（电力电子与电力传动专业论文）电梯运行状态实时远程监控系统研究.pdf

a b s t r a c t e l e v a t o r p l a y s a n i m p o r t a n t r o l eo f t r a n s p o r t a t i o n i n s k y s c r a p e r s a s e l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t e de q u i p m e n t i ti sa l s ot h ei n d i s p e n s a b l ep a r to fb u i l d i n g a u t o m a t i o n f o rt h ec o m p l e xs t r u c t u r ea n dt h es t r i c tr e q u e s tf o rr e l i a b i l i t y , m o n i t o r i n g r u n n i n gs t a t u s a n df a u l ti n f o r m a t i o no fe l e v a t o ri ss i g n i f i c a n tt o i t s m a n a g e m e n t ， m a i n t e n a n c ea n ds e c u r i t yo p e r a t i o n t h i st h e s i si n t r o d u c e st h el a t e s td e v e l o p m e n to f t h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo f e l e v a t o ra n dt h e c o m p a r i s o n b e t w e e nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t i nt h i sf i e l d ar e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m f o rn m n i n gs t a t u so fe l e v a t o ri s d e v e l o p e db yn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n dd a t a b a s et e c h n o l o g y t h e s y s t e mp r o v i d e sac o n v e n i e n ta n d v i v i ds e r l e m e n tf o rf a u l td e t e c t i n g ，a n a l y z i n ga n d r e m o v i n g t h i ss y s t e mi sc o m p o s e do ff r o n tt e r m i n a la n dm o n i t o r i n gs o f t w a r eo ns e r v e r f r o n tt e r m i n a lt a k e sc h a r g eo fs a m p l i n gt h es i g n a l so fe l e v a t o rs t a t u s ，f a u l ta n d e q u i p m e n t s i fa n yf a u l ta p p e a r s f r o n tt e r m i n a li n f o r m st h es e r v e r t h eu n i v e r s a l p r o p e r t ya n dc o m p a t i b i l i t yh a sb e e nc a r e f u l l yc o n s i d e r e di nh a r d w a r ed e s i g no f t h e f r o n tt e r m i n a l t h es y s t e mo v e r c o m e st h ed i f f i c u l t i e st h a tt h ec o m p a n i e sh a v et h e i r o w nc o d es t a n d a r d sa n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ef r o n t t e r m i n a lc a nb ea d a p t e dt ot h ee l e v a t o rc o n t r o l l e r so fa n yc o m p a n yw i t h o u ta n y c h a n g e ，y e tt h ep r o g r a mo fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li n t e r p r e t i n gs h o u l db er e p l a c e d m o n i t o r i n gs o f t w a r eo nt h es e r v e ri sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c t h em o n i t o r i n g i n t e r f a c ei nt h es o f t w a r ed i s p l a y st h er e a lt i m er u n n i n gs t a t u so fe l e v a t o rw i t hd y n a m i c p i c t u r e sa n d t h er u n m n g p a r a m e t e r s ，t h ei n f o r m a t i o n o ft h el a t e s tt e ng r o u p sr u n n i n g s t a t u sa n df a u l t sc a nb e i n q u i r e d i nf a u l td a t a b a s eb yt h ei n t e r f a c ef o rf a u l tj u d g i n ga n d i n f o r m a t i o nd i s p l a y i n g t h u si ti se a s i e rt oa n a l y s i sf a u l tc a u s e sa n dc l e a rf a u l t f r o n tt e r m i n a la n ds e r v e rc o m m u n i c a t eb yp u b l i ct e l e p h o n en e t w o r k a n dt h e y t o g e t h e r a c c o m p l i s h t h e f i m c t i o n o f m o n i t o r i n g r e a l t i m e r u n n i n g s t a t u s o f e l e v a t o r k e y w o r d s ：e l e v a t o r r e m o t e m o n i t o r i n g f r o n tt e r m i n a l m o n i t o r i n gs o f t w a r e f a u l td a t a b a s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致i 身f 之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的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。 学位论文作者繇缃唪良签字隰加年，月” 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一魏m 聊龆刎 签字日期：2 口口侈年月力签字日期：易年月g 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电梯远程监控系统的发展现状 随着高层建筑的大量涌现，电梯的数量的增多，电梯在现代建筑中的重要作 用日益明显。保证电梯高效、可靠、安全的运行，越来越多地引起了人们关注。 经常发生的情况是：电梯出现故障，维修人员不能及时赶到故障电梯的现场：电 梯内缺乏有效的通讯工具，维修部门既不了解故障现状又不能提供必要的安抚， 使受困人员承受着巨大的身心压力；维修人员不能及时地获得对电梯日常运行的 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。电梯远程监控系统r e m ( r e m o t e e l e v a t o rm o n i t o r ) 是当今电梯控制领域的先进技术，是电梯的管理、维护和确 保电梯安全运行的需要，是及时发现故障，并进行分析和排除的必要手段。电梯 远程监控是中国电梯行业继p l c 控制系统与v v v f 调速系统之后的又一次大的技 术进步。 目前，国外各大电梯公司如日本的三菱、日立、东芝、富士达，美国的奥的 斯，瑞士的迅达，芬兰的通力，德国的的蒂森等国际大公司都有不同水平的与自 己电梯系统配套的r 雕系统。与一些有着较长电梯史的国家相比，目前我们国家 的电梯市场还处在发展阶段，引进先进技术、开发新产品、安装高速高档电梯的 同时，还应该重视和加强对电梯的规范化管理，尤其是日常的维护维修和改造方 面有许多工作要做，因此，对于电梯远程监控系统，国内与国外有着不同的侧重 点，其情况对比如表卜一所示。 国外的远程监控产品样本上很多都有“可在一个屏幕上同时监视1 1 台电梯” 这样的技术指标。这是与他们重视群控功能分不开的。