（控制理论与控制工程专业论文）多电梯远程监控系统设计与实现.pdf

硕士论文多电梯远程监控系统设计与实现 摘要 电梯远程监控系统( r e m o t ee l e v a t o rm o n i t o r i n gs y s t e m ，r e m s ) ，是指某个区域 ( 一幢大楼，一群大楼，一个小区，一个城市等) 中安装多部电梯后，对这些电梯进 行集中远程监控，并对这些电梯的数据资料进行管理、维护、统计、分析、故障诊断 及救援。其目的是对在用电梯进行远程维护，远程故障诊断及处理，故障的早期诊断 与早期排除，以及对电梯的运行性能及故障情况进行统计与分析，以利于不同部门利 用该系统进行有效的监控与管理。 目前电梯远程监控系统主要存在的问题是因为不同厂家的不同标准而产生的监 控系统开放性相对较低，因而对系统的标准化提出了更高要求。针对这些现状，本文 以开发适用于不同厂家不同型号电梯的远程监控系统为目的，融合多种技术，提出由 终端控制器、传输网络和监控平台组成的电梯远程监控系统的设计方案。 文中对终端控制器的开发与设计进行了详细论述，硬件上以a r m 微控制器 l p c 2 3 7 8 为核心，外扩r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、m o d e m 、u s b 以及双以太网接口，以实现 对不同电梯接口的数据采集；软件上设计了功能接口程序、多协议接口转换程序，制 定了统一的网络协议，实现了电梯监控数据的标准化。同时具体介绍了监控平台上动 态数据交换、电梯运行状态实时监控、w e b 发布等功能的设计与开发。并最终给出了 系统的调试结果。 本文构建的多电梯远程监控系统对组建区域性多电梯监控系统、推进电梯监控系 统标准化有重要的实际意义。 关键词：电梯远程监控嵌入式系统协议转换监控软件组态软件 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t r e m o t ee l e v a t o rm o n i t o r i n gs y s t e m ( r e m s ) c o n t r o l sa n dm o n i t o r se l e v a t o r si n s t a l l e d w i t h i nac e r t a i nf i e l d ，i na b u i l d i n g ，i nad i s t r i c t ，e v e ni nac i t y i tp r o v i d e sd a t am a n a g e m e n t ， m a i n t e n a n c e ，s t a t i s t i c s ，a n a l y s i s ，f a i l u r ed i a g n o s i sa n da s s i s t a n c ef o rt h e s ee l e v a t o r s i ta i m st o p e r f o r mr e m o t em a i n t e n a n c e ，r e m o t ef a u l td i a g n o s i sa n dh a n d l i n g ，e a r l yf a i l u r ea n a l y s i sa n d e a r l yt r o u b l e s h o o t i n g ，a sw e l la st h es t a t i s t i c sa n da n a l y s i sf o re l e v a t o ro p e r a t i n gp e r f o r m a n c e a n df a i l u r ec o n d i t i o n s a n di ts e l e c t sr a t i o n a lo p e r a t i o np l a nb a s e do np r o p e ra n a l y s i st o f a c i l i t a t et h ee f f e c t i v em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n to fd i f f e r e n td e p a r t m e n t s n o w a d a y st h em a j o rp r o b l e mo fr e m si si t so p e n n e s si sr e l a t i v e l yl o w , w h i c hi sc a u s e d b yd i f f e r e n ts t a r d a r d su s e db yd i f f e r e n te l e v a t o rm a n u f a c t u r e r s ，s ot h e r e i sam u c hh i g h e r d e m a n do ns y s t e ms t a n d a r d i z a t i o n b a s e do nt h ed e s i g n & i m