（机械工程专业论文）基于can现场总线的电梯远程监控系统的研究.pdf

上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 摘要 本文主要开发了一套基于c a n 现场总线的电梯远程监控系统( r e m s ) 。随着 智能建筑的出现，传统的依靠人工来发现和处理电梯故障的方法已无法满足人们 日常生活的需要，而且不能及时的发现和处理故障。此外，不同用户的电梯在地 域上分布很广，这给电梯的维修保养带来了很大的不便。电梯远程监控系统则可 以完全解决这个方面的问题。 本系统基于c a n 现场总线，并应用了通用串行总线( u s b ) 来提高系统的性能 和系统的通用性。整个系统分为4 层：数据采集，工作站，服务器，监控中心。本 r e m s 可以实现不改变系统软件的情况下监控不同控制形式的电梯；通过多种监控 方式，从不同侧面对电梯进行监控；采用多种报警方式，适应用户的不同情况。 本文分析了c a n 总线技术的优点，提出了基于c a n 总线组建电梯远程监控系统 的方法，具体分析了系统的组成，并通过对系统的数据采集，适配器软硬件设计， 监控软件设计等方面论述了系统的实现。同时也讨论了使用u s b 2 0 对系统扩展 能力的影响。 与国内外同类产品相比，本r e m s 功能更加丰富，人机界面更加友好，实现 更加灵活，成本相对较低。在智能大厦逐步发展的今天，本r e m s 具有较高的应 用价值和较好的市场前景。 关键字：c a n 总线，电梯远程监控系统，通用串行总线，电梯监控软件 第1 页 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y a b s t r a c t h lt h i sp a p e rar 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 ) b a s e do nc a n b u si s d e v e l o p e d w i t ht h ee m e r g e n c eo fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，t h e t r a d i t i o n a lm e t h o d so f d i s c o v e r i n ga n dh a n d l i n gt h ee l e v a t o rf a u l t sc a n n o tm e e tp e o p l e sn e e d s a n dt h e t r a d i t i o n a lm e t h o d sc a nn o tf m da n dd e a lw i t hf a u l t so nt i m e h la d d i t i o n t h ee l e v a t o r so ft h ed i f f e r e n tc u s t o m e r sa r ed i s t r i b u t e do nt h ev a r i o u sr e g i o n s i tb r i n g s t h em a i n t e n a n c ea n ds e r v i c eo fe l e v a t o ri n t ov e r yg r e a ti n c o n v e n i e n c e ag o o dr e m o t e e 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 ) i sa b l et os o l v et h e s ep r o b l e m s t h er e m sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ri sb a s e do nc a nb u st e c h n i q u ep l a t f o r ma n d u s bi su s e dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fr e m s t h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do f4 l a y e r s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，w o r k s t a t i o n ，s e r v e r ，a n dm a i n t e n a n c ec e n t e r t h i sr e m s c a n m o n i t o ra n dc o n t r o ls o r t so fe l e v a t o r sw i t hd i f f e r e n tc o n t r o lf o r m a ty e tn e e dn o t c h a n g ea n ys y s t e ms o f t w a r e ；i ti