同时监控群组运行中的几 台电梯，可以更直观地了解到群控中呼梯信号的分配情况，以便及时调整群控原 则，提高群组电梯的运行效率。 第一章绪论 表卜1 国内外远程监控系统对比 发达国家目前我国 希望节省人工劳动力市场较大 不可能每台电梯安装一台直拨电话，误 电话网络发达、误码率低 码率高，通话质量有限。 注重运行效率更注重运行时的安全与可靠 有一定规模的管理系统网络还未形成健全体系 电梯故障率低有大量旧梯需更新改造 在故障发生后，希望尽快排除故障，缩 重视臼常的故障诊断以及早期预报 短停梯时间，减小损失 将远程调试电梯、远程设置有关数据作 现场调试、设置数据，远程监视与管理 为较重要的功能 要求实用且兼容性好，即希望同一系统 系统费用很高，相互之间不具有通用性 能监控不同公司的电梯 电梯远程监控系统还有个较为超前的功能是“故障预估”，即当电梯系统 将要出现故障但还没有出现故障时，控制系统已经通过模型参考比较的方法，预 测到将要发生的故障，并通过监控系统通知服务中心“某处将要出现故障”。这 个功能在一些进口电梯监控系统中( 如o t i s 公司的r e m 系统) 已经出现。作为一 个成熟的电梯控制系统。其远程监控部分应该与信号控制系统和拖动控制系统构 成一个整体，系统完全可以根据电梯运行的加减速时间、平层精度、电压、电流、 转速、载荷、楼层等多个采样环节的数据来对系统的运行状况进行综合评估啪。 电梯远程监控系统的开发应从国情出发。开发出适合我国电梯市场需求的功 能与产品。国内电梯厂家和公司已经意识到r e m 系统的应用前景，如无锡中秀公 第一章绪论 司已经自主开发出一套电梯远程监控系统，且增加了遥视的功能，即能随时监视 轿厢内的情况。 1 2 课题的提出、研究意义及应用前景 现在国内外电梯远程监控的通常方式有两种：一是通过公用电话网络；二是 基于r s 4 8 5 标准，专门铺设线路，或是两者的组合。本课题主要着眼于前一种方 式，即通过电话线路，由有关人员通过设在电梯维修服务中心的计算机对分布在 各地的电梯进行远程监控。 国内的电梯公司自己开发的远程监控的系统，大致的做法是在控制柜中添加 一块数据采集及通讯卡即前端机，它通过专门的接口接收电梯控制器发出的运行 状态信号及故障信号，产生故障后接通服务中心计算机报警。由于不同的公司所 提供的电梯控制器的信息代码标准不同，加之我国电梯市场上百种梯型共存的现 状，因此制约了远程监控服务体系的规模化发展；此外一些远程监控系统没有包 括电梯使用现场设备方面的信息如触点、抱闸等，所以控制中心无法远程了解现 场设备，不易进行故障检测，因此对同- - , j , 区中实现不同厂家电梯的集中监控难 度增加：不利于远程监控技术的发展和完善。 而国外的电梯绝大多数都采用微机控制，在其微机板上一般都预留了远程监 控的接口，所以在他们的产品上基本没有前端机这一概念的。前端机的概念，是 为了适应中国电梯市场中大量基于p l c 控制电梯这样一个实际情况而提出的。因 为p l c 功能有限，无法提供对电话网络的控制功能，如拨号、摘机、挂机等。所 以前端机起到了p l c 与电话网络的桥梁作用。 本课题旨在完成电梯运行状态实时远程监控系统的开发，制作前端机和服务 器监控软件，除完成远程监控的基本功能外，还可在前端机硬件电路和服务器监 控软件不变的情况下，通过不同的通讯协议展开程序将相应公司电梯控制器的信 息代码转换成统一标准的信息代码，实现不同厂家电梯的集中监控；并且在采集 电梯运行状态信号及故障信号的同时，接入现场设备的状态信号，并预留出输入 端子，利于扩展故障检测系统的性能，以利于将来在此硬件平台上进行故障诊断、 故障预测等方向的研究。 3 第一章绪论 1 3 论文研究的主要内容 本课题主要完成的任务如下： 1 前端机的设计 负责在电梯控制系统中进行数据采集。当电梯发生故障时，前端机接收故障 的状态信号并进行判断得出故障类型，把故障类型和故障时的运行状态等传给服 务中心计算机；电梯正常运行时，前端机采集的信号不主动上传给服务器。但服 务器可主动拨号接通前端机，查询电梯的运行状态，前端机接到服务器的呼叫后， 会将电梯的运行状态实时连续地传送给主机，直到主机挂机。由前端机进行故障 判断的系统，在软件设计上应考虑到充分的冗余，只有当故障现象持续保持一段 时间后，前端机才会认为是故障，这就防止了由外界干扰引起的故障误判断。具 体做法是： 前端机中采用台湾华邦公司的w 7 7 e 5 8 主控芯片，采用汇编语言设计下位机 程序。 前端机通过故障判断子程序，定时采集电梯的状态信号，并判断故障信号。 2 前端机与控制中心计算机的通讯 在前端机中设计与m o d e m 的通讯子程序。 在上位机中使用v b 6 0 的m s c o m m 控件编程实现与m o d e m 的通讯。 3 上位机的设计 用p h o t o s h o p ? 在v b 环境中设计人机界面，用动态模拟画面反映出电梯的 实际运行情况。 用a c c e s s 建立电梯故障信息和运行状态信息库，以数据访问对象d a o ( d a t a a c c e s so b j e c t ) 方式实现人机界面对数据库的访问。监控系统保留电梯发 生故障前的十组状态到监控软件的数据库，通过查询故障记录，对故障原 因进行分析，可及时快捷的排除故障。 