p l e m e n to ft h i sr e m s ，w h i c hi s a p p l i c a b l et od i f f e r e n tt y p e so fe l e v a t o rf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r s ，c o m b i n e d 谢n 1v a r i o u s t e c h n i q u e s ，t h i s a r t i c l e p r o p o s e s ar e m ss o l u t i o n c o m p o s e do f t e r m i n a l c o n t r o l l e r , t r a n s m i s s i o nn e t w o r ka n dm o n i t o rp l a t f o r mt os o l v ec u r r e n tp r o b l e m t h e r ei sad e t a i ld e s i g ns p e c i f i c a t i o no ft h et e r m i n a lc o n t r o li nt h i sa r t i c l e h a r d w a r e a r c h i t e c t u r ei sa sf o l l o w i n g a r mm i c r o e o n t r o l l e rl p c 2 3 7 8i st h ec o r ec o n t r o l l e re x t e n d e d w i t l lr s - 2 3 2 、r s - 4 8 5 、m o d e m 、u s ba n dd u a le t h e m e tp o r tt oc o l l e c td a t af r o md i f f e r e n t e l e v a t o ri n t e r f a c e s o ns o f t w a r e ，f u n c t i o ni n t e r f a c ep r o g r a ma n dm u l t i - p r o t o c o li n t e r f a c e c o n v e r s i o np r o g r a ma r ed e s i g n e d b e s i d e s ，u n i f i e dn e t w o r kp r o t o c o la n ds t a n d a r dm o n i t o r d a t af o r m a ta r er e a l i z e d a l s ot h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h em o n i t o r i n gp l a t f o r ma l e i n t r o d u c e d ，s u c ha sd y n a m i cd a t ae x c h a n g e ，r e a l t i m em o n i t o r i n go fe l e v a t o rr u n n i n gs t a t u s a n dw e bp u b l i s h i n gf u n c t i o n ，e t c s y s t e md e b u g g i n gr e s u l t sa l el i s t e di nt h ee n d t h em u l t i p l ee l e v a t o rr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mp r o p o s e db yt h i sa r t i c l eh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ef o ra c t u a lr e g i o n a lr e m sa p p l i c a t i o na n dp r o t o c o ls t a n d a r d i z a t i o no fe l e v a t o r m o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：e l e v a t o r , r e m o t em o n i t o r & c o n t r o l ，e m b e d d e ds y s t e m ，p r o t o c o lc o n v e r s i o n , m o n i t o r i n gs o f t w a r e ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：重擞 z 妒9 年月五日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：乏馥馊 乡伽7 年6 月凡日 硕士论文 多电梯远程监控系统设计与实现 1 绪论 1 1 背景介绍 近年来，随着计算机技术和通讯技术的发展以及互联网应用的普及，通过专用网络 进行数据传输在各个领域的应用已日益广泛，电梯的远程监控技术便是其中一例【l 】。