n t r o d u c e sd i v e r s ew a r n i n gm o d e s a st os u i tw e l la l l k i n d so fe m e r g e n c y h 1p a p e rf i r s t l yi ta n a l y z e dt h ea d v a n t a g e so fc a nb u st e c h n o l o g y t h e nt h i s s y s t e mi si n t r o d u c e db yd a t ac o l l e c t i n g ，t h ed e s i g no fs o f t h a r d w a r e ，t h ed e s i g no f m o n i t o r i n gs o f t w a r e m e a n w h i l et h i sp a p e ra l s od i s c u s s e dt h ee f f e c tu p o n t h e s y s t e m se x t e n da b i l i t yb ya p p l y i n go f u s b 2 0t e c h n o l o g y i nc o m p a r i s o nw i t ho t h e rp e r t i n e n tp r o d u c t s ，t h i sr e m sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r h a sr i c h e rf u n c t i o na n dm o r ef r i e n d l yi n t e r f a c ea n dal o w e rc o s tw h i c hw i l ls u r et o b r i n gi tah i g h e ra p p l i c a t i o nv a l u ea n d ab e t t e rm a r k e tf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：c a nb u s r e m su s bm o n i t o r i n gs o f t w a r e 第1 i 页 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期： 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 上海大学工程硕士学位论文 t h e p o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第一章引言 电梯作为一种特殊的交通工具，给我们的工作和生活带来了前所未有的方 便。随着电梯逐渐走向自动化和人性化，其运行的安全性、可靠性是至关重要的。 中国电梯业的发展，经历了从无到有、从小批量到大批量的发展过程，特别是近 几年来，随着技术的不断引进，已基本解决了电梯的可靠性、运行舒适感及整体 性能等技术问题。但如何提高维护保养、售后服务的技术和管理水平，已成为电 梯管理部门需要重点考虑的问题。 电梯管理部门很希望及时地了解到每一台电梯的运行状况，及时的发现并处 理故障，甚至在故障发生之前就能够加以预测和防范，但是现行的电梯管理模式 是很难实现的。电梯一旦发生故障，现场人员由于缺乏资料，不具备基本的检测 手段一般无力解决，通常需要求助于异地技术人员及相关专家，而异地技术人员 及相关专家对设备进行诊断必须了解相关设备现场信息。在现有条件下，异地厂 家或服务中心的技术人员及相关专家必须亲临现场，这大大增加各方面的经济负 担和人员负担，同时，也不能使故障得到及时的排除，难以满足现实中诊断的要 求。在我国，企业中的技术人员相对较少，当电梯出现故障需要维修时，由于地 域限制，专家或生产厂家技术人员疲于奔命，有相当大的潜力没有得到充分利用。 随着i n t e r n e t 技术的蓬勃发展，电梯远程监控系统r e m s ( r e m o t ee l e v a t o r m o n i t o rs y s t e m ) 的出现使这一问题迎刃而解，利用这一技术不但可以在监测中 心内接收到现场随时发回的电梯运行信息，了解每一台电梯的运行情况，还可以 根据相应的数据通过故障诊断专家系统对电梯的故障隐患进行分析和监测，给电 梯的安全运行提供了保障，给电梯管理带来了极大的方便，从根本上改变了诊断 人员忙于奔波的被动局面。r e m s 的出现不仅解决了可解决了现场专业人员相对 较少的问题，还有利于厂家更准确更有效地得到电梯现场运行的第一手资料，充 实理论研究。因而电梯远程监控系统有着明显的社会效益和经济效益。 由此可见，采用电梯远程故障诊断系统是解决上述难题的根本出路和最现实 的措施，也是当今电梯运行管理现代化的必由之路。 