既保证高速、可靠的通 讯又降低了系统成本； 通过c h i pc a r d 实现电梯功能和参数按合同的配置；保证生产的标准化， 同时又能按功能灵活配置，简化生产和调试过程； 3 个r s 2 3 2 接口，可提供两台电梯并联之间的信号接口、迅达电梯专用调 试软件c a d i 的p c 接口、掌上电脑接口以及迅达远程监控( t m 4 ) 接口； m m c 接口，可方便快捷地实现软件下载的。 德国奔克公司的b p 3 0 4 控制系统的特点： 采用三个3 2 位工业级微处理器，运行速度和性能都得到了增强； 最高速度可达4 m s ； 最高1 2 8 个层站的双键集选； 最多8 台电梯群控而无需外加群控器。 1 3 常用的电梯控制系统 电梯控制是指对电梯曳引机及开门机的起动、运行、减速、停止、运行方 向和指示显示、层站召唤、轿内指令、安全保护等指令信号所进行的管理。主 要由电动机调速与停站调度两大部分组成。 电梯控制系统是指挥电梯驱动系统调速和调度等功能的电子电气装置的总 称，由驱动控制电路和信号( 逻辑) 控制电路组成的对电梯实施控制的系统。 目前常采用p l c ( 可编程控制器) 或单片机、调速器( a c v v 或a c v f ) 、接触 器、继电器等器件合理配置以实现对整个电梯起动、制动、选层、运行、停靠 以及检修运行、急停等各种功能作控制。 1 3 1p i g 控制 采用p l c ( 即工业标准的可编程控制器) 对电梯进行的一种控制。用户通 过编程将指令图( 梯形图) 写在r o m 或e p r o m 中存储。p l c 对用户程序作周 期性循环扫描，逐条解释用户程序并执行。 p l c 控制具有抗干扰性强、程序可读性强，使用方便的优点；但受到运算 能力差、输入输出( i i o ) 点有限和成本过高的限制。因此，p l c 控制是在淘汰 继电器控制，实现无触点控制的简单易行的过渡取代方法。 5 第1 章绪论 1 3 2 单片机控制 单片机电梯控制是指用单片机作控制器对电梯控制。对采用工业用单片机 的系统其控制系统一般采用两个8 0 3 1 单片机，一片为中央控制机，命名为主 机；一片为呼梯信号和显示信号处理机命名为从机。主从机通过y o 端口交换信 息。 1 3 3 现代电梯控制技术 2 0 世纪9 0 年代末电梯控制技术的新设计概念是由变频、逻辑控制和现场总 线等技术对电梯所实施的控制。 ( 1 ) 单处理器控制 一般指，在电梯速度和位置的调节控制中选用变频调速技术，在运行管理 的逻辑控制中选用简单可靠的逻辑控制单元技术，在信号传递系统中选用串行 通讯技术，并把三种功能统一在一个中央控制器中的控制系统。 ( 2 ) 多处理器分布式控制 多处理器分布式控制是指，对电梯的运行控制信号和召唤信号( 包括轿厢 召唤和层站召唤) 采用多微机分散处理的控制系统。 ( 3 ) 模块化控制 采用多模块( 即多中央处理器) 进行的一种控制，一般分为调速模块、轿 厢模块、层站模块、交通调度模块；所用模块通过现场总线( 一般用c a n ， l o n 等) 联系，且每个模块都有自诊断功能。具有扩展方便，可靠性高且功能 强的特点。因此，采用模块化控制的电梯控制技术是现代电梯控制的方向。 1 4 研究思路及主要内容 本课题从现有的嵌入式系统开发技术、现场总线技术及相关技术和理论出 发，提出基于r a m 共享、多分支c a n 总线结构的电梯嵌入式控制系统的理论构 想。通过深入研究r a m 共享数据通讯原理及应用特色和多分支c a n 总线结构的 现场总线通讯技术，结合计算机控制技术和电子技术，运用模块化的开发理 念，研究并开发一套具有基本功能的电梯嵌入式控制系统。具体的研究思路和 内容如下： 资料收集与整理。