电 梯远程监控系统( r e m o t ee l e v a t o rm o n i t o r i n gs y s t e m ，r e m s ) ，是指某个区域( 一幢大 楼，一群大楼，一个小区，一个城市等) 中安装多部电梯后，对这些电梯进行集中远程 监控，并对这些电梯的数据资料进行管理、维护、统计、分析、故障诊断及救援。其目 的是对在用电梯进行远程维护，远程故障诊断及处理，故障的早期诊断与早期排除，以 及对电梯的运行性能及故障情况进行统计与分析，并在分析的基础之上选择合理的运行 方案1 2 1 。总之安全可靠、运行稳定、界面友好、管理便捷已日益成为如今电梯监控系统 发展的主流方向。 1 2 国内外研究现状3 i 目前，我国的电梯业发展迅速，据统计近几年来全行业共生产各类电梯数十万台， 且每年都在递增，2 0 0 8 年年产量达到2 4 3 1 万台。同时出现了一批专业化配套件生产企 业。目前国内对电梯的维护与管理主要采用的是定期上门保养，发生故障时电话召修的 传统方式，但这种方式越来越不适应时代的发展要求，原因有： ( 1 ) 电梯的数量增多，维修人员少，不能及时赶到故障电梯的现场。 ( 2 ) 电梯内缺乏有效的通信工具，维修部门既不了解故障现状又不能提供必要的安 抚，使被困人员承受着巨大的身心压力。 ( 3 ) 不能及时地提供对电梯日常运行的记录和监测资料，增加了分析与排除故障的难 度，大大延长了维修的时间。电梯的远程监控技术正是基于以上原因而出现的，电梯远 程监控技术是随着计算机控制技术和网络通信技术的发展而产生的电梯控制领域的前 沿技术。 1 2 1 国内外现状及存在问题 目前国外的大型电梯企业都有了成熟的电梯远程监控系统，例如蒂森公司的远程监 控系统具有控制电梯的功能，能检测和识别滥用或者误操作紧急呼救功能，能较好的掌 握电梯的运行情况，并进行分析与处理，转化为图表来显示各行驶方向和每层楼的呼叫 次数，呼叫与事件处理曲线等；自动故障报警，该系统可以同时监控电梯，自动扶梯以 及楼内其它设备：但是该系统仅适用于蒂森公司的电梯和扶梯。奥的斯公司的远程监控 中心( r m e ) 是奥的斯公司自行开发的电梯监控系统，具有分级报警的功能( 乘客被困报 警，自动故障报警和电梯运行表现报警) 。r m e 系统自动发出电梯服务中断的讯号，显 l 1 绪论硕士论文 示地点，性质，问题以及乘客的状况资料，当电梯运行表现不符合预定的界限时，系统 发出偏差信号。k n o e 公司的e m c 监控指令系统通过m o d m e 和标准电话线实现电梯 和自动扶梯的远程实时监控，具有较好的运行数据库管理分析功能，可以将指定时间段 内的数据转化为直观形象的图表；具有独特的运行记录回放功能，有助于故障查询诊断 【4 卅。以上这些电梯远程监控系统相对来说都具有一些代表性，是国外的电梯远程监控 比较常见的方式，这些系统普遍的特点就是专用性很强，开放性、通用性与其功能发展 程度不相匹配，无法支持其他公司的电梯系统。这种现状也大大增加了监控系统区域运 营的成本。 在国内，已经有了关于电梯远程监控的研究。但起步较晚，具有自主版权的成熟的 产品也比较少。由于电梯远程监控系统是涉及到电梯控制、计算机控制、现场总线、网 络通讯、多媒体技术、数据库技术以及w i n d o w s 平台下面向对象的高级语言编程等 多个专业的较大的系统工程，技术难度较大，同时还需考虑到与各个厂家的电梯控制系 统( 包括微机控制系统、p l c 控制系统以及早期的继电器控制系统) 的接口问题等诸多 因素，因此，现在国内的电梯监控系统的同类产品中，在开放性、统一性和实时性等方 面同样存在着很大的不足【丌。总结下来，主要由以下问题： ( 1 ) 开放性相对较低，没有统一的标准化协议。 ( 2 ) 功能简单，如只能进行简单的电梯运行状态监控、同时监控的电梯数量少、不 能进行电梯故障的早期预警。 ( 3 ) 界面简单、单一，监控信号量少；只能对电梯状态进行监控，而不能采集电梯 轿厢中的图像与声音。 ( 4 ) 适用电梯种类少，或者是不能兼容不同类型的电梯。 ( 5 ) 多采用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 总线传输，或采用两级结构的m o d e m 传输，系统的实 时性与可靠性相对较低。 1 2 2 目前电梯监控系统的分类隅j 电梯的监控系统需实时反馈电梯的操作、运行及故障信息，要求安全可靠、运行稳 定、界面友好、管理便捷，其实时采集的电梯信号包括： ( 1 ) 电梯操作状态信息，如检修、正常、司机、消防等； ( 2 ) 电梯运行状态信息，如楼层显示、上下行、开关门等； ( 3 ) 井道信息，如平层、端站、限位等； ( 4 ) 各种故障信息。 目前电梯的监控系统大约分三类： ( 1 ) 大部分品牌电梯都有自己开发的监控系统，这些系统都包括不同的通信方式， 不同的硬件接口，能较好的实现多台电梯的运行监视和一些基本的远程控制。但是此类 2 硕士论文多电梯远程监控系统设计与实现 产品由于销量有限，一般价格很贵，能消费的客户很少。 ( 2 ) 用p l c 构成的网络通信监控。p l c 可以很方便的构成系统，开发此类系统完全 省去了硬件开发的成本，只要软件开发成熟即可开工安装，而且系统一般采用标准的通 信接口，很容易与建筑的其它智能设备一起构成网络，但是电梯控制要附加p l c 并且 连带相应的通信单元，成本较高。目前随着p l c 的价格不断下降，也不失一个好方法。 ( 3 ) 用单片机构成一个独立的采样通信单元，形成一个二级监控系统，此类监控在 初期的开发成本包括软硬件，开发成本较高，但形成系统后，再销售的成本就很低了。 但是由于市场不大，难以形成规模，还有此类系统由于不采用标准配件，今后维护的难 度，成本较高。 1 2 3 多电梯远程监控系统的发展趋势1 9 l 多电梯远程监控在电梯远程监控的基础上，融合了的最优控制，是一种基于时间最 优、能量最优的动态综合最优化策略。因此，多电梯远程监控系统的发展趋势为： ( 1 ) 远程监控系统协议开放化 采用统一开放的协议标准，可以在同一系统中采用多种品牌的电梯，并对其进行监 控，无须二次开发转换协议。 ( 2 ) 远程监控系统节能化 从静态的电梯交通配置到动态的多电梯群控系统，电梯的能耗指标往往被忽视。统 计数据表明，电梯的能耗约占大楼综合能耗的3 7 ，与电梯群控系统的性能直接相关。 因此，节能目标将是多电梯远程监控系统必须考虑的关键目标。 ( 3 ) 远程监控系统网络化 电梯群控系统将与网络技术相结合，用网络把各地的电梯监管起来进行远程监控。 ( 4 ) 监控系统产品市场化 未来电梯监控系统的研究将侧重于商品系统的开发，即面对需求面向市场。 1 3 课题的意义和内容 本课题主要设计开发适用于不同厂家不同型号电梯的远程监控系统：通过对一些关 键技术，如a r m 及多路数字信号采集处理技术、多端口协议转换技术、系统抗干扰设 计技术、动态数据交换技术以及网络组建技术等的研究，构建出多电梯远程监控系统； 该系统包括可采集电梯运行信息并进行协议转换的终端控制器，可传输数据的网络系 统，可进行动态数据转换、远程登录、功能完善、运行稳定的监控软件。 电梯终端控制器所要实现的基本功能如下： ( 1 ) 实时采集电梯的运行状态信息( 方向、层站、呼梯、安全回路、操作方式、门系 统、井道信号等) ； 3 1 绪论硕士论文 ( 2 ) 实时采集电梯的各种故障信息( 变频器故障、门故障、安全回路故障、井道故障 等) ； ( 3 ) 实时采集的电梯信息在微处理器内部进行处理，以一定格式存放在指定区域， 并进行协议转换便于发送： ( 4 ) 电梯信息采集前端机应当具有多种接口方式。 电梯监控软件的基本功能如下： ( 1 ) 动态数据交换，处理终端控制器通过通信网络发送的电梯信息数据； ( 2 ) 实时显示电梯状态及运行参数，包括电压、电流、电机转速等； ( 3 ) 实时报警、事件记录及历史趋势曲线功能： ( 4 ) 基于c s 架构的w e b 发布功能，用户可以远程登录监控电梯状态。 1 4 本论文的工作 本论文主要完成以下工作： 对嵌入式系统接入以太网方案的进行比较，结合本监控系统的特点采用用硬件协议 栈芯片实现t c p i p 协议的方案，提高嵌入式系统接入以太网的开发效率。 为了提高网络系统数据传输的可靠性，本系统采用备份环形局域网连接结构，增强 了系统的抗干扰能力。 完成多电梯远程监控系统终端控制器硬件设计的整个过程。 完成多电梯远程监控系统终端控制器的软件设计工作，包括各个功能接口的驱动设 计、应用层不同接口协议统一转换为t c p i p 协议的实现。 完成多电梯远程监控系统终端控制器的监控软件开发工作，包括数据处理、功能模 块开发、w e b 发布功能调试。 1 5 论文章节安排 本文的主要章节安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了课题提出的背景、研究意义以及国内外的研究现状，最 后给出本论文的主要工作。 第二章：多电梯远程监控系统总体设计。介绍了监控系统的整体结构，并提出监控 系统设计的总体方案，包括硬件总体方案和软件总体方案。 第三章：多电梯远程控制系统终端控制器硬件设计。根据硬件总体设计方案，详细 介绍了硬件的实现，包括微控制器单元设计、功能接口设计和以太网接口设计三部分。 第四章：多电梯远程控制系统终端控制器软件设计。根据软件总体设计方案终端控 制器设计部分，详细介绍了终端控制器软件的实现，包括各个功能接口驱动，以及协议 转换和主函数的开发与实现。 4 硕士论文 多电梯远程监控系统设计与实现 第五章：多电梯远程监控系统监控软件的设计与实现。根据软件总体设计方案监控 软件设计部分，本章详细介绍了监控软件的实现，包括数据处理和动态数据交换的实现、 监控界面及功能模块设计。 第六章：系统运行与总结。描述了以太网接口的调试，协议转换测试、监控界面的 功能测试及w e b 发布测试。同时总结全文，指出系统可改进扩展之处。 5 硕士论文多电梯远程监控系统设计与实现 2 多电梯远程监控系统总体设计及其相关技术 2 1 整体结构及功能 多电梯远程监控系统作为对电梯进行监控的一种手段，在电梯的日常运行中的所起 作用日益明显，它是电梯能够安全高效的运行的前提和基础，是电梯企业对产品原有控 制系统的延伸和发展，是针对原有监控系统所存在的缺陷以及电梯行业所面临的问题和 提出的要求【l j 。