第1 页 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 1 1电梯远程监控的概念 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，甚至一个地区) 中安装多部 电梯后，对这些电梯进行集中远程监控，并对这些电梯的运行数据进行管理、维 护、统计、分析，并在此基础上引入故障诊断及救援。 一般的电梯远程监控系统( r e m s ) 都包括数据采集、信号转换、信号分析与 处理、状态显示以及故障报警等几部分。电梯状态数据从电梯控制柜上的通讯接 口出来，传输到数据采集模块，并在采集模块中进行一番处理( 包括协议转换， 数据加密，数据压缩等) 。然后，采集模块再将数据传送给前端机，前端机接收 到数据后，根据这些数据，经过监控程序的处理后在监视器上显示出各个电梯的 进行状态，在条件允许的情况下，还可以通过多种手段( 现场语音报警、电话报 警、手机短信报警) 进行故障报警。这些数据可以存入数据库，进行管理、维护 和分析，以形成和完善r e m s 的专家系统。 电梯远程监控系统的目的是对在用电梯进行远程数据维护，远程故障诊断及 处理，完成故障的早期预告及排除和电梯运行状态( 群控效果、使用频率、故障 次数及故障类型) 的统计与分析等。概括起来，远程监控可以实现以下功能： 1 利用r e m s 可以对电梯的数据和程序进行远程维护和升级。 2 通过远程监控，可以实现故障的早期诊断与早期排除，变被动保养为 主动保养，使用户的停梯时间减到最少。 3 在电梯发生故障时，可以进行远程的故障分析及处理。 4 对电梯的运行性能及故障情况进行统计与分析，并结合电梯群控技术 已获得选最佳的运行方案。 5 对监控数据进行管理、维护和分析，有利于产品性能的改进。 6 可根据该建筑物电梯的实际使用情况，制订出专门针对该用户的群控 原则。 1 2 电梯远程监控系统的发展概况 r e m s 是随着计算机控制技术和网络技术的发展而发展起来的电梯监控领域 的前沿技术。计算机和i n t e r n e t 的普及，以及智能大厦概念的提出和实现，为r e d s 第2 页 2 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 的产生和不断改进奠定了基础。 随着物业管理的不断普及，电梯远程监控系统( r e m s ) 的重要性也越来越引 起人们的重视，并在近几年取得了迅速的发展。目前，国外比较大型的电梯公司 都有不同水平的与自己的电梯系统配套的电梯远程监控系统或者电梯监控系统。 例如奥的斯o t i s 公司的e m s 系统、三菱公司的远程监控系统以及德国蒂森克虏伯 电梯集团的t e - e ( t e l e - s e r v i c e ) 型电梯远程监控系统等。 o t i s 公司自行开发的电梯监控系统，具有分级报警的功能。监控系统自动发 出电梯服务中断的信号，显示地点、性质、问题及乘客状况数据。当电梯的运行 表现不符合预定的界限时，系统发出报警信号。此系统采用的是r s - 4 2 2 通讯标准， 在现实环境下已运行很长时间。由于开发早，其设计是基于较低的计算机平台， 不具有网络管理功能。图i - 1 为0 t i s 公司的e m s 的系统结构图。 图i - io t i s 公司的e m s 的系统结构图 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误操做 紧急呼救功能；该系统能较好地掌握电梯的运行状况，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、呼叫与处理时间曲线等；自动故 障报警，该系统同时可以监控电梯、自动扶梯和楼内其他设备。但是该系统仅适 用于蒂森公司所生产的电梯和自动扶梯。 三菱电梯监控系统用于三菱电梯运行状态的监控以及在灾害和故障情况下 的应急控制系统。系统主机软件采用v b 5 0 开发，各数据接口板用8 9 c 5 1 设计开发。 该系统实质上是一个集散控制系统主机通过通讯线路从各个节点控制器获得数 第3 页 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 据，并可根据情况发出控制信息。同时还有交通流量统计等附加功能。 以上介绍的这些电梯远程监控系统相对来说都是仅适用于本公司生产的电 梯，一旦换成其他公司生产的电梯，则无法与之相兼容。而且其成本较高，价格 十分昂贵，在国内没有形成广阔的市场，仅有那些财力雄厚的用户才能使用和购 买。这与现今电梯这种交通工具广泛的进入住宅小区的形势不相适应。同时由于 这些系统开发时间较早，基于较低的计算机平台，不能实现网络通讯、数据库管 理、语音报警等功能。 国内的很多公司和科研院所也在积极开发自己的监控系统，如中国建筑科学 院机械化研究分院的凯博电梯远程监控系统、无锡中秀电梯公司的电梯远程视频 监控系统、阿尔发机电科技有限公司的电梯远程监控系统等。 中国建筑科学院机械化研究分院的凯博电梯远程监控系统由位于电梯机房 的信号采集与处理器、负责信号调制与传输的调制解调器和电话网络、向操作员 提供监控界面的服务中心计算机3 部分组成。其基本工作过程如下：由前端机随时 采集电梯的运行状态和有关信息，在电梯发生故障时通过电话网络将故障信息传 送给位于服务中心的服务器。