收集现有的r a m 应用，多总线共享，c a n 总线技术、嵌 入式系统开发和现代电梯控制的相关技术文献，进行仔细阅读、深入理解；在 6 第1 章绪论 此基础上提出基于r a m 共享、多分支c a n 总线结构的电梯嵌入式控制系统的可 行的理论构想。 共享r a m 与通讯模块开发。首先以半导体静态随机存储器( r a m ) 为基 础，比较深入地研究r a m 共享的结构和工作原理，为研究基于r a m 共享的数 据通讯奠定基础；其次，建立r a m 共享模型并且应用总线仲裁的相关理论( 硬 件仲裁、中断仲裁和令牌仲裁) ，提出r a m 共享的总线仲裁方式，开发出相应 的总线仲裁逻辑；最后，综合r a m 共享的工作原理和应用特色( 多c p u 共享和 并行通信) ，设计开发r a m 共享的数据通讯模块，实现多c p u 之间的高速数据 通信和共享。 多分支c a n 总线结构的开发。首先比较深入地研究c a n 总线技术的基本协 议及其相关通讯和仲裁等工作原理；其次，探讨嵌入式多c p u 控制系统网络化 控制的必要性，研究这一系统组网的网络结构和系统扩展的网络结构，分析所 采用的网络拓扑结构的优缺点，以及所采用的数据交换方式；基于上述理论研 究建立本系统的多分支c a n 总线结构模型，深入研究这一总线结构的通讯方 式，及其在电梯控制系统中的应用。 r s 2 3 2 接口的上位机检测技术。在嵌入式系统中，一般采用计算机作为监 控系统，该技术在嵌入式系统中具有重要的使用价值。上位机采用d e l p h i 语言 编程，首先分析上位机与下位嵌入式系统的通讯机制和方法；其次，研究 d e l p h i 与数据库连接的方式，介绍采用a d o 控件和s q l 语言实现对数据库快 速、方便的操作。 容栅测位技术。首先通过研究容栅传感器的工作原理，分析其误差产生的 原因，并对容栅传感器的精度和可靠性进行分析，论证了容栅传感器在低转速 的测位中的实际应用价值；其次，引入了绝对式容栅编码器，深入研究绝对式 容栅编码器在电梯轿厢测位上的实现方式，提出容栅测位技术在电梯轿厢测位 上的理论构想。 7 第2 章系统结构 第2 章系统结构 本系统采用模块化控制设计理念，将电梯控制系统分为四个模块：控制模 块，轿厢模块，层站模块和驱动模块；系统的硬件组成框图如下： 图2 1 电梯控制系统硬件框图 2 1 控制模块 控制模块是电梯的大脑部分，对电梯进行调配和控制；它包括主控制器 ( 印板) 、机房召回盒、电源模块和控制开关等。对于有机房电梯来说，其位 于机房内：而对于无机房电梯来说，其位于顶层的门框内。 2 1 1 主控制器 主控制器是整个电梯控制系统核心。其主要功能是接收整个电梯系统各个 方面的输入信号，根据系统的状态进行处理，输出相应的处理信号，完成整个 电梯系统的控制。 电梯控制系统中主控制器不仅要完成复杂的逻辑控制，还要实现数据通 讯、数据处理、安全监测及实时响应的功能，根据电梯主控制器的特点，本课 8 第2 章系统结构 题采用i n f i n e o n 公司的1 6 位微处理器x c l 6 4 ，由于x c l 6 4 微处理器具有数据处理 速度快、工作特性稳定、集成化程度高等特性，而且带有两个c a n 通讯口，完 全能满足电梯控制系统数据通信，输入输出信号的快速处理和实时响应的要 求，并且成本较低，可靠性高。 本系统的主控制器由x c l 6 4 中央处理器，2 个c a n 总线通讯模块，2 个 r s 2 3 2 4 8 5 串口通讯模块，电源模块以及轿厢位置编码器、安全回路、机房召 回控制盒e s e 以及主接触器和抱闸等回路的接口组成。 主控制器的系统硬件结构如图2 2 所示。 