（检测技术与自动化装置专业论文）电梯ars系统远程监控技术的研究.pdf

摘要 摘要 电梯a r s ( 自动逃生) 系统是在电梯供电中断等紧急情况下， 帮助乘客逃生的自动化系统。它不需要经常使用，但却需要极高的可 靠性，因此需要厂商定期维护。为了减少昂贵的现场维护费用，很多 厂商采用远程监控技术，对a r s 系统的状况进行定期检测。具有远 程及本地监控功能的后备系统，是本地通过串口监控此系统，远端的 数据监控中心通过i n t e m e t 网访问本地的数据库来了解运行的状态。 其价值在于突破时空限制，实现远程监测，最终实现生产资源和社会 资源的优化配置。具有远程监测功能的后备系统是结合当前多种通信 技术和信息处理技术的新型监控系统。本文系统的介绍了此监控系统 中本地部分和远程部分的设计过程，包括：1 下位机芯片d s p i c 的软 件开发，主要功能为数据的采集、转换和发送；2 r s 2 3 2 一c 通信接口 电路的设计；3 用v i s u a lb a s i c 编写上位机程序，主要功能为数据的 显示和处理4 具体阐述了构建远程分布式数据库查询系统的思路和 步骤，同时分析关键代码，呈现各个步骤的中间环节截图、开发调试 图以及最终测试效果图。其中还用电位器分压值的变化来模拟实际工 程中的传感器信号的变化，对整个设计进行了验证。 关键词：电梯，a r s 监控系统，串行通信，远程，网络技术 a b s t r a c t e l e v a t o ra r s ( a u t o m a t i cr e s c u es y s t e m ) s y s t e ma i m s t oh e l pp a s s e n g e r se s c a p e 舶me 1 e v a t o r ，i n 狮e m e r g e n c ys i t u a t i o no fp o w e ri n t e r r u p t i o n 。i td o e s n o tr e q u l r e 骶q u e n tb s e ，b u ti tn e e d sah i g hr e l i a b i l i t y ，t h e r e f o r e ，m a n u f a c t u r e r sm u 5 tk e e p r e 刚a rm a i n t e n a n c e i no r d e rt or e d u c ee x p e n s i v eo n - s i t em a i n t e n a n c ec o s t s ，m a n y m a n u f a c h h e r sd e v e l o pr e m o t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yt oi n s p e c tt h es t a t u so f t h e s y s t 锄r e g u l 砌y t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g n i n gp r o c e s so ft h el o c a lp a r t a n d r e m o t ep a r to ft h i sm o n i t o r i n gs y s t e m i n c l u d i n g ：1 t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to t d s p i c 一l o w e rm a c h i i 玲，i t sm a i nf u n c t i o ni st oc o l l e c t ，c o n v e r ta n d d e l i v e r yt h ed a t a ；2 t h ed e s i g no fr s 2 3 2 c c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ec i r c u i t ；3 t h e s o 脚a r c d e v e l o p m e n to fu p p e rm a c h i n ew i t h v i s u a lb a s i c ，i t sm a i nf u n c t i o ni st od i s p l a ya n d p r o c e s st h ed a t a ；4 t h i st h e s i sa l