维护人员可以在服务器上随时拨号接通前端机，通 过监控窗口直观地观察到与监控中心相连的任意电梯的运行信息，还可以对电梯 进行远程故障诊断。 无锡中秀电梯公司生产的电梯远程视频监控系统，将电梯运行数据和轿厢内 的视频图像、语音信息通过电话线同时传送，维修人员可以在监控中心查看电梯 视频图像。通过z x d e 系列采集器实现电梯状态的可监视化，有一定的通用性， 但采集信号点有限。 综上所述，国外各公司的电梯远程监控系统成本较高，一般只有高档电梯产 品才配置远程监控系统，且只能监控本公司生产的电梯，无法与其他公司同类型 的电梯产品相兼容。还有价格和产品定位等原因，国外的电梯远程监控系统在国 内的实际使用有一定的局限性。而现在国内的电梯远程监控系统在一定程度上也 存在某些不足：1 ，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 梯数量少只能监视而不能控制管理和远程调试不能进行电梯故障的早期预警。2 ， 适用电梯种类少对可编程控制器p l c 控制的电梯进行监控比较容易但是对微机 控制的电梯监控就困难得多。( 两者的比较见表卜1 ) 第4 页 4 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 表1 - 1 国内外系统区别 所以现在国内急需一种功能完善适应广且价格廉的电梯远程监控系统以使 该系统在电梯物业管理日常维护等工作中得到广泛的应用，以提高电梯运行质 量。 1 3 本文主要的研究内容 目前，电梯远程监控系统大都采用r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 总线构成主从式多机 通讯网络，但在监控范围较广，传输距离较远的情况下，存在着传输效率低，抗 干扰能力较差，响应速度较慢等缺点。而c a n 是多主总线网络，采用非破坏总 线仲裁技术，具有更强的纠错能力和实时性，而且性价比高。为此，采用c a n 总线来设计电梯远程监控系统，具有很高的实用价值和现实意义。其次，尽管 r 2 3 2 串口通信技术已足够应对电梯“状态监视”要求，但随着多媒体技术的广 泛应用，r e m s 采集的信号数量和数据量都会呈几何级数增长。届时r s 2 3 2 或 者r s 4 8 5 将无法满足系统的需求。近几年逐渐流行的通用串行总线c o s b ) 技术不 仅能够提供较大的数据传输速度，而且能够实现设备的即插即用，给设备的连接 带来了更大的方便。从长远来看，在电梯的远程监控系统中采用通用串行总线 ( u s b ) 也已成为大势所趋。 本课题针对电梯用户的需求、国内外的现状和已有的电梯远程监控系统的不 足，设计和开发了一种基于c a n 现场总线技术和u s b 通用串行总线技术的电梯远程 监控系统。研究内容如下： 第5 页 5 上海大学工程硕士学位论文 t h e p o s t g r a d u a t et h e s i so 啦a n g h a iu n i v e r s i t y 简述了现场总线的功能与特性，并分析与比较了几种流行的现场总线， 确定将c a n 总线应用于我们的系统中。研究基于c a n 总线的电梯远程监控 的结构，以及实现数据采集模块的几种不同的方案。 为延长c a n 总线传输距离，以及在速率不同的网段之间进行报文转发和报 文过滤，设计了c a n 总线中继器。该中继器同时还具有通用串行总线( u s b ) 与c a n 总线相互转换的功能，能实现两者之间协议的透明转换。 c a n 总线控制器采用p h i l i p s 公司的s j a l 0 0 0 ，支持c a n 2 o a 和c a n 2 o b 协议。 采用双m c u 共享双d r a m 的结构来设计c a n 总线转u s b 数据采集模块。选用 p h i l i p s 公司的i s p l 5 8 1 芯片，采用u s b 2 0 协议，来进行电路设计与固件 编程，实现u s b 接口，并通过它完成采集模块与监控工作站之间的高速数 据传输。 设计前端监控程序。采用面向对象语言编程，为用户提供符合操作习惯 的的全中文图形人机交换界。 进行看干扰能力设计，并将监控系统安装于现场，验证数据采集模块以 及整个系统的实时性及其它性能。 1 4 小结 本章主要介绍了电梯远程监控系统r e m s 的基本概念和r e m s 在国内外的 发展状况。然后结合这些知识提出本论文的研究方向，并进行了比较详细的阐述。 第6 页6 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 2 1 现场总线技术概述 第二章c a n 总线技术 时至今日，现场总线技术对于我们已经不再陌生，这种技术在各个领域已经 得到了广泛的应用。所谓的现场总线，就是应用在生产现场、在微机化测量控制 设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点 通信的底层控制网络。