电梯监控系统融合多种技术，它的应用，使得电梯生产企业、质检部门、 监控用户等能够通过该系统对在分布各地的电梯产品进行适时的，准确地监控，一方面 方便了企业和用户对电梯运行情况的维护，另一方面也加强了企业对产品资料和数据的 收集和处理功能，同时也使质检部门的监控更加便捷。 2 1 1 结构概述 本文所设计的多电梯远程系统由终端控制器、网络系统、监控平台三部分组成。 终端控制器采用a r m 控制器l p c 2 3 7 8 芯片设计了数据采集及协议转换器，包含 r s 一2 3 2 接口、r s 4 8 5 接口、u s b 接口、m o d e n 接口、以太网接口，根据不同的现场状 况，采取不同的数据采集方式，任何一种接口采集数据后统一转换成以太网接口的标准 协议数据转发。 网络系统是整个监控的骨架。在需要监控的小区内部通过终端控制器的以太网接口 构建了局域网，并负责协议转换功能的实现，而各个小区与区域间则利用互联网进行数 据交换，从而构成了整个系统的网络系统。网络化是电梯监控系统的发展趋势，电梯上 的信息可以通过网络实现快速传输，如现场视频信息等；音频系统的语音数据也是通过 网络系统在局域网内广播。系统采用硬件协议栈芯片实现网络协议，内嵌交换机功能， 具有两个以太网接口，并且采用带备份通路的环网结构组网，提高了系统的可靠性。 监控平台，使用v b 6 0 开发了d d e 的数据解析程序，同时使用北京三维力控公司 提供的力控f o r e e e o n t r o l 6 1 软件下编制监控程序，可以实现对电梯终端控制器所采集信 息的接收、处理；并且采用了可视化软件编程，提供了一个全中文、图形化、动态化的 监控界面，针对不同的用户( 小区监控用户、质检部门等) 、不同的管理权限，在不同 的地点可以很轻松的对电梯运行情况进行实时监控，以便利于随时处理故障和维护电 梯。并且记录报警、故障信息和进行数据统计，对电梯总体运行情况进行掌控。同时， 监控平台的w e b 发布功能，可以实现用户通过i n t e m e t 远程登录监控系统，在紧急状况 下对监控系统的远程操控。 系统结构如图2 1 1 所示： 7 2 多电梯远程监控系统甚体设计厦算相关技术 碗士论文 围2 1 _ 1 多电梯远程监控系统结构田 2 1 2 功能概连 针对目前国内外电梯远程监控技术不足，本系统设计的目的就是为了方便监控运营 及质检单位对远程电梯运行情况的监控以及企业和电梯用户之间的信息交流，解决不同 厂家电梯控制系统之间的差异性收集和积累产品数据和信息，从而设计出一个通用性 强、开放程度高的监控系统。在设计过程中，整个系统被划分为终端控制器、网络系统、 监控平台三个部分，系统整体实现的功能概括为以下几十方面： ( 1 擞据的远程实时采集 监控系统的终端控制器的数据采集具有自动循环采集和命令采集两种模式，根据现 场状况，系统自动选择采集模式或者并用两种模式。 ( 2 ) 协议转换 现场采集到的数据不论是何种协议，最终都转换成统一的t c p i p 协议数据通过以 太网接口发送至同络中供监控平台或者远端用户读取。 0 ) 电梯运行实时组态功能 本系统的监控平台采用维态软件进行开发，实现接收处理各终端控制器信号，并进 行动态数据交换。监控软件提供运行稳定、图表形象的监控界面，在监控计算机屏幕上 硕士论文 多电梯远程监控系统设计与实现 实时显示监控小区电梯整体运行信息，同时可以通过具体信息界面分别显示出具体某一 部电梯的运行状况和视频、音频信息。 2 2 多电梯远程监控系统总体设计 总体设计将提出多电梯远程监控系统的实现方案，包括网络拓扑结构设计、系统硬 件实现方案设计和系统软件实现方案设计三部分。 2 2 1 系统网络拓扑结构 本系统中底层的终端控制器构成带备份通路的环形局域网( 这种结构冗余备份了一 个通路极大地增强了网络系统的可靠性) ，通过网关接入i n t e m e t 网。监控平台可以连接 在局域网内部或者通过i n t e m e t 采集终端控制器发送的数据，并且通过双机冗余备份， 为监控平台的稳定性提供了有力保障。同时电梯厂家、质检单位等用户可作为客户端通 过i n t e m e t 对电梯的运行状态进行监控。 本系统通过以下几方面实现带备份通路环网： ( 1 ) 物理连接采用每个节点首尾相连组成一个闭型环网。 ( 2 ) 硬件设计中每个终端控制器节点都有一个可由软件控制打开和断开环网控制开 关。 ( 3 ) 应用层软件开发在系统刚通电时确保局域网中所有点环网开关闭合除了一个节 点断开；同时监控判断局域网连接，及时处理故障。 2 2 2 硬件设计 本系统设计采用嵌入式技术，选用基于a r m 7 t d m i s 核的a r m 7 微控制器做为主 控制器芯片，a r m 7 集成了丰富的片上资源。本系统选用的l p c 2 3 7 8 芯片集成了4 个 u a r t ，2 个c a n 控制器、2 个u s b 控制器等，通过主芯片集成的丰富资源可以很方便 地设计出终端控制器的接口。 网络接口设计中嵌入式系统接入以太网通常有方法： ( 1 ) 采用l p c 2 3 7 8 本身集成的以太网控制器，通过在硬件上添加以太网收发器芯片 实现以太网接口。 ( 2 ) 采用硬件协议栈芯片加以太网收发器芯片来实现。 由于第一种方法需要软件实现t c p i p 协议且效率较低，本系统采用相对容易实现 且效率高的第二种方法。本系统中设计了两个以太网接口，内嵌交换机功能，可方便地 组网实现带备份通路的环形局域网。图2 2 1 为系统终端控制器设计的总体结构。 图2 2 2 描述了多电梯监控系统终端控制器设计的功能接口和网络接口的连接情况。 本系统的功能接口部分包含r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、m o d e m 、u s b 、c a n 五个接口，这些功 能接口是终端控制器采集、处理数据并实现通信的基础。为了提高以太网接口的数据读 9 2 多电梯远程监控系统总体设计及其相关技术硕士论文 写速度，系统采用总线方式与协议栈芯片相连。 图2 2 1 电梯监控系统终端控制器设计硬件结构 2 2 1 3 软件设计 软件部分的设计中包含了终端控制器的程序设计和监控平台监控软件系统的开发。 ( 1 ) 终端控制器软件部分 为了提高效率本系统不采用嵌入式操作系统，而是采用嵌入式开发常用的前后台系 统。在前后台系统中，在前台，主要处理异常及实时性要求较高的事件；在后台，由一 个死循环调度系统任务及处理其它事件。 在终端控制器的软件设计中，每个功能接口及网络的每个通道( 共4 个通道) 都分配 一个存储接收数据的循环队列以解决数据收发量大产生的闰题。接收到数据后在中断处 理程序中就将数据写入相应的接收队列中，当后台程序需要处理接收到的数据时从接收 队列中读取。图2 2 2 为本系统的软件总体设计框图。 ( 2 ) 监控平台软件部分 监控平台最终效果要求界面友好、功能齐全、运行稳定，同时可远程登录、i e 访问 浏览。目前在监控平台的上位机中使用高级语言进行编程的技术已经发展的相当成熟， 如果从底层开始重新开发虽然开发自由度相对开阔但是工作量较大，时间成本相应增 加。所以在本系统中，采用了三维力控公司的“力控f o r c e c o n t r o l 6 1 组态软件结合数 据库联接技术、动态数据交换技术进行远程监控程序的开发。这些技术使得监控软件界 1 0 硕士论文 多电梯远程监控系统设计与实现 面能够以一个友好的方式面向使用者，同时也为系统的扩展和升级预留了足够的空间。 监控软件总体设计图如图2 2 3 ，状态监控、实时报警、w e b 发布等功能都在平台上具体 实现。 2 3 本章小结 l p c 2 3 7 8 中断程序 - _ - - _ _ _ 。_ 。_ 状态 监控 i i l i i 一一一一一一一一+ i i l i l i i i 后台程序 图2 2 2 软件总体设计框图 w e bl i 历史 发布ll 益线 彝h 强。燃， 事件 记录 跫罗 一一、 d d es e v e r ( 、，b 开发) 图2 2 3 监控软件总体设计图 本章介绍了多电梯远程监控系统的整体结构和具体功能，论述了网络系统的总体设 l l 2 多电梯远程监控系统总体设计及其相关技术硕士论文 计思想，提出构建带备份通路环网结构的局域网，对网络系统可靠性的提高有一定意义。 整体上介绍了系统硬件和软件的总体设计实现、和具体方案。本章是后续章节的基础， 相应的软硬件设计以此为总体框架。 1 2 硕士论文 多电梯远程监控系统设计与实现 3 多电梯远程控制系统终端控制器硬件设计 硬件设计主要分成微控制器单元设计、功能接口设计、网络接口设计三部分。 主控制器是系统的核心，本系统选用n x p 公司的l p c 2 3 7 8 ，它功能强大并且集成 丰富的片上资源，满足了系统的需要。 功能接口是终端控制器完成实现系统的开放性、通用性和统一协议转换的基础。目 前我国电梯控制器的接口多样，几乎没有一个统一化的标准，为了实现这些通过不同接 口的采集数据，终端控制器需设计相应的功能接口，并能实现这些接口数据统一转换为 t c p i p 协议接口数据。为使终端控制器具有通用性，系统设计了r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、m o d e m 和u s b 共四种功能接口。 网络接口是硬件设计的重点。通过对比各种方案，本系统的网络系统设计采用实现 简单、处理迅速的硬件t c p i p 协议栈的方案。结合电梯的现场状况，本网络系统开发 了两个接口，实现了快捷组网；同时构建带备份通路的环型局域让系统的可靠性更上一 个层次。 3 1 主控芯片 设计嵌入式产品时，处理器芯片的选择直接影响产品开发的进度和使用性能。本小 节将具体介绍如何终端控制器系统主控制芯片的选型及所选主控制芯片的主要特性。 3 1 1 主控芯片选型 目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 多种，流行的体系结构有 3 0 多个系列。根据嵌入式处理器的功能和应用不同，可以分为：微控制器m c u 、微处 理器m p u 、数字信号处理器d s p 和片上系统s o c ! 1 0 1 。 选择主控芯片应该考虑的因素包括：微控制器的性能、集成的功能模块、开发环境 的熟悉程度等。目前m c u 是嵌入式系统的主流，其价格低廉、功能优良，具有很高的 性价比；片上集成的功能和外设资源比较丰富，如计数器、串行口、c a n 、1 2 c 等【1 1 】。 