s od e s c r i b e st h ea p p r o a c ha n dp r o c e d u r e st od e v e i o p t h er 锄o t ed i s t r i b u t i n gd a t a b a s eq u e r ys y s t e m ，a n da n a l y s e sc r u c i a ls c r i p t s o ft h e s o 仟w a r ea n di n d i c a t e sa l ls n a p s h o to fe a c hi m p o r t a n ts t e p ，d e b u g g i n ga n dt e s t i n g r e s u l t s a l s o ， is i m u l a t et h ec h a n g i n go fs e n s o rs i g n a li nt h ea c t u a l s i t u a t l o nb y p o t e n t i o m e t e r s ，s oa st ov e r i f yt h ew h o l ed e s i g n k e y w o r d s ：e l e v a t o r ，a r sm o n i t o r i n gs y s t e m ，s e r i a le o m m u n i c a t i o n ，t o m o t e ，i n t e r n e t t e c h n o l o g y i i 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。 学位论文作者张昊岛倬 叫年多月f 昌日 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。 学位论文作者签名： o ： | 兰毛 l 年) 月f 孑日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在我国，随着现代科学技术的发展和人民生活水平的提高，在中高层办公楼 和住宅房、使用电梯已经非常普遍。各大电梯制造商争相把各种新材料、新工艺、 新技术应用到电梯中，使电梯向着更安全、更快捷、更智能的方向发展。这在一 定程度上使得因电梯本身的故障导致停梯困人的情况日益减少，但同时，因各种 因素导致电梯供电中断，停梯困人的问题同益凸现出来。为了最大限度地减小停 梯困人对被困乘客心理和生理上的不利影响，电梯逃生系统( f i r s ) 应运而生。 1 2 电梯基础知识 图1 1 电梯基本结构示意图 l 主传动电动机；2 曳引机；3 制动器；4 牵引钢丝绳：5 轿箱；6 对重装置； 7 导向轮；8 导轨；9 缓冲器；1 0 限速器；1 1 极限开关：1 2 限位开关； 1 3 层楼指示器；1 4 球形速度开关：1 5 平层感应器；1 6 安全钳及开关； 1 7 厅门；1 8 厅外指示灯；1 9 召唤灯：2 0 供电电缆：2 l 接线盒及线管； 2 2 控制屏；2 3 选层器；2 4 顶层地平；2 5 电梯井道；2 6 限位器挡块 第1 章绪论 1 2 1 机械装置 ( 1 ) 轿箱一一轿箱是乘客或货物的载体。 ( 2 ) 门系统一一门系统由电梯门( 厅门和箱门) 、自动开门机、门锁、层门 联动机构及门安全装置等组成。电梯门的开启和关闭是由自动开门机实现的。自 动开门机是由小功率的直流电机或交流电动机带动的，具有快速、平稳开关门特 性的机构。 ( 3 ) 导向系统一一电梯导向系统限定了轿箱与对重在井道中的相互位置。 ( 4 ) 曳引系统一一曳引系统由曳引机组、曳引轮、导向轮，钢丝绳及反绳 轮组成。曳引机组是主要传动设备，由曳引电动机、制动器及减速器等组成。曳 引电动机通常采用适合于电梯拖动的三相异步电动机。制动采用的电磁制动器， 当电机接通时松闸，而当电机断电及电梯停止时抱闸制动。 ( 5 ) 对重系统一一对重起到平衡轿箱自重及载重的作用，从而可大大减轻 曳引电动机的负担。 1 2 2 电气装置 ( 1 ) 电梯理想速度给定装置一一电梯传动系统中的速度给定是用理想的梯 形速度曲线来表示的，闭环传动方式保证了电梯轿箱按理想速度曲线运行。传统 的给定装置大都是由模拟电子线路构成，随着微机技术的应用，数字结构的给定 装置尤其是微机给定装置在电梯中被广泛采用。v v v f 电梯( 变压变频调速电梯) 的理想速度给定装置就是由微机构成的。 ( 2 ) 速度调节器一一速度调节器是电梯运动系统的核心，它接收理想速度 给定信号与实际检测的电梯运行速度信号，并进行比较、分析、判断及控制运算 ( 如比例、积分及微分等) ，从而形成合适的控制信号，驱动执行机构动作。 ( 3 ) 执行机构一一执行机构的功能在于控制和输出异步电动机所需要的三 相交流电压。在交流调压调速电梯中，用晶闸管来控制、调节供给异步电动机的 三相交流电压；在变压变频调速电梯中，用晶闸管或功率晶体管组成整流逆变电 路，实现对异步电动机供电电压的控制与调节。 ( 4 ) 速度反馈装置一一主要完成对曳引机实际转速的检测与传递。通常采 用测速发电机与数字脉冲检测器。速度反馈装冕被设置于反馈通道，检测与传送 信号的误差直接影响传动系统的控制精度。 ( 5 ) 电气安全保护装置 熔断器、热继电器用来作为曳引电动机的短路及过载保护。 机电式或半导体式相序继电器用以作电梯供电电源的断相及错相保护。 压磁式或杠杆式沉重装置可用作电梯超载保护。 2 第1 章绪论 行程开关用作电梯运行端站减速及端站限位保护。 电梯门安全触板带动连锁开关或光电传感器、感应式近门传感器，控制开 关门电机，防止电梯夹人、夹物n 1 。 1 3a r s 系统 一般的逃生系统装置a r s ，主要由控制部分、电源部分、逆变部分、继电器 输出部分构成。一旦主电源停电，缺相或者相序错误时，逃生系统装置开始投入 工作，接触器先切断电梯控制回路，以防止外电网恢复时产生短路，同时，提供 单相及三相逆变电源，随之通过平层控制装置检查轿厢是否处于平层位置，若轿 厢处于平层位置，则给门机提供工作电源，并控制门机，使电梯开门放出乘客。 若轿厢不处于平层位置，且控制门锁回路及井道限位保护正常，逃生系统装置的 控制系统则发出指令，通过调制变频电力驱动模块向电梯曳引机供电，同时打开 抱闸，使轿厢向一定方向慢速运行。当逃生系统装置得到平层信号时，则停止运 行并抱闸，打开轿门及厅门让乘客安全离开，然后逃生系统装置自动结束工作， 电梯处于开门停梯状态，当外电网供电恢复正常后，电梯自动切换到正常运行状 态，逃生系统装置中的应急电源则处于充电状态乜1 。 ( 而d 图1 2a r s 系统i ：作流程图 第1 章绪论 1 3 1 几种a r s 系统方案的分析比较 ( 1 ) 移动轿厢的两种方式 一种方式为，用一个小直流电机借助电梯曳引电机主轴问的摩擦力来拖动电 梯轿厢。这种方式虽然电气控制部分简单一些，但要增加一套机械装置和小直流 电机，成本并不低，且性能不稳定。 另一种方式，采用三相逆变电源直接给电梯曳引机供电。这种方法相对于前 一种来说复杂一些，但性能及可靠性要好得多。在这种方式中，三相逆变电源的 产生又有多种方法，从功率逆变元件的选用上有： 大功率三极管，优点是通态电阻小，压降损耗小。缺点是采用电流驱动， 驱动电路复杂； 场效应管，优点是驱动电路简单，缺点是电压损耗大； 绝缘栅晶体管( i g b t ) ，兼具上述两者的优点，但是价格较前两者高，适合 于高压大电流的场合。 从脉宽调制信号的产生方法上又可分为： 采用大规模集成电路，例如：h e f 4 7 5 2 、s l e 4 5 2 0 。利用这种方法研制周期 短，结构简单，但灵活性差； 利用单片机以及8 2 5 3 等组成电路，灵活性好，但设计工作量大，软件复 杂。 ( 2 ) 平层、开门的控制方法 对平层信号、开门到位信号等与电梯接口部分的处理以及对停电应急装置内 部逻辑动作的处理，有继电器控制和单片机控制两种方法。采用单片机控制处理 各种信号灵活、简单，而且可靠性高；采用继电器控制，信号处理复杂，灵活性 当占【3 】 、。o 输入电源检测hi 与电梯控制系统的接l lh 门机控制系统 充电回路l!控制系统h直流交换机 蓄电池组f 一 电流传感器h 三相逆变电路 图1 3 带a r s 的电梯控制系统的基本原理框图 1 3 2 r s 系统重要器件 门机 抱闸 曳引机 ( 1 ) e p s 应急电源供电系统 当市电电源失电时，由此套系统提供后备电源。平时市电供电时，e p s 处于 4 第l 章绪论 充电状态，市电一但失电后，后备电源投入使用。 ( 2 ) 应急电源输出开关 应急电源输出开关与主电源开关联动，当发生故障，应急电源开关闭合的同 时，主电源开关必须断开，以防止外电网突然来电。 ( 3 ) 电源切换接触器 为确保主电源和后备电源不会同时供电，必须配备接触器，利用它的机械和 电气互锁功能，顺利完成电源的切换过程。 ( 4 ) 变频器 变频器先把频率固定的交流电，经整流后变成直流电，再通过i g b t 模块， 变成频率可调的交流电。原理非常简单，但实际控制却很复杂，需要借助于高性 能芯片的控制。