卜b d 主篙器闸 l 帆枷 静态i o 接口 纠主黼闸 l 一净 d 黼 卜夸 c a n 总线1c a n 总线2 r s 4 8 5 通讯r s 2 3 2 通讯 到轿厢模块到层站模块到驱动模块捌上位机监控 主处理嚣 8 ； x c l 6 4 r s 2 3 2 f 柏5r s 2 3 孙4 8 5 卜一b c a n 通讯横块c a n 通讯模块2 通讯横块1通讯模块2 p ； r a m 共享接口r a m 共事接口r a m 共事接口r a m 共事接口r a m 共事接口 8 p r a m 图2 - 2 主控制器硬件结构图 2 1 2x 0 16 4 0 s 处理器 嵌入式控制应用领域正在快速增长，这对当今微控制器的实时性提出了很 高要求。为了实现复杂的控制算法，就必须能够处理大量的数字和模拟输入信 号，并在规定的最大响应时间内产生正确的输出信号。同时，嵌入式控制应用 通常要求电路板体积小，功耗低、价格便宜。 因此，嵌入式控制应用要求微控制器具备以下功能： 9 第2 章系统结构 提供高度系统集成； 无需额外的外设器件及相关软件开销； 提供系统安全和故障保险机制； 提供有效措施控制( 和降低) 器件功耗。 随着嵌入式控制系统的复杂性日益增长，新型高端嵌入式控制系统对微控 制器提出了更高要求，必须具备比传统8 位微控制器更高的c p u 性能和更强大 的外设功能。 本系统采用i n f i n e o n 公司的x c l 6 4 c s 型单片机作为系统的中央处理器。 英飞凌开发的1 6 位微控制器系列用来满足实时嵌入式控制应用的高性能需 求。其体系架构经过优化，具有更高的指令处理能力，对外部激励( 中断) 的 响应时间更短。将智能的外设子系统集成到系统中，最大程度降低了c p u 对外 设的依赖；也最大程度降低了通过外部总线接口进行通信的需求。该架构具有 高度的灵活性，可满足如汽车、工业控制或数据通讯等不同应用领域的需求。 x c l 6 4 是英飞凌1 6 位单片c m o s 微控制器系列的增强型产品。x c l 6 4 将 功能和性能扩展的c 1 6 6 s v 2 内核、功能强大的片上外设子系统和片上存储器单 元完美结合，有效降低了系统功耗。 高性能的x c l 6 4 具有以下主要特性： 表2 - 1x c l 6 4 的主要特性表 ( 1 ) 五级流水线高性能1 6 位c p u 和m a c 单元 单时钟周期指令执行；大多数指令为单时钟周期指令；零周期跳转指令 多种高带宽的内部数据总线 1 6 m b 线性代码和数据地址空问( 冯诺伊曼体系) 带有堆栈上溢下溢自动检测的系统堆栈缓存 ( 2 ) 高效的控制指令集 增强的布尔位操作，具有6 k b 可直接位寻址地址空间，用作外设控制和用户定义的标 志位 硬件强制中断，用于识别运行时的意外情况 h l l 支持信号最操作和高效数据访问 ( 3 ) 功率管理特性 门控时钟概念，用于改进功耗和e m c ；通过时钟产生单元可编程降低系统的运行速度 1 0 第2 章系统结构 外设的灵活管理，每个设备可以单独被禁用 ( 4 ) 集成的片上存储器 2 1 0 3 片上高速数据s r a m ( d s 洲) ，用于存储变量和堆栈 2 k b 片上高速程序数据s r a m ( p s r a m ) ，用于存储代码和数据 1 2 8 k b 片上程序存储器，用于存储指令或常量( 针对f l a s h 或掩模r o m 系列微控制 器) ( 5 ) 外部总线接口 1 2 m b 用于代码和数据存储的外部寻址空间 总线周期特性可选，以用于5 个可编程地址空间 ( 6 )1 6 级优先级的中断系统 8 0 个具有独立中断向量的中断源，8 组1 5 级优先级 最短内部中断响应延迟为1 3 个周期 外部中断源可编程选择；中断向量表可编程( 起始地址和相邻向量的问隔) ( 7 ) 8 通道外围事件控制器( p e c ) p e c 中断请求等级可编程，传送数目可选择 p e c 结束中断的中断等级可单独设定 c p u 响应p e c 中断请求时保存和恢复系统状态的开销被消除 ( 8 ) 智能片上外设子系统 1 4 