本系统采用了处理速度比较快的3 2 位a r m 微控制器。 由于a r m 分为不同的系列，选择一款适合本系统设计的a r m 非常重要。选a r m 芯片时应考虑如下因烈1 1 j ： ( 1 ) 选择合适的a r m 内核结构 a r m 微控制器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，如使用l i n u x 或 w i n c e 等操作系统，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i 0 功能的a r m 芯片。由于终端控制器网络系统的设计没有使用操作系统，所以a r m 7 内 3 多电梯远程监控系统终端控制器硬件设计 硕士论文 核可以满足要求。 ( 2 ) 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微控制器的处理能力。常见的a r m 7 芯 片系统主时钟为2 0 m h z 1 3 3 m h z ，a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z 2 3 3 m h z ， a r m l 0 最高可以达到7 0 0 m h z 。终端控制器网络系统的时钟频率在1 0 0 m h z 内可以满 足需求，就工作频率而言，a r m 7 系列能满足系统需求。 ( 3 ) 芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微控制器芯片内置存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统时 外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，有些高达2 m b 。本终端 控制器网络系统的程序运行对内存的要求不是很高，一般存储空间大小的芯片就可以满 足要求。 ( 4 ) 片内外围电路的选择 除a r m 微控制器核以外，a r m 芯片根据各自不同的应用领域，扩展相关功能模 块，并集成在芯片之中，称为片内外围电路，如u s b 接口、1 2 c 接口、l c d 控制器等。 设计时采用片内外围电路完成所需的功能，可简化系统的设计，提高系统的可靠性。本 终端控制器网络系统需要3 个u a r t 、1 个u s b 设备控制器。 综合以上各个因素的考虑，在本系统选用n x p 一款内核为a r m 7 t d m i s 的a r m 微控制器l p c 2 3 7 8 。它是一种低功耗的3 2 位r i s c 处理器，5 1 2 k b 片内f l a s h ，片内集 成了4 个u a r t 、2 个c a n 控制器、2 个u s b 设各控制器( 只能同时用一个) 。另外l p c 2 3 7 8 具备总线控制功能，所以在网络连接和内存扩展方面比较容易实现。 3 1 2l p c 2 3 7 8 控制器1 1 2 1 l p c 2 3 7 8 使用了一个高性能的3 2 位a r m 7 内核，可以在高达7 2 m h z 的频率下操 作。1 2 8 位宽的存储器接口和专有的存储器加速器使得3 2 位的代码可在最高的时钟速率 下执行，而无需使用高价的s r a m 。l p c 2 3 7 8 较小的1 4 4 脚封装、极低的功耗、优良的 性能使它特别适合于工业控制、协议转换等。l p c 2 3 7 8 的重要特性如下： ( 1 ) 7 2 m h z 主频、3 2 位的a r m 7 t d m i s ，带a h b a p b 接口。 ( 2 ) 高达5 1 2 k b 的i s p i a pf l a s h ，5 8 k b 的s r a m 。 ( 3 ) f l a s h 编程极快，通过片内的b o o tl o a d e r 软件实现。 ( 4 ) 1 0 1 0 0 e t h e m e t m a c 接口，e t h e m e t m a c 在独立的a h b 总线上有1 6 k b 的s r a m 和一个相关的d m a 控制器。 ( 5 ) 全速u s b 2 0 ( 1 2 m b p s ) 设备，u s b 控制器含有4 k b 的u s bs r a m 和可存取的 d m a ，并支持3 2 个端点的控制、中断、批量和同步数据传输模式。 ( 6 ) 2 条c a n 2 0 b 总线，带2 路通道。 1 4 硕士论文 多电梯远程监控系统设计与实现 ( 7 ) 1 0 位a d 转换器和1 0 位d a 转换器。 ( 8 ) 多个串行接口：3 个高速1 2 c 、1 个1 2 s 、4 个符合1 6 c 5 5 0 工业标准的u a r t ( 1 个带有i r d a ) 和3 个s p i s s p 。 ( 9 ) 1 个带有2 k b 电池s r a m 的低功耗实时时钟、1 个看门狗定时器。 ( 1 0 ) 1 0 4 个通用i o 口线，这些i o 口线可在高达1 8 m h z 的速率下触发。 ( 1 1 ) 支持实时仿真和嵌入式跟踪支持，使用标准的a r m 测试调试j t a g 接口。 ( 1 2 ) 只需一个3 3 v 输入电源。 ( 1 3 ) t 作温度范围为4 0 c 8 5 。 3 2 微控制器单元设计 微控制器是系统设计的核心部分，微控制器直接影响着系统具体功能的优劣。微控 制器的正常工作同样取决于外部的电源、时钟信号、复位信号。有些情况下，外部的存 储器也需要扩展。图3 2 1 为微控制器单元设计的示意图： 图3 2 1 微控制器单兀设计示意图 3 2 1 电源及时钟电路设计 3 2 1 1 电源电路 电源电路是系统的重要方面，电源设计的好坏直接关系到系统的稳定性。在本终端 控制器网络系统设计中，主芯片l p c 2 3 7 8 需要3 3 v 供电，同时，电平转换芯片m a x 3 2 3 2 、 硬件t c p f l p 协议栈芯片w 3 1 5 0 a + 等器件和芯片都需要3 3 v 供电。交换机芯片 r t l 8 3 0 5 s c 需1 8 v 和3 3 v 混合供电。所以要在系统中设计3 3 v 和1 8 v 的电源，其中 需求的3 3 v 电源可以提供较高的输出电流。现场电源模块提供的标准1 2 v 电源。本系 统选用l m 2 5 7 6 - 3 3 和l m 2 5 7 5 a d j 集成芯片。l m 2 5 7 6 和l m 2 5 7 5 的输入电压范围7 v 4 0 v ，l m 2 5 7 6 可以输出最大达3 a 电流，l m 2 5 7 5 最大输出1 a 电流，能满足系统的要 求。图3 2 2 为系统电源部分的设计： 1 5 3 多电梯远程监控系统终端控制器硬件设计 硕士论文 l l o j 7 6 - 3 3仂 1 i骷一一l 期臣踟a c k l：i巴_酗凸 砸0 臼3 l 2 i蹇苣， 一 裂i c o n 2 。 uu 0 1i 1 0 0 a l l n n d 】l 1酗2 = c l jk 1 h 3 1 1 2 2 ：- - c 2l 功 l o 咖口1 0 0 咖f 置ll k _ = = = _ - 1 i 7 l 1 旧5 7 3 d ，邯 明匹d 童c x l 睁 优c l a 】一n 譬 一一t 冬苣。 。ll d o u h tt nn d 】3 嗡归。：唧j 。斓， l l 叩h 4 卜1 l l u k l j r 图3 2 2 系统电源设计电路 3 2 1 2 时钟电路 l p c 2 3 7 8 是一个时序电路器件，外部提供时钟信号才能工作。x t a l l 引脚输入方 波或者晶振输入都可以给l p c 2 3 7 8 提供工作时序。具体提供的时序对应频率如表3 2 1 。 表3 2 1 工作时序频率表 工作时序方式对应频率 x t a l i 引脚输入l ：l 的方波作为工作时序 l 5 0 m h z 晶振1 - 3 0 m h z 片内p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 或者引脚装载程序( 即i s p ) 功能 l0 2 5 m h z 本设计采用1 2 m h z 的晶振作为系统时钟输入。时钟频率在1 0 - - 2 5 m h z 之间，系统 可以使用p l l 和i s p 功能。为了与u s b 通讯速率匹配，选用1 2 m h z 也较合理。图3 2 3 为微控制器时钟电路： 1 6 f 图3 2 3 微控制器时钟电路 硕士论文 多电梯远程监控系统设计与实现 3 2 2 复位及看门狗电路设计 为了确保微控制器在通电后有一个固定的状态，所有的微控制器均带有一个复位逻 辑，它负责将微控制器初始化为某个固定的状态。这个复位逻辑需要外部提供一个复位 信号才能工作，所以复位信号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作影响较大。一旦 复位信号不可靠，系统将无法在通电后进入确定的工作状态或者由于不停的复位影响系 统的正常运行。复位后微控制器从地址为o x 0 0 0 0 0 0 0 0 的地方开始执行，然后进行相应 的存储器映射，使微控制器进入正常的运行模式l l 引。 除系统通电时需要复位外，程序运行的看门狗复位也是系统稳定运行的保证。看门 狗复位可有两种方式： ( 1 ) 芯片内部看门狗，无需外围电路，仅需在程序中初始化使能内部看门狗，并在程 序运行时定时喂狗。 ( 2 ) 采用外部看门狗，内需要采用专门的看门狗芯片，成本会增加。 相比较而言，外部看门狗比内部看门狗更加可靠，能确保在主控芯片死机的时候产 生外部复位信号，让芯片重新运行。因为系统应用在电梯运行现场，所以对稳定性、安 全性和可靠性的要求较高，所以本终端终端器网络系统设计中采用外部看门狗方案。 在本系统的设计中，选用了的s p 7 0 6 t 作为复位和看门狗芯片。s p 7 0 6 t 工作电压为 3 3 v ，复位输出持续时间2 0 0 m s 。作为专用的复位芯片，除了可以消除手动复位容易产 生的抖动现象，提供可靠的复位信号，同时具有电压监控功能，当输入电压低于3 0 8 v 时，将产生复位信号，避免微控制器在低电压时的不确定行为，极大地提高了系统的可 靠性1 1 4 1 。电路连接如图3 2 4 所示： 图3 2 4 复位电路