现场总线技术将专用微处理器置入统的测量控制仪表，使 它们各自具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双线等作为总 线的传输介质，把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带， 把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络与控制系统。现场总 线使自控系统与设备具有了数字通信的能力，把他们连接成网络系统，向我们展 示了一种全新的系统集成理念。 现场总线技术具有相当多样的优点，它是开放式互连网络，所有的技术和标 准都是公开的，制造商必须共同遵守。这样用户可以自由集成不同制造商的通信 网络，既可以与同层网络互连，也可与不同层网络互连。另外，用户可以及其方 便地共享网络数据库。互可操作性则指用户可按自己的需要和考虑，将不同制造 商的符合同一协议的不同品牌的仪表集成在一起，构成所需要的控制系统，不必 为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上花费力气或者增加额外投资。此外，微 处理器植入现场设备后，现场设备自身便可完成传感测量、补偿计算、控制等基 本功能，并且可以随时诊断设备的运行状态。 在传统的d c s 中，体现是集中管理和分散控制的思想，而现场总线则构成一 种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现有的集中和分散相结合 的集散控制系统体系，简化了系统结构。工作在生产现场的前端，作为工厂网络 底层的现场总线，是专为现场环境所设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、 射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电和通 信，并可满足本质安全防爆要求等。因此，现场总线控制系统是一种全新的、有 着强劲生命力的新型控制系统。 第7 页 7 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a i u n i v e r s i t y 2 2c a n 总线的性能特点 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线技术即控制器局域网总线技术是由德国 b o s c h 公司于1 9 8 6 年2 月为了汽车的监测和控制系统而设计的一种现场总线技 术。 c a n 网络属于现场总线的范畴，是总线式串行通信网络。c a n 总线由于采用 了许多新技术与独特设计，与一般的通信总线相比c a n 总线的数据通信具有突出 的可靠性、实时性和灵活性。c a n 总线的特点可概况如下： s c a n 为多主方式工作。网络上任意节点均可在任意时刻主动地向网络上其 他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。 o c a n 采用非破坏性的基于优先级的总线仲裁技术。当多个节点同时向总线 发送信息时，优先级低的会主动退出发送，而优先级高的节点可不受影响的继续 传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情况下也 不会出现网络瘫痪情况。 o c a n 只需通过报文过滤即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 式传送接收数据，无需专门的调度。 o c a n 支持4 类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。采用短帧结构， 每帧有效字节数为8 个。这样传输时间短，受干扰的概率低，重发时间短，且具 有良好的检错效果。 o c a n 结点具有自动关闭功能，当结点错误严重时，自动切断与总线的联系， 这样可以不影响总线的正常工作。 o c a n 直接通讯距离最远可达l o k m ( 传输率此时最高可达5 k b s ) ，通讯速率 最高可达i m b s ( 传输距离此时最远可达为4 0 m ) ，c a n 总线上结点可达1 1 0 个。通 讯介质采用双绞线、同轴电缆或光纤。 q c a n 总线用户接口简单，编程方便，很容易构成用户系统。具有较高的 性能价格比，器件容易购置，而且开发技术容易掌握，能充分利用现在的单片机。 第8 页 上海大学工程硕士学位论文 t h e p o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 2 3c a n 总线的技术规范 2 3 1c a n 总线的分层结构 o s i 参考模型 图2 1 c a n 的物理层，数据链路层和应用层 根据i s o o s i 参考模型将c a n 总线分为物理层，数据链路层和应用层( 如图 2 1 所示) 。 下面就对物理层和数据链路层分别作具体介绍： 1 物理层 物理层用于在不同的c a n 总线节点之间进行实际报文的传输。当被传送的 报文由物理介质到达物理层时，首先介质相关接口要进行机械和电气上的连 接，然后通过介质附属装置完成报文数据的接收和故障检测，接下来由物理信 令对报文中的数据进行解码和同步处理，并将处理好的报文发送到数据链路 层。