e p s 给变频器控制部分提供工作电源，功率模块部分提供大功 率交流或直流电源，这样，变频器在市电断电的情况下，依然能正常工作。 1 4 课题研究意义 电梯是现代文明社会必不可少的交通工具，绐人们带来了极大的方便。但屡 屡发生的因停电引起的电梯困人事件，却给人们带来了很大的困扰。 电梯逃生系统( a r s ) 的作用就是让电梯在停电时能够迅速启用备用电源使 电梯停靠到楼层并且开门让人逃生。此系统虽然不需要频繁的使用，但却需要极 高的可靠性，因此，必须对其进行定期检测。然而，异地设备的上门维护，费时 费力，对广大产品销往外地或者出口型电梯制造商来说，是一笔不小的开销。 随着计算机技术、通信技术、网络技术、分布处理技术和高性能数据库技术 等现代信息技术的迅猛发展，已经使得对远程设备进行监控及服务变为可能，能 够通过网络访问远程的数据库，了解逃生系统的状态信息，由专家技术部门分析 处理这些信息后再反馈到使用者，如果发生故障，再委托当地的维修部门对设备 进行处理。因此，远程监控系统可以有效的降低a r s 系统制造商的维护成本，推 动a r s 系统的普及，使得电梯更加安全可靠的服务于用户，具有很大经济和社会 价值。 1 5 课题研究的主要内容 本课题来源于校企合作，是上海博杰公司a r s 系统项目的一部分，此a r s ( 自 动逃生系统) 涉及到e p s ( 应急电源供电系统) 和监控系统两大方面。其中，e p s 主要由博杰公司进行开发，本课题以电梯逃生系统为应用基础，整个系统分为硬 5 第l 章绪论 件部分和软件部分；数据传输分为两级，第一级为设备和p c 之问通过串口传输 数据实现本地实时监控的功能；第二级为基于i n t e r n e t 网的远程监测。 第一级包括硬件和软件两部分。 硬件部分为上位机( p c ) 与下位机( d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 ) 之间接口电路的设计， 编写下位机程序，实现的功能包括：定时采样信号，模数转换，串口发送 软件部分为监控软件，用v b 编写上位机程序，然后，制作电路板，烧写程 序，软硬件的调试，功能的验证。 第二级系统软件是基于w i n d o w sx p 系统，使用c # 语言在v i s u a ls t u d i o2 0 0 3 集成开发环境下设计，系统软件可以运行在w i n d o w s 2 0 0 0 2 0 0 3 x p 等操作系统 上。系统软件的设计是客户端应用程序设计，使得可以远程访问数据库。 6 第2 章a r s 在控系统 第2 章a r s 监控系统 2 1a r $ 监控系统的目标 a r s 监控系统定期对a r s 系统进行检测，检测对象包括a r s 系统的安全性能 和应急运行性能。 2 1 1 安全性能检验 电梯a r s 系统应具备以下安全性能。 ( 1 ) 应急装置本身急停开关有自锁功能和明显标示，且开关闭合不会影响电 梯的正常运行。 ( 2 ) 电梯应急装置急停开关关闭，装置应不作应急运行，且电梯j 下常运行与 应急运行两种运行状态要有可靠的电气互锁。 ( 3 ) 电梯应急装置作应急运行时，对电梯安全回路要求和应急装置本身应具 备： 当电梯安全回路中任何一个安全开关不闭合时，电梯不能作应急运行，若 正在应急运行中则应立即停止； 当门锁不闭合( 即轿门、某一层厅门开关接触不良或打开) 时，电梯不能作 应急运行； 应急工作开始后，应急装置对电梯安全回路、门锁回路作1 2 s 的检测。当 安全回路不闭合时，电梯应急装置等待1 2 s 。1 2 s 内有正确安全信号时，电梯可 作应急运行，当1 2 s 内没有得到安全信号时，电梯应不再应急运行，装置停止工 作，并恢复到候电状态。 ( 4 ) 电梯在检修状态下，即使停电，电梯应急装置不作应急运行。 ( 5 ) 对于曳引机可能出现的无电压故障，如电机短路、断路或本装置输出缺 相时，电梯不作应急运行：正在应急运行时应立即停止。 ( 8 ) 对于曳引机可能出现的电压降低故障，电梯应急装置蓄电池电压低于标 称值的9 0 时，电梯不作应急运行，正在运行的则立即停止佑1 。 2 1 2 应急运行性能检验 应急运行性能是指应急装置应具备的功能，主要包括下列几项。 ( 1 ) 电梯应急装置从停电到轿厢移动时不大于1 5 s 。 7 第2 章a r sj ：i 摔系统 ( 2 ) 电梯应急装置供轿厢应急照明时间应在3 s 内供给。 ( 3 ) 电梯应急装置作应急运行时，发出语音提示。 ( 4 ) 电梯应急装置应急运行结束后，延时3 1 0 s ，恢复到候电状态。 ( 5 ) 电梯应急装置应急启动运行时，先检测是否有三相输出给电梯电机，再打 开抱闸，然后电梯均匀加速，轿厢向上运行或向下运行( 选择最小负载方向) 。 ( 6 ) 平层信号： 电梯遇平层信号时，均匀减速直至平层，然后先抱闸，再停梯，打开轿 门和厅门。 电梯应急装置应急平层误差最大不超过士5 0 m m 。 ( 7 ) 电梯应急装置作应急运行时，应以软启动方式( 即平滑的f 弦波曲线) 驱动 电梯运行，当应急装置得到平层信号时，电梯应按平滑曲线减速运行到平层。 ( 8 ) 电梯应急装置作应急运行时，应急装置应能进行自动检索，读取电梯应急 前的信号，保持电梯应急f j 的状态，防止电梯应急运行后而使电梯乱层晴1 。 2 2a r s 监控系统的工作原理 此系统主要是通过模拟停电等现场故障，观察a r s 系统的运行状态，来确认 其是否工作正常。 例如，在工程实践中，非常常见的一种故障是由于e p s 电源不断的充放电， 使其容量减小，因此e p s 的储能容量的检测是十分重要的一环。检测的方法是， 在a r s 系统充满电后，切断外网电源，使其在最不利的应急运行状态下运行。 电梯最不利的应急运行状态，包括以下两点： ( 1 ) 电梯工作在最大额定负载下。 ( 2 ) 轿箱位于最长距离才能到达平层的位置。选择层高最大的两层，且让电梯 在离平层位置最远点开始运行。 最后，检查其是否能到达平层位置，如果能到达平层位置时，还要检查e p s 的剩余储能，在低于一个安全值时，依然要更换新的e p s 。 2 3 本地监控系统 在本地监控系统中，采集信号的是安装在电梯各个部件中的大量传感器，如 2 2 的例子中，应急电源的储能情况，轿箱与平层的相对位置以及其它的如：曳 引机的负载和转速，门机的运行状态，轿箱内通风照明、设备的状态，都是通过 传感器转换成电信号的。下位机采集这些电信号，并通过内部的模数转换模块， 8 第2 章a r s 监控系统 转换成数字量，通过接口电路传送到上位机( p c ) 中，具体可以参见后面的设计 过程。 2 4 远程监控系统 图2 1 本地监控系统 上位机接收到下位机传来的a r s 系统运行的相关信息之后，存入本地的 a c c e s s 数据库，通过通信网络发送到远程监测终端，随着网络技术的发展，远 程网络通讯的实现方式逐渐由电话网( p s t n ) 向i n t e r n e t 网发展，而a r s 系统的 远程监控也衍生出三种主要的方式： 图2 2 是用电话线经b l o d e n 和p s t n 网进行远程连接的。由于p s t n 上是一种 模拟传输线路，监控的数据信号需要a d 转换，故要用贺氏兼容的m o d e m 。如果 用户现场尚未配备电话线，还可利用g s m 通信系统进行连接，此时在现场只要有 一台无线调制解调器就可使电梯与维保中心相连。 图2 2 单梯电话网远程监控 图2 3 是电梯经宽带局域网采用t c p i p 协议与电梯控制器连接。单梯的远 程通讯，底层一般采用r s 2 3 2 通讯协议采集现场数据。 9 第2 章a r s 脏摔系统 圈一回 图2 3 单梯i n t e r n e t n 远程监控 图2 4 是分布式电梯的远程监控系统。它通过给每台电梯分配i p 地址，用 t c p i p 协议组成一个局域网；也可基于r s 4 8 5 串行通讯标准采用直接电缆连接 或是通过m o d e m 连接到中央监控中心，并经i n t e r n e t 网连接到远程监控中心哺1 。 匪堕习 图2 4 分布式电梯远程监控 l o 第3 章硬件设计 3 1 芯片选型 第3 章硬件设计 3 1 1 系统对所选芯片的要求 鉴于整个a r s 系统的特点，芯片必须具备以下特征： ( 1 ) 必须具备d s p ( 数字信号处理) 的性能水平 由于此a r s 系统包含逆变电源及部分电机的控制，所以要求芯片能满足高性 能电机数字控制的要求，即要求芯片具有较强的d s p 处理能力。 d s p 与一般的单片机( m c u ) 的区别在于：d s p 在硬件上针对复杂计算采取了 一些独特的设计，使得运算速度显著提高。 首先在循环方面，d s p 一般有若干无条件自动程序循环操作控制指令，这 使其能简便而迅速的完成n 次循环，不必如c p u 那样需要以多指令程序跳转结构 实现循环。 另外d s p 与c p u 在原理结构方面也有所不同，d s p 往往采用哈佛结构，而 传统的c p u 多为冯诺依曼结构。冯诺依曼结构将程序与数据统一编址，不区分 存储器的程序空间和数据空间；哈佛结构则将程序空间与数据空间分开编址，处 理数据空间运算与数据传输的同时可以并行地从程序空间读取下一条指令口1 。 