通道模数转换器，转换精度( 1 0 位或8 位) 和转换时间( 降至2 5 5 微秒或2 1 5 微 秒) 可编程，支持自动扫描模式和转换通道插入 两个捕获比较单元，每个单元有两个独立的时问基准；在不同的工作模式下可灵活产 生p w m 或记录事件；共包括4 个1 6 位定时器计数器，最大精度f s y s 捕获比较单元用于灵活产生p w m 信号( c a p c o m 6 ) 两个异步同步串行通道( u s a r t s ) 两个高速同步串行通道( s p i 兼容) ，数据长度和移位方向可编程 控制器局域网络( t w i n c a n ) 模块，2 0 ba c t i v e 版本，两个节点独立工作，或通过网 关交换数据，全功能c a n 基本c a n ( 9 )片上调试支持( o c d s ) 片上调试控制器和j t a g 控制器的相关接口 通过j t a g 接口控制的专用d e b u g 指令 0 0 ) 多达7 9 个具有独立位寻址功能的i o 引脚 输入模式三态 推挽或漏极开路输出模式 第2 章系统结构 x c l 6 4 体体系架构概况如图2 3 所示。 x c l 6 4 的内核架构将r i s c 和c i s c 处理器的优点完美结合。其计算和控制 功能由于m a c 单元的d s p 功能而变得更加完善。x c l 6 4 将功能强大的c p u 与 一系列高性能的外设单元集成起来，有效的联接成一个单片机系统。片上存储 器模块带有专用总线和控制单元，用于存储代码和数据。这些特性促成了 x c l 6 4 微控制器的高性能，使其不仅可满足当前的应用，而且也将适用于未来 的工程应用。 x c l 6 4 中还使用了一种l x b u s 总线，用来标识外部总线接口。l x b u s 总线 提供了一种标准化的方法，可方便的将附加的专用外设集成到标准x c l 6 4 系列 芯片中。 图2 3x c l 6 4 功能框图 1 2 第2 章系统结构 2 1 3 主处理器x l6 4 c s 模块 主处理器x 1 6 4 c s 模块的硬件电路如图2 4 所示。 图2 - 4 主处理器x c l 6 4 电路图 主处理器x c l 6 4 模块构成了单片机可运行的最小系统，该模块集成了 i n f i n e o n 公司的x c l 6 4 芯片、晶振电路、外设电源( 5 0 v ) 和内核电源 ( 2 5 v ) 、上电复位电路、芯片的j t a g 开发、调试接口以及必要的芯片引脚滤 波电容。 其中三端稳压器b m l l l 7 2 v 5 提供了单片机所需的2 5 v 内核电压，其低压 差特性允许输入电压在3 5 v 一6 5 v 范围内变化。 电源管理器m a x 8 0 9 为c p u 提供可靠的上电复位功能，其特性如图2 5 所 示。在供电电源达到额定电压v t h 后，它能继续提供1 4 0 m s 至l j 2 4 0 m s 的复位电 平，保证单片机的可靠复位。 该模块中关于共享r a m 的实现，c a n 通讯以及串口通讯的实现将在第三章 关键技术中作详细的论述。 1 3 第2 章系统结构 v h ：复位电压门限 ：复位m l f q = 1 4 0 m s 一2 4 0 m s 图2 5m x 8 0 9 特性曲线图 2 1 4 电源模块 电源模块的主要作用是为主控制回路提供2 4 v 电源和1 2 v 应急电源，一般是 2 4 v 开关电源和1 2 v 应急电池电源组成。2 4 v 开关电源在正常市电情况下为控制 系统提供2 4 v 电源；1 2 v 应急电池电源是在断电情况下，提供轿内应急灯、警铃 和对讲装置的1 2 v 电源。 2 4 v 开关电源可采用s i e m e n s 公司的6 e p l 电源，它的输入电源是1 7 6 v a c 5 5 0 v a c ，能避免现场电源不稳定，特别是零线断开，对电源造成损坏。 