物理层定义了传输线和接口硬件的机械、电气和电信号特征及功能。机械 特征包括连接器尺寸、类型等；电气特性包括最大传输速率、最大传输距离、 第9 页9 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 信号电平状态代表意义等；电信号特征包括对应电平信号的逻辑信号、信号的 传输时序、数据采样方式等。 在数据传输速率方面，c a n 网络的速度取决于总线长度。控制器最快能达到 1 m b p s ，但对总线长度有限制。对于4 0 米长的总线，最大波特率是1 m b p s ；而1 5 0 0 米的总线，波特率约为2 0 k b p s 。总之，c a n 网络上任意两个节点之间的最大数据 传输速率与这两个节点之间的最小距离有关( 具体可参考表2 2 ) 。此外，对于 c a n 总线上的电平形式以及同步方式也作简单介绍。 表2 2 数据传输速率与距离的关系 c a n 总线波特率任意两点间的最大距离 c a n 网络的传输介质为双绞线，其上传输差分信号。c a n 网络中的总线电 平数值为两种互补逻辑数值之一：“显性 或“隐性”。“显性 和“隐性”同 时发送时，最后总线数值将为“显性 。在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐 性”状态。 一般的同步方式分为外同步和内同步两种。外同步方式使用单独的同步信号 来同步接收方的时钟；内同步通过提取数据码元序列中的同步信息来同步接收方 时钟。c a n 网络采用的是后一种方式。 2 数据链路层 数据链路层分为逻辑链路( l l c ) 子层以及媒体访问控制( m a c ) 子层。它们的 服务和功能而在c a n 技术规范2 0 a 的版本中被描述为图2 1 中的“目标层 和“传送层”子层。l l c 子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供 第l o 页 1 0 h 岫 锄 妇 陆 舳 i 室 h 勘 孔 兀 孔 孔 3 3 7 q l 2 5 6 l 卫 良 1 s 郧 筇 搭 邵 晦 ：2 皓 s 娜 娜 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 服务，确认由u 层接收的报文实际上己被接收，并为恢复管理和通知超载提 供信号。m a c 子层的功能主要是传送规则亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检 测、出错标定和故障界定。m a c 子层也要确定，为开始一次新的发送，总线是 否开放或者是否马上开始接受。图2 3 比较直观的描述了数据链路层和物理层以 及他们之间的关系。 数据链路层 物理层 逻辑链路控制子层 介质访问控制子层 物理信令 物理介质附属装置 介质相关接口 逻辑链路控制子层 物理传输介质 图2 3 数据链路层和物理层 2 3 2 报文传输及其帧结构 图2 - 4 四种不同类型的帧 第1 1 页 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y c a n 总线的各种高层应用请求主要是通过c a n 总线的报文传输来完成，因 此c a n 总线的报文传输是整个c a n 总线协议中非常重要的内容。如图2 4 所 示，c a n 网络中，数据在节点间发送和接收以四种不同类型的帧出现：数据帧、 远程帧、出错帧和超载帧。其中，数据帧由发送器传至接收器；远程帧，由某节 点发出，用来请求得到具有相同标识符的数据帧；出错帧，可由网络的任意节点发 送，以检查总线错误；超载帧，用于提供先前的和后续数据帧或者远程帧之间的附 加时延。另外，数据帧和远程帧用帧间空间与先前帧进行分隔。 下面将详细介绍报文传输的帧和域：数据帧含有7 种位域，依次是：帧起始 域、仲裁域、控制域、数据域、c r c 域、应答域和帧结尾域。它们的具体含义 如下： ( 1 ) 帧起始域，用来标志数据帧和远程帧的起始，含有1 位2 进制代码0 ( 2 ) 仲裁域，用来解决由于不同的发送单元同时开始传送报文而产生的总线 冲突。 ( 3 ) 控制域，主要用来指明数据域内所含有的字节数目。在标准帧中，控制 域依次由工d e 位、保留位承o ) 和4 位数据长度代码共计6 位组成。在扩展帧 中，控制域依次由2 个保留位( r 1 ，r o ) 和个数据长度代码位组成。 ( 4 ) 数据域，用来指明数据帧内所要发送的数据。它可以含有0 8 个字节，通 常首先发送最高数据位。 ( 5 ) c r c 域，即循环冗余编码域，用来校验数据帧和远程帧，从而降低报文传 输的误码率。( 6 ) 应答域，用来为接收方提供数据接收的反馈信息。应答域是由 应答间隙位和应答界定符两位2 进制代码构成的。 ( 7 ) 帧结尾域，用来表明数据帧或远程帧的结束，它是由7 位2 进制代码i 构成的。 m a c 子层的远程帧用于数据接收方启动其资源节点来向其发送同一标识符 的数据帧。在远程帧中含有6 种域，依次是帧起始域、仲裁域、控制域、c r c 域、应答域和帧结尾域。