4 第二章电梯运行状态实时远程监控系统总体方案 第二章电梯运行状态实时远程监控系统总体方案 2 1 系统的总体设计及功能 电梯监控系统主要由位于控制现场的前端机及电梯控制柜( 下位机) 、公共 电话网络和调制解调器( m o d 跏) 和向操作员提供监控界面的服务中心计算机( 上 位机) 三部分组成。如图2 1 所示。 一 匦巫匦习堕 降k 群塑卜霉誓 1 机l| ： ： ： 一u 丽而面i 啊 远程监控系统最关键的设备是前端机。前端机负责完成从电梯控制系统进行 数据采集、控制电话拨号、接通以及与服务器进行通讯等工作。其具体功能如下： ( 1 ) 负责在电梯控制系统中进行数据采集。如图2 2 所示，所采集的数据主要是 四部分：电梯控制器的信号、 控制执行元件的状态、控制柜 输入输出端子信号、电梯现场 状态信号。当电梯发生故障 时，前端机通过对应不同公司 电梯控制器的信息代码和故 障代码的通讯协议展开程序， 接收当前的运行状态信号和 图2 - 2 电梯控制柜与前端机的连接示意图 故障信号，并判断得出故障类型，把故障现象、类型和故障时的运行状态队及故 第二章电梯运行状态实时远程监控系统总体方案 障之前的十组运行状态等信息打包，并根据自定义的通讯协议，通过公共电话网 传给服务中心计算机：具体过程是前端机控制m o d e m 模块拨号，通过公共电话网 络与主机的m o d e m 连接，连通后将故障包传给主机。上位机收到信息包后，按照 预先规定好的协议将其展开，同时向故障库添加记录；监控系统保留电梯发生故 障前的十组运行状态数据，维修人员通过查询故障记录服务中心，对故障原因进 行分析，及时快捷排除故障。 ( 2 ) 电梯正常运行时，前端机采集的信号不主动上传给服务器。而服务器可主动 拨号接通前端机，查询电梯的运行状态，前端机接到服务器的呼叫后，会将电梯 的运行状态实时连续地传送给主机，直到主机挂机。由前端机进行故障判断的系 统，在软件设计上考虑了充分的冗余，只有当故障现象持续保持一段时间后，前 端机才会认为是故障，这就防止了f h # l - 界干扰引起故障误判断。 2 2 系统组成 本系统设计主要分两部分：前端机和服务器监控软件。如图2 3 所示。 图2 - 3 系统组成 前端机采用w 7 7 e 5 8 单片机作为前端机微处理器( 主控芯片) ，电路板设计由 6 第二章电梯运行状态实时远程监控系统总体方案 六部分组成：m c u 电路、a d 采集转换电路、开关量采集电路、m o d e m 芯片及外 围电路、r s - - 2 3 2 与t t l 电平转换电路、扩展e e p r o m 电路。其中，m c u 电路即 w 7 7 e 5 8 微控制器外围电路，扩展e e p r o m 负责存储运行状态信息和故障记录，具 有掉电保存功能。本设计并不包括模拟量的接收过程中，传感器信号转化为o 5 v 电压信号以供a d 转换芯片采用的电路部分。 服务器远程监控软件包括：电梯实时动态模拟运行界面、运行状态和运行曲 线显示、电梯故障监视和查询界面以及后台的故障数据库。其中，电梯实时动态 模拟运行界面能以逼真的动画形式实时反映被监控电梯运行的位置，运行参数和 各触点的状态；运行曲线是电梯运行速度的实时显示；在电梯的故障监视和查询 界面中，既可以看到实时的故障信息，又可以根据用户的要求查询、添加、删除 故障记录。 7 第三章前端机的设计 第三章前端机的设计 前端机的设计是电梯远程监控系统功能实现的核心，其设计要求是完成电梯 控制系统的数据采集、故障检测和判断并与服务器进行通讯等工作。设计过程主 要分为六个阶段：根据设计要求选取硬件、搭建各模块的硬件电路、设计相应模 块的程序、模块内软硬件调试、前端机的软件设计、前端机整个系统联调。 3 1 硬件的选取 3 ，1 1 前端机主控芯片的选取 前端机的设计应满足：服务器计算机在查询前端机时，即主控芯片( 微控制 器) 与m o d e m 电路进行通讯过程中，前端机必须能采集电梯控制器中的电梯的实 时运行状态信号，并实时上传。考虑到，主控芯片与m o d e m 芯片是通过主控芯片 的串行口进行通讯，而主控芯片与电梯控制器的串口进行r s 一2 3 2 通讯，也是通 过主控芯片的串行口，若用普通的单串行口单片机，即使是增加双向三态缓冲器， 此功能实现也相当困难。所以本设计采用了带双串行口的w i n b o n d 公司的w 7 7 e 5 8 单片机作为主控芯片，使m o d e m 芯片和r s 一2 3 2 的通讯在不同的串行口进行，如 主 串行口1卜jm o d e m 芯j 牛 控 l j b 门 一电梯裂嚣提供 串行口0 圈3 - 1 主控芯片的串行口通讯 图3 - 1 ，保证了功能的实现。 双串行口的常用的单片机还有d a l l a s 公司的d s 8 0 c 3 2 0 ，但它的缺点是片上 没有r o m ，需要片外扩展。 在主控芯片的选取上还有一种方案是：采用两片价格较低的a t 8 9 c 5 1 共享一 8 第三章前端机的设计 片e e p r o m ，表面上看来，好像是价格低了，但是还需要附加仲裁电路，解决两 片a t 8 9 c 5 1 访问存储器冲突问题，价格上并不经济，且软件上还要增加相应的代 码，同时使电路板的面积增大很多，容易引入外界干扰。 