主控制板的内部电源分为控制回路电源和安全回路电源两部分。 控制回路电源由2 4 v d c 开关电源输入( p 0 1 ) ，通过d c d c 转换器产生 v c c ( 5 v ) 逻辑电路电源，当有v c c 电源时，5 vl e d 亮。硬件电路如下图： 坷 岱 4 v 6 n 图2 62 4 v 控制回路电源 1 4 第2 章系统结构 安全回路电源( 2 4 v s k ) 由2 4 v d c 产生的递升电源回路；v c c l ( 5 v ) 电 源i 主j 2 4 v d c 输入电源通过d c d c 转换器产生，用于安全回路监控。硬件电路如 下图所示： 0 3 为7 - 茜墨- v 巴 图2 - 72 4 v 安全回路电源 主控制板电源特性见下表： 表2 2 主控制板电源 电源 电压 v d c 】最大电流 m a 】 过载保护短路保护 2 4 v s k 2 4 6 08 0 0 有有 v c c5 5 1 0 0 0有有 v c c l5 5 1 0有有 2 1 5 机房召回盒( r e c ai lb o x ) 机房召回盒的主要作用是供安装、维保、调试人员在一些特定的情况下可 在机房( 控制柜所在的位置) 作检修运行操作，它一般包括急停、检修、上行 和下行四个开关或按钮信号。 t 纷臻钢急箨按链下符4 瓤黥梭修转攘开笑 图2 8 机房召回盒 1 5 第2 章系统结构 2 1 6 控制开关 控制开关由一组断路器( 开关) 组成；一般包括熔丝、电梯电源主开关 ( 带锁) 、控制回路热保护开关、电梯2 2 0 v 照明回路开关( 带漏电保护) 和井 道照明开关( 带漏电保护) 等开关。对于有机房电梯，一般是组成电源控制开 关盒装在控制柜外；而对于无机房电梯，则出于安全和美观的要求，这些开关 装在控制柜内。 图2 9 开关模块 2 1 7 轿厢模块 轿厢模块( 轿厢控制板) 是轿厢电控部件与控制柜之间的接口，轿厢模块 和主控制器模块之间采用c a n 通讯；轿厢模块一般由轿项检修盒、轿厢安全回 路接口、轿厢照明和风扇电源接口、轿顶井道信息接口、操纵箱接口和门机控 制接口等组成。 轿厢控制板的主要任务就是内选功能，内选流程图如图2 1 0 所示： 1 6 第2 章系统结构 图2 1 0 内选流程图 轿厢模块中各接口的功能说明如表2 3 所列。 表2 - 3 轿厢控制板功能表 子模块功能说明 将轿内的呼梯信号、开关门信号和司机控制信号，通过c a n 通讯向主控 操纵箱接口 板发出任务请求；接受主控板发出的显示和控制信号。 包括由主控板通过c a n 通讯输出的控制命令：开门信号，关门信号，慢 门机控制接口 速关门信号；以及门机返回的门状态信号：开门到位，关门到位和关门 力限制信号。 提供门区和轿厢位置信号的输入接口。该信号通过c a n 通讯输入主控 轿顶井道信息接口 板。 轿厢照明和风扇电通过两个继电器来分别控制轿厢照明和风扇电源。实现轿厢照明和风扇 源接u的延时断开。 提供轿厢侧安全回路：安全嵌开关、极限开关、轿门触点、轿厢安全锁 轿厢安全刚路接口 开关和安全窗开关等安全开关的接u 。 1 7 第2 章系统结构 提供轿厢载重的称重接口，分为两种信号：一种为触点信号，包括最小 称重接口 债载、满载和招裁二个触点信号：另一种为称雷佶威器信等棒口 提供轿顶急停、检修、上行和下行四个输入信号的接口。其中急停信号 轿顶检修盒接口 接入安全i 口i 路，检修、上行和下行信号通过c a n 通讯输入主控板。 2 2 层站模块 外召板功能结构比较简单，主要是提供楼层呼梯功能、接收主控信息显示 电梯运行及楼层信息。另外，在基站的外召板提供锁梯钥匙开关、消防返回运 行开关和消防员运行开关这三个特殊功能信号，提供管理人员用钥匙进行锁梯 ( 停止服务) 和在火警发生时，可将电梯紧急疏散到消防基站，可供消防人员 使用电梯。 