它并不像数据帧一样含有数据域。错误帧主要用于检测 总线上的错误。它含有2 种域，依次是错误标志叠加域和错误界定符域。其中， 前者是由总线上的各节点发送的错误标志相叠加而形成的域。通常，错误标志包 括激活错误标志( 由6 位2 进制代码o 构成) 和认可错误标志( 由6 位2 进制代 第1 2 页 1 2 上海大学工程硕士学位论文 里呈里旦! ! 壁兰塑坐坠呈! 堡旦! 兰塾竺堕型望坐! 竺! ! 堕 码l 构成) 两种。当总线上的某一个节点检测到错误时，就立刻发送相应的错误 标志。由于这种错误标志破坏了固定的帧格式，因此总线上的其他各节点都会检 测到错误条件，并同时发送相应的误标志。然后，将这些错误标志相互叠加就形 成了错误标志叠加域。过载帧与错误帧在格式上类似，它主要用于给相邻的数据 帧或远程帧之间提供附加的延时。它含有2 种域，依次是过载标志叠加域和过载 界定符域。其中，前者是由总线上的各节点发送的过载标志相叠加而形成的域。 通常，过载标志是由6 位2 进制代码o 构成的。当总线上的某一个节点由于接收 器内部或者其他原因而产生过载标志时，这种标志破坏了固定的帧格式，因此总 线上的其他各节点都会检测到过载条件，并同时发送相应的过载标志。然后，将 这些过载标志相叠加就形成了过载标志叠加域。 2 3 3 错误类型和故障界定 c a n 总线中存在5 种不同的错误类型： 1 位错误 处于发送状态的节点同时对总线进行检测，如果检测到发送位与检测结果不 一致，则报告出现位错误。但以下情况除外： ( 1 ) 在仲裁域，隐性位可被改写为显性位，此时表明该节点失去优先权； ( 2 ) 在应答间隙，当送出隐性位而检测到显性位不导致位错误； ( 3 ) 送出认可错误标志，而检测到显性位的节点不将其理解为位错误。 2 填充错误 在应使用位填充方法进行编码的报文中，出现了第6 个连续相同的位电平 时，将检测到一个填充错误。 ( 1 ) 由于干扰而产生多于5 个连续的同极性位，此种错误所有节点均可检测 到： ( 2 ) 由于干扰而使填充位前一个或多个位发生错误，该种错误接收方并不认 为是填充错误，此时其它的检测机制可检测此种错误，如c r c 。接收方对接收 格式检测，发送方对位错误检测。 3 c r c 错误 c r c 序列是由发送器的c r c 计算结果组成的。接收器以与发送器相同的方 第1 3 页 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 法计算c r c ，如果计算结果与接收到的c r c 序列不同，则检出一个错误。 4 格式错误 以下位域具有固定格式：帧结束域、帧间空隙域、应答界定、c r c 界定、错 误界定。当进行这些域的发送时，如果检测到显性位信号，则表明出现格式错误。 当有固定格式的位域包含一个或更多的非法位时，检测到格式错误。 5 应答错误 如果发送节点在应答空隙中未检测到显性位信号，则出现应答错误。检测到 出错条件的节点通过发送出错标识进行标定。当任何节点检测出错误、填充错误、 格式错误或应答错误时，由该节点在下一位开始发送出错标志：当检测到c r c 错 误时，出错标识在应答界定符后面那一位开始发送，除非其它出错条件的错误标 识已经开始发送。 在c a n 总线中，任何一个单元可能处于下列三种故障状态之一：错误激活、 错误认可和总线关闭。 检测到出错条件的站通过发送出错标志进行标定。对于错误激活节点，其为 活动错误标志；而对于错误认可节点，其为认可错标志。错误激活单元可以照常 参与总线通信，并且当检测到错误时，送出一个活动错误标志。不允许错误认可 节点送出活动错误标志，它可参与总线通信，但当检测到错误时，只能送出认可 错误标志，并且发送后仍被错误认可，直到下一次发送初始化。总线关闭状态不 允许单元对总线有任何影响( 如输出驱动器关闭) 。 关于界定故障，在每个总线单元中都设有两种计数器：发送出错计数器和接 收出错计数器，用于登记相应的错误计数。当一帧信息正常发送或接收时，计数 器减数。而出错时加数，这种计数不成比例，错误计数值大，而正确计数值小。 一段时间后，错误计数增加，计数值反应了干扰的频率程度。计数值增加减少 的比例取决于无效有效信息的比例，由硬件规定为8 ，如果一个计数值超过了 9 6 个错误的警戒线，表明错误次数很高，因此c a n 控制器发出出错信号( 错误 状态，错误中断) c a n 控制器超过了1 2 7 个错误点后进入认可错误状态，而之前 为激活错误状态；当发送错误超过2 5 5 个后，c a n 控制器进入关闭状态。在系统 启动期间，如果只有一个节点在线，此节点发送报文后，将得不到应答，它检出 错误并重复该报文。它可以变为“错误认可 ，但不会因此“总线关闭 。 第1 4 页1 4 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 故障界定的目的在于： 1 可以识别短暂的和长期持久的干扰 当c a n 控制器接收到持续干扰时，必须通知外部c p u ，正常后，又要通知 c p u 返回正常操作。在长干扰期间，c a n 控制器进入总线关闭状态，短干扰不 会影响c a n 控制器的工作。 