本设计选用的主控芯片w 7 7 e 5 8 是台湾w i n b o n d 公司生产的，是与m c s 一5 1 系列单片机兼容的可多次编程的快速微处理器，在它内部集成有3 2 k 的可重复编 程的f l a s hr o m ，2 5 6 字节的片内r a m 、可编程的看门狗定时器、3 个1 6 位定时 器、2 个增强型的全双工串行口等。由于它采用了全新设计的微处理器内核，去 除多余的时钟和存储周期，因此，在相同的晶振频率下，根据不同的指令类型， 其运行速度般比传统8 0 5 1 系列快1 5 到3 倍，一般情况下，平均可达2 5 倍 以上。 w 7 7 e 5 8 的指令系统完全兼容于i n t e l 8 0 c 5 2 ，所以编程方便。而且w 7 7 e 5 8 也 具有8 0 c 5 2 的全部资源和功能，它与8 0 c 5 2 的封装也完全兼容。 因为主控芯片与m o d e m 芯片在通过主控芯片的串行口进行通讯时，主控芯片 要与电梯控制器的串口进行r s - - 2 3 2 通讯，以获得电梯运行状态信息，即两个串 行口的中断是嵌套关系，而w 7 7 e 5 8 本身的中断源正好满足此要求。w 7 7 e 5 8 有1 2 个中断源，具有两个中断优先级，可实现两级中断程序嵌套，每个中断源都有独 立的中断使能位、中断优先权位、中断标志位和中断向量。为了同8 0 c 5 2 兼容， 所有新增加的中断的优先级都在原有中断的优先级之后，其中断优先级及中断向 量如表3 1 3 所示。w 7 7 e 5 8 增加的一个全双工串口的外部引脚为r x d l 、t x d l 和 p 1 2 、p 1 3 复用。 前端机每隔固定时间要对外部的模拟量和开关量进行采集，所以要用到定时 器。而定时器计数器0 用作软件延时，定时器计数器1 作为串行口1 的波特率 发生器，定时器计数器2 作串行口0 的波特率发生器。幸好w 7 7 e 5 8 的可编程看 门狗定时器可实现复位程序和采样定时器双重功能，所以前端机的采样定时器采 用看门狗定时器。 9 第三章前端机的设计 表3 一l 中断优先级结构 中断源标志寄存器中断优先级 外部中断0 i e o1 ( h i g h e s t ) 定时器0 溢出 t f o2 外部中断1 i e l3 定时器1 溢出 t f i4 串行口0r i + t i5 定时器2 1 溢出 t f 2 + e x f 26 串行口1r il + t i17 外部中断2i e 28 外部中断3i e 39 外部中断4 i e 41 0 外部中断5i e 51 l 看门狗定时器w d i f 1 2 ( l o w e s t ) 3 1 2 a d 转换器的选择 a o 转换器是过程及仪器仪表设备等检测与控制装置中应用比较广泛的器 件a 其选择主要考虑两方面：确定a d 转换器的位数和a d 转换器的转换速率。 在前端机的设计中，电梯安装时所采用的传感器不尽相同，所以前端机不包 括对现场传感器的电路接口部分的设计。由于电路板上的大部分芯片的电源都采 用+ 5 v ，所以在实际使用时，应将传感器的电流或电压输入信号经过相应的电路 转换成0 5 v 电压信号。 考虑到本监控系统的输入模拟量如电梯的轿厢内温度、轿厢的载重量等信号 对精度的要求不是很高所以可采用中低分辨率的a d 转换器，即8 1 2 位之间； 又由于本系统采用单片机控制，所采集的模拟量的变化频率不是很高，所以采用 中低速的a d 转换器便可。而中速a d 的转换器中逐次比较型的a d 转换器的转 l o 第三章前端机的设计 换时间可从几口s 到1 0 0 芦s 左右，适用于工业多通道单片机控制系统。 基于上述两条，加上价格的因素和方便p c b 制作的连接和走线，本系统a d 转换器采用德州仪器公司的1 2 位开关电容型逐次逼近模数转换器t l c 2 5 4 3 ，它 具有三个控制输入端，采用简单的3 线s p i 串行接口可方便的与单片机进行连接。 t l c 2 5 4 3 的主要特性如下：1 1 个模拟输入通道；6 6 k s p s 的采样速率；最大转换 时间为1 0 fs ；s p i 串行接口：线性度误差最大为i l s b ：低供电电流( i m a 典 型值) 。 3 1 3 m o d e m 芯片的选择 目前有多家公司提供各种单片m o d e m 芯片，如t d k 公司的s s l 7 3 k 2 2 2 a l 芯片、 s t 公司s t 7 5 3 6 芯片，o k i 公司的m s m 7 5 1 2 b ，c m l 公司的c m x 6 2 4 。s t 7 5 3 6 是s t 公司的电力线m o d e m 器件，而且是半双工的；虽然m s m 7 5 1 2 b 可用在远程控制系 统、家庭安全系统等场合，和单片机构成的接口电路也较简单，但它也是半双工 通讯，且不能与单片机共用i i 0 5 9 2 m h z 晶振，只能单独采用3 5 7 9 5 4 5 m h z ，所 以使用不便；c m l 公司的c m x 6 2 4 是可支持v 2 3 或b e l l 2 0 2 标准的m o d e m 芯片， 它采用低电压、超低功耗工艺。