外召板的流程图如下图所示： 图2 - 1 1 外召流程图 1 8 第2 章系统结构 2 3 驱动模块 本系统的驱动模块的核心是变频器。控制器和变频器之间通过r s 4 8 5 通 讯，通过它给定变频器的运行方向和参考频率。下面就电梯速度控制的方式、 速度控制的实现方法和速度曲线的设计作详细说明。 2 3 1 电梯速度控制的方式 变频器的采用大大方便了电梯的速度控制。目前，v v 、伍电梯控制系统主 要包括主控制器、变频器、曳引机及轿厢。电梯主控制器根据各反馈信号，计 算出速度控制指令输送到变频器，变频器根据速度指令输出变频变压u f 给曳引 机，曳引机带动轿厢从而控制轿厢的位置和速度。为了准确平层，系统必须反馈 轿厢的位置信号。由于位置信号采集方法不同，造成了电梯速度控制方式也各 不相同。 目前电梯速度控制方式主要有以下两种： ( 1 ) 以时间为原则的电梯速度控制方式 采用该速度控制方法的系统大多以磁开关( 干簧管) 作为电梯位置采集工 具，由于磁开关只能准确反映轿厢某一点的准确位置，所以该方法其实是一种 开环控制系统。主控制器根据目标楼层与当前楼层的间距( 各楼层的间距在电 梯自学习时已经存储在主控制器里) 计算出以时间为原则的速度曲线，随着时 间的变化主控制器将相应的速度指令送给变频器。 ( 2 ) 以目的距离为原则的速度控制方式 上述的以时间为原则的速度控制方式必须运行一段爬行距离以达到平层的 目的，主要原因是主控制器不能得到准确的轿厢位置。为了准确平层不得已而 运行爬行速度。以目的距离为原则的速度控制方式是基于对轿厢的位置的准确 采集的基础上实现的，电梯主控制器根据电梯与目标层的距离( 绝对剩余距离) 给出速度指令，最终实现电梯的直接停靠，即无爬行停靠。 2 3 2 以目的距离为原则的速度控制方式实现方法 以目的距离为原则的速度控制方式，是基于对轿厢位置的准确采集及通过 安装绝对值编码器实现的。绝对值编码器通过同步带与轿厢相连，属于直接测 量方式。绝对值编码器可以安装在井道顶部的导轨上，通过同步齿形带与轿厢 连接。也可以安装于轿厢顶部，通过随行电缆与控制器相连接，关于绝对值编 1 9 第2 章系统结构 码器和它的安装方式，详见第三章关键技术中的容栅测位。 由于采用绝对值编码器，能预算出目标距离，再配以高质量的电梯专用变 频器，不但提高了电梯的运行效率而且使电梯的运行舒适性相当好。 图2 一1 2 目的距离原则控制原理图 以目的距离为原则的速度控制方式采用的原理图如图2 1 2 所示。图中，旋 转编码器实时反馈速度给变频器形成局部速度闭环，目的也是为了使得曳引机 的转速能更好的跟踪主控制器的速度指令。驱动模块负责接收主控制器传输过 来的目标距离信号，根据目标距离原则计算出速度指令发送至变频器。 2 3 3 理想目的距离一速度曲线的设计 由图2 1 2 的原理图可知，当前全部任务落在主控制器联合驱动控制模块根 据轿厢绝对位置计算出速度指令给变频器。也就是根据行驶的目的距离不同设 计出不同的位移一速度1 ，r 砂曲线，j 表示轿厢位移，v 表示理想速度，当然曲线 并不是随意设计的，必须考虑到电梯运行的快速性与舒适性，所以在设计理想 位移一速度1 ，r 砂曲线时，最终还是要回到时间一速度vr 砂曲线的设计上。当前 在实际应用的时间一速度曲线主要有多段速、抛物线及正弦曲线。正弦曲线由 于其加速度变化率只有在电梯启动与制动时有突变，舒适性较好，是较为理想 的速度曲线。 为此，以，利厂1 一c o sf ，0 】作为基础，它的曲线如图2 1 3 曲线1 所示，它 与横轴所包含的面积2na ( i ) 表示运行该曲线所走过的距离，该距离为最短距 离l m i n ，因此，l m i n 必须小于最小楼层问距。欲行驶的距离l 不同时，所运行 的曲线也各不相同。各种情况也如图2 1 3 所示。 第2 章系