2 硬件干扰的检测和定位及防护 c a n 协议中定义了错误处理的原则，即最大限度地接近错误源，最大限度 地反应，最大限度地快速响应。因此错误大部分被本地处理，而对整体的总线操 作影响最小。根据这些原则，最接近出现错误的c a n 控制器，可以高效率最迅 速的做出反应( t i p 变成错误认可或脱离总线) 。因此错误可被定位，并对正常总线 活动的影响最小。 2 4 小结 本章主要介绍了c a n 总线网络协议的技术规范，分析了c a n 总线的分层结构并 且阐述了c a n 总线中经常用到的一些基本概念。下一章将介绍本论文的具体 设计。 第1 5 页 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a i u n i v e r s i t y 第三章基于c a n 总线的电梯远程监控系统 3 1 电梯远程监控系统的工作流程 按照r e m s 的网络结构，可以在硬件结构上把r e m s 分为四层：数据采集装置、 工作站、服务器、监控中心。在现场，控制器控制电梯运行并负责向工作站提供 信息：数据采集单元负责向工作站提供各类信号和数据；工作站采集电梯控制器 的信息后实现监控，并将采集的数据存储在服务器上；服务器负责数据库的维护， 并响应各工作站的查询命令；监控中心用于监管各电梯的运行状态，并对单个电 梯进行控制。系统的总体结构如图3 - 1 所示： 第1 6 页1 6 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 图3 - 1 电梯远程监控系统的总体结构图 事实上，根据所监控电梯数量的大小和客户的不同情况，可以灵活的改变网 络的结构。r e m s 中一台工作站可以最多可以监控4 0 部电梯，假设某现场电梯数 量不足4 0 台，可以用一台p c 机充当服务器，安装服务器软件进行监控：当电梯数 量大于4 0 但小于8 0 时，可以用两台p c 机，其中一台充当工作站，安装工作站软件， 另一台充当服务器，安装服务器软件，两台p c 机同时进行监控。当电梯规模较大 时，应当考虑采用工作站服务器模式网络中的任何一台服各器，既可以接受 监控中心的管理，也可以独立运作。 1 数据采集装置 数据采集装置完成电梯运行数据的采集工作，通过一块数据采集卡连接电梯 的控制单元和工作站，把电梯的运行数据传送到监控系统中，进行处理。数据采 集装置要完成两项任务：数据的采集和传送。电梯的运行数据选自电梯p l c 控制系 统、安全开关、呼梯信号、电机、变频器等，通过特定电路，输入到数据采集卡， 由数据采集卡进行处理后，通过转换接口传送给工作站的计算机接口，完成电梯 现场与监控系统的连接。 2 工作站 在该系统中，工作站充当客户机的角色，它对下位机( 电梯) 发送来的数据 进行处理并显示，为用户提供一个监控现场，用户能够通过工作站掌握电梯的状 态信息。用户还可以查询电梯的档案信息，电梯运行的历史资料，获得电梯在历 史上某段时间内的性能分析结果，并打印报表。最重要的是该系统能在电梯发生 故障时提供多种报警方式。 根据r e m s 系统的配置，在一个工作站下可以运行多台电梯。例如一栋大厦里 有多部电梯在运行，而只要在监控室配置一台工作站就可以监视大厦里所有电梯 的运行状态。这样不仅费用比较低廉，而且大楼内部的集中监控给物业管理带来 了很大的便利。 工作站对电梯的监控主要体现在下面几个方面： ( 1 ) 状态监视 该系统可以实时的、动态的监视电梯运行状态，包括到达楼层、电梯开关 门、上下行、厅门召唤信号等等。 第1 7 页 1 7 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y ( 2 ) 故障报警 监控管理系统的一个重要的内容是在监控对象发生故障或紧急情况时及时 通知用户采取措施。电梯远程监控系统在设计上可以考虑多种报警方式，以适用 于不同的场合。当维修人员一直在现场时，计算机屏幕会通过光报警的方式通知 维修人员哪部电梯发生了故障，发生的故障类型是什么；当维修人员不在监控现 场但距离现场较近时，监控系统可以通过声音进行报警；当维修人员远离现场时， 监控系统可以通过设置在服务器端的呼叫中心向维修人员的发送故障信息。监控 系统收到故障信息后，可以决定是否播放电梯现场的安抚语音，对乘客进行安抚。 ( 3 ) 统计功能 显示电梯的运行次数及运行时间，并进行累计。建立故障统计数据库，对故 障类型、故障的次数进行统计、查询。建立维修保养数据库，对包括维修次数、 维修时间、维修人员直接到现场的时间等进行统计、查询。电梯运行参数统计， 如各层站召唤时间分布、召唤次数、最大侯梯时间等，并制成报表或图表显示： 最后在工作站建立用户数据库，包括用户电梯的各类信息，以方便维修人员可以 调用。 3 服务器 在客户机服务器结构中，服务器的一个主要功能是管理、维护数据库。在 工作站软件中，用户可以查询电梯档案和电梯的历史事件，查询电梯在某段时间 内的性能分析结果，但工作站今能对与该工作站相连的电梯进行分析，还有就是 工作站的硬件配置比较第，数据处理能力不足。大量的后台数据处理要由服务器 来完成的。 工作站通过网络将采集来的数据经过处理后按照一定的格式将其存储在服 务器端的