工作电压可低至2 7 v ，工作时的典型电流为 1 9 m a ，可适应特殊情况的电源系统，但是价格较高。s s l 7 3 k 2 2 2 a l 是t d k 公司 的m o d e m 器件，主要特性有：符合c c i t t v 2 2 ，v 2 1 ，b e l l 2 1 2 a 和b e l l l 0 3 标准 协议；全双工通讯，速度可达1 2 0 0 b p s ( d p s k 方式) ；具有d t m f 拨号功能；具有 应答音、防卫音的发送与检测功能；接口与5 l 系列微控制器兼容；可异步、同 步串行通讯；采用单一的5 v 电源供电：能与单片机共用1 1 0 5 9 2 m h z 晶振“3 。结 合系统的要求，考虑到性价比，本设计选用了s s l 7 3 k 2 2 2 a l 芯片。 3 2t l c 2 5 4 3a d 转换器的应用 t l c 2 5 4 3 是1 2 位的串行a d 采集芯片，精度约为l m v 。单片机的t o 口可以 以串行方式通过t l c 2 5 4 3 的s p i 串行接口对其进行控制和读写。采样速率较快， 为6 6 k s p s 。a d 转换时间通常为几微秒。 3 2 1 t l c 2 5 4 3 的特点 第三章前端机的设计 如图3 - 2 所示，a o a i o ：模拟输入端，由内部多路器选择。前端机需要采 集的模拟量经传感器及信号转换电路最终接到a 0 a 1 0 。r e f 0 2 为参考电压芯片， 图3 - 2t l c 2 5 4 3 接口电路 其输入为+ 1 5 v 电压，输出为t l c 2 5 4 3 提供+ 5 v 基准电压。 c s 由高到低变化将肩动一个i o 周期，复位内部输入数据寄存器，此时输 出寄存器中的值是随机的，所以第一次转换的结果取出时应被忽略。当c s 为高 时，i oc l o c k 和d a t a i n p u t 被禁止，d a t a o u t 为高阻态。 d a t ai n p u t ：串行数据输入端，串行数据以m s b 为前导并在i oc l o c k 的前 4 个上升沿移入4 位地址，用来选择下个要转换的模拟输入信号或测试电压， 之后i oc l o c k 将余下的几位依次输入。 d a t ao u t ：a d 转换结果三态输出端，在c s 为高时，该引脚处于高阻状态； 当c s 为低时，该引脚由前一次转换结果的m s b 值置成相应的逻辑电平。 i oc l o c k ：时钟输入输出端。因为单片机的晶振为1 1 0 5 9 2 m h z ，所以此 处i oc l o c k 为2 u s 。 3 2 2 1 l 0 2 5 4 3 的硬件接口 由于w 7 7 e 5 8 系列单片机不具有 s p i ( 串行外设接口) 和相同能力的接口， 为了便于与t l c 2 5 4 3 接口，采用软件合 成s p i 操作，为减少数据传送速率受微 1 2 w 7 7 e 5 8 t l c 2 5 4 3 p 1 0 e s p 1 1 i dc l o c k p 1 2d 勰a i 咖 p 1 3n 酊ao i _ 】t 图3 3t l c 2 5 4 3 与微控器的接口 第三章前端机的设计 处理器的影响，尽可能选用较高时钟频率。接口电路如图3 3 所示。 t l c 2 5 4 3 的i 0 时钟、数据输入、片选信号由p 1 1 、p 1 ，2 、p 1 0 提供，转换 结果由p 1 - 3 串行读出。 3 2 3 接口程序设计 t l c 2 5 4 3 的时序为( 以8 时钟为例) ：在t l c 2 5 4 3 的c s 变低时开始传送过 程，i oc l o c k 在前8 个上升沿将8 个输入数据位键入输入数据寄存器，高4 位 用于模拟输入通道选择：同时它将前一次转换的8 位数据移出d a t ao u t 端，在 i oc l o c k 下降沿时数据移出。程序设计思路为：用累加器和带进位的左循环移 位指令来合成s p i 功能，读入转换结果的第一个字节的第一位到进位( c ) 位。 累加器的内容通过进位位左移，通道选择的方式数据的第一位通过p 1 2 输 it i ：c 2 5 4 3 持高露 | 脚清i ，o 伍。瞧端 l 微t l 3 诶八0 通道选择嘉豸露盛銎囊捧 l 徽控器审行诶出嗵遵值 t l c 2 s 4 3 读入1 通道选择 i 錾熊魏道 ；l 籍艘溅。 图3 - 4 模拟量采集子程序流程图 出到t l c 2 5 4 3 。然后由p 1 1 先高后低的翻转来提供串行时钟。这个时序再重复7 次，完成转换数据的第一个字节的传送。第二个字节由重复8 次时钟脉冲和数据 传送的整个序列来传送。即在读出前一次转换结果的同时，将下一次要选择的通 第三章前端机的设计 道号发送到t l c 2 5 4 3 中去。注意第一次转换的结果取出时应被忽略。如图3 - - 4 。 3 3单片式调制解调器7 3 k 2 2 2 a l 的应用 7 3 k 2 2 2 a l 是t d k 公司新近推出的k 系列单片式调制解调器，是专门用于和 微控制器配套以组成远距离数据通信与控制系统的集成电路芯片。7 3 k 2 2 2 a l 芯 片和微控制器配套以组成远距离数据通信设备时，可作为微控制器的外围设备直 接使用，通过8 位地址数据复用线或串行总线与微控制器接口直接相连。在异 步通讯或同步通讯中，仅需通过两根电话线即可完成与远端的数据交换。 7 3 k 2 2 2 a l 外围电路由四部分组成：- - 四线转换电路、信号耦合电路、m o d e m 电路及m c u 电路。 3 3 1 二四线转换电路 因为在公用电话线上，发送和接收的载波信号是相互叠加的，要分别获得发 送和接收信号必须将他们通过一定的方式分开。这就是电信应用中的二线平衡信 号与四线不平衡信号的相互转换。所n - 线平衡信号是指电信应用中交换机或电 话机采用的在一对线上同时传输的接收和发送信号；而四线不平衡信号则是指通 常的发送信号和接收信号，每个信号采用一根信号线和一根地线，总共四根线“。 一般的模数转换的芯片都是采用接收和发送分开的四线不平衡方式，因此， 在单片机应用系统中若需要与电话线二线接口，必须采用- - 四线转换。- - 四线 转换可以采用集成电路，如与电话机接口时可以采用m c 3 3 1 2 0 、m c 3 3 1 2 1 等接口 芯片。本设计采用一种l ：l 音频变压器和运算放大器实现的二四线转换电路， 并简要分析其工作原理。 图3 5 是- - 四线转换的接口电路，右边是平衡二线，左边则是不平衡四线。 此电路是将二线中收发混合的信号分开。如图3 - - 5 ，t r 信号点既有发送信号巧， 又有接收信号，因此= + ，在中将接收信号分离出来的原 理就是设法将中的发送信号减去。因为接收点r 的信号咋可以表示为： 一鲁，+ ( t 噜 熹p 口， 1 4 第三章前端机的设计 _ 一鲁 ( 3 2 ) 若卺选为与变压器的损耗相同，故可以假定巧是的2 倍。 因为= + ，巧= 2 ，则： 一鲁，+ + 鲁 ( 酉譬 z c ，哪 一鲁+ ( 1 + 鲁 嫱 一矧 b 。， 式中等号右边第一项就是接收信号，为使在r 处消除发送信号，则必须使上 式第二项为0 ，即： z ( 噜 ( 击净 p s ， 所以有：r _ l = 1 + 一2 r 1 rr ( 3 6 ) 42 。”， 设变压器的发送和接收损耗均为6 d b ，则： 鲁= z ，惫= z ，鲁= 2 c 。忉 整三皇煎堂塑盟垦生 可见，合理选择图中几个电阻的阻值，就可以实现二四线转换。 3 3 2 信号耦合电路 如图3 - - 6 所示，信号耦合电路主要由光耦t l p 5 2 1 、继电器k l 、可调电阻r 1 6 、 及滤波电容c 2 5 等组成。当7 3 k 2 2 2 a l 为被叫方，主叫方拨号时，振铃音通过光 耦产生方波以触发微控制器w 7 7 e 5 8 ，w 7 7 e 5 8 响应外部中断，发出摘机信号，吸 合继电器k 1 以形成直流通路：当7 3 k 2 2 2 a l 为主叫方，先由a t 8 9 c 5 1 发出摘机信 号，吸合继电器k l 以形成直流通路后，拨号给被口q 方，被叫方在接到振铃信号 后，发送应答音给7 3 k 2 2 2 a l ，7 3 k 2 2 2 a l 在确认收到应答音后，开始进行通讯。 鼎良写赳 l 崦v lt “” 董p |ili 图3 - 6m o d e m 通讯信号耦合电路 3 3 3m o d e m 电路及m c u 电路 w 7 7 e 5 8 与7 3 k 2 2 2 a l 芯片的接口电路中主要有三类信号，即地址与数据信号 a d o a d 7 ) 、控镣4 信号( c s 、r d 、曝) 、串行通讯信号r x d 和t x d 。7 3 k 2 2 2 a l 能 与单片机共用1 1 0 5 9 2 m h z 晶振，十分方便。由于所有的m o d e m 芯片对电源的要 求都比较高。为减小噪音，应在7 3 k 2 2 2 a l 的电源接入端接上0 1 ，和2 2 ，的 旁路电容器组，以滤去电源噪音。此外，在p c b 电路设计时，还要注意使m o d e m 电路尽可能的集中，以使其受外界的干扰尽可能的小。 1 6 第三章前端机的设计 3 3 4 调制解调器d p s k 方式 因为在电话线上传送数字数据，需将数字数据转换成模拟信号传输，到接收 端再还原为数字数据。一般是在音频范围内选择某一频率的正弦波作为载波，利 用数据信号的变化分别对载波的某些特性( 振幅a 、频率脚、相位舻) 进行控制， 从而达到编码的目的，使数字数据寄载到载波上。将数字数据寄载到载波上的过 程称为调制。从载波上取出它所携带的数字数据的过程称为解调“1 。 在使用7 3 k 2 2 2 a l 芯片时，对数据的调制方式有两种选择：f s k ( f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ) 方式和d p s k ( d i f f e r e n c ep h a s ea n g l es h i f tk e y i n g ) 方式。f s k 为移频键控法，它按数字数据值的变化改变载波信号的频率，即用两种不同的频 率表示两个二进制值。在音频线路上采用f s k 方式不易受干扰，通常传输速率可 达1 2 0 0 b p s 。7 3 k 2 2 2 a l 提供的f s k 方式的通讯速率是3 0 0 b p s 和6 0 0 b p s 两档。d p s k 是差分相移键控法，它是数字相位调制的一种方式。d p s k 是利用前后相邻码元 的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。它有较强的抗干扰能力，较f s k 方式更加可靠有效，在音频线路上传输速率可达9 6 0 0 b p s 或更高。 由于7 3 k 2 2 2 a l 的通讯对象是服务器的m o d e m ，所以采用两种方式调制都可 以。鉴于以上分析，本设计采用d p s k 调制解调方式。根据国际电信标准b e l l 2 1 2 a 或c c i t tv 2 2 ，在d p s k 调制解调方式下，7 3 k 2 2 2 a l 的调制器在发送模式的载波 频率为1 2 0 0 h z ，在应答模式的载波频率为2 4 0 0 h z ；解调器在应答模式的载波频 率为1 2 0 0 h z ，在发送模式的载波频率为2 4 0 0 h z 。 3 3 5 7 3 k 2 2 2 a l 的使用 对7 3 k 2 2 2 a l 的四个8 位内部寄存器进行操作，完成控制和状态监视功能。 单片机可通过a d o - - a d 2 的地址访问这四个寄存器。 1 c r o ：控制寄存器0 ，地址是0 0 0 ，控制数据传输的方式。可设置通讯方式和 通讯速率等。对于d 0 位：当d o = l 时，为主叫方，当d o = o 时为被叫方， 其实就是规定一下数据传输通道。主叫方数据发送使用的是1 2 0 0 h z 通道，而 接收方的数据发送使用的则是2 4 0 0 h z 通道。因为只有这样规定，才可进行全 双工通讯。d 1 为0 时，表示不允许t x a 输出。d 1 为1 时，表示允许t x a 1 7 第三章前端机的设计 输出。d 7 、d 5 、d 4 的组合方式不同而选择不同的数据调制模式和数据传输 速率。本设计选择波特率为1 2 0 0 b p s ，1 0 位异步串行通讯，则可将寄存器0 设置为：主叫方0 0 0 1 1 0 1 1 b ；被叫方0 0 0 1 1 0 1 0 b 。 2 c r i ：控制寄存器l ，地址是0 0 1 ，是控制微处理器和7 3 k 2 2 2 a l 内部状态间的 接口。其中d o 、d 1 位用于选择工作模式。正常位o o ，其余为测试状态。d 2 为复位位，0 为正常工作模式，1 为掉电状态，c r o 、c r i 和t o n e 的所有位都 置0 。d 4 为0 时选择正常工作方式，此时d p s k 数据要通过加扰器。d 4 为l 时选择不加扰方式。 3 d r ( d e t e c tr e g i s t e r ) ：监测寄存器，地址是0 1 0 ，该寄存器主要用于通讯过 程中的监测。d 2 位用作回铃音检j 受4 ，d 3 位用作载波检测。 4 t r ( t o n e r e g i s t e r ) ：应答寄存器，地址是0 1 1 ，t r 寄存器用于控制接收和产 生应答音、d t m f 拨号音以及拨号音。回应答音时，设置为1 0 1 0 0 0 0 1 b 。其 中d 5 = 1 ，d 4 = 0 ，d o = o ，表示使能应答音发生器，在芯片被设作应答模式 且c r 0 的传输位被使能时，连续发出2 2 2 5 h z 的应答音。发拨号音时，设置 为1 0 0 1 d 3d 2 d 1d o ，其中d 3d 2 d 1d o 为拨号的1 6 个键值。允许接收r x d 时，设置为0 0 0 0 0 0 0 0 b 。 3 3 6 7 3 k 2 2 2 a l 控制程序设计 1 拨号子程序 、 主叫方前端机通过拨号与被叫方服务器计算机的m o d e m 进行连接。具体 过程是：单片机发出控制信号吸合继电器，延时2 秒后，设置c r 0 、c r l 和t r 满足拨号条件。其中，c r 0 为0 0 0 1 1 0 0 1 b 表示l o 位异步通讯方式、主叫方、d p s k 调制方式，传输速率为1 2 0 0 b i t s 。c r i 设置为0 0 1 1 0 0 0 0 b ，表示旁路扰频器。 程序流程图见图3 - - 7 。 1 8 第三章前端机的设计 开始 屏蔽一切中断 摘机 延时形 设置c r oc r i 满足拨号条件 设t o l ! | e 中d t 肝( 号码) 传输一位号码l 延时o 5 sl l 停止恃输l 佥 j 等待应答音j 1 一 l 渺 的d 2 位是否二 。旦 望! 是卜一 c r i , t r 苘足主叫方 通讯条件 串行中断启动 图3 - 7 拨号子程序流程图 第三章前端机的设计 2 主叫方正常通讯 在被叫方服务器m o d e m 回应答音后，主叫方单片机可以监测7 3 k 2 2 2 a l 中的d r ( d e t e c tr e g i s t e r