最后，d s p 的乘法器都是由硬件逻辑实现的，可以在一个指令周期内实现。 以上的这些特征使得具备d s p 能力的芯片在a r s 系统的应用中，能发挥快速 运算，判断及信息处理的特长。 ( 2 ) 必须融合单片机( m c u ) 的控制功能和丰富接口。 由于，在这个系统中，控制对象很多，种类也不尽相同，另外还要求对电梯 运行状态进行监测，所以，仅仅是强大的运算能力和数据吞吐能力是不够的。因 此，我们必须要求芯片能融合单片机的控制功能，并且具有丰富的外围电路。在 本系统中，已知需要的外围电路功能包括：供位置和速度检测的j 下交编码输入接 口( o e i ) ，可编程电机驱动用编制脉冲序列信号的p 删输出通道，多路快速的a o 转换电路，通用异步收发器u a r t ，定时计数器电路，完善的中断控制体系以及 看门狗抗干扰电路等。 3 1 2 选择芯片d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 第3 常硬件设计 m i c r o c h i p 公司推出的d s p i c 数字信号控制器( d s c ) 是以p i c l 6 位单片机 为核心，内嵌d s p 引摹的新型数字信号控制器，它既具有1 6 位闪存单片机功能 强大的外围设备和快速中断处理能力的高性能，又兼备数字信号处理器( d s p ) 的 计算能力和数据吞吐能力，融合了可管理高速计算活动的数字信号处理器功能， 指令执行速度可达3 0 m i p s ，配各自编程刚存，并能在工业级温度和扩展级温度 范围内工作。可以说，性能和外围接口方面都完全符合此a r s 系统的要求”3 。 另外，m i c r o c h i p 增强型快闪自编程功能可以支持d s p i c 片内f l a s h 存储器 的远程升级，这就意味着器件被用户采用后仍然可以远程更新代码，这也正好符 合了设计此套远程监控系统的初衷。 综合考虑性能，外围接口，价格以及能耗等方面，本设计方案选用d s p i c 系列中的中端产品一d s p i c 3 0 f 2 0 l o 。 3 2 通信方式 图31d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 的两种封装 一般在设计上下位机的通信接口时大都采用串行通讯方式，串行通信是指通 信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制 位移动的它的优点是只需一对传输线进行传送信息，因此其简单、易行，成本 低、布线容易。虽然在传输速度上要比并行传输慢，但考虑到在这里，我们只是 进行状态信号的传输，没有很大的数据量，对实时性也没有苛刻的要求，因此， 速度上的少许损失可以接受。 串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方式。同步通信适用于传送速 度高的情况，其硬件复杂。而异步通信应用于传送速度在5 0 到1 9 2 0 0 波特之问是 比较常用的传送方式。在异步通信中，数据是一帧一帧传送的，每一串行帧的数 据格式由一位起始位，5 - 8 位的数据位，一位奇偶校验位( 可省略) 和一位停止位 四部分组成。在串行通信前，发送方和接收方要约定具体的数据格式和波特率( 通 辫 鳝瞪雨种生掰戮灌搦1 ii歉=一黼蘸i 黼一 舳一一一。一一一一 晶娟柏功帅功加如加加叩谁器 ，2 3ii*ii一 糕蟋骥 第3 章五业件设计 信协议) 。在p c 机中一般有两个标准r s 2 3 2 - c 串行接口c o m l 和c o m 2 ，而在 d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 也配有通用异步收发器模块，可进行串行异步通信。 综上，考虑降低线路的复杂性等方面，在本设计中采用串行异步通信，波特 率设置为9 6 0 0 b a u d ，8 位数据位，无奇偶校验。 3 3r s - 2 3 2 - c 标准 3 3 1r s - 2 3 2 - c 概述 本次设计中，采用了在异步串行通信中应用最广的标准总线r s 一2 3 2 一c 标准。 r s - 2 3 2 - c 标准是美国e i a ( 电子工业联合会) 与b e l l 等公司一起开发的1 9 6 9 年公 布的通信协议。它适合于数据传输速率在o 2 0 0 0 0 b s 范围内的通信，r s 一2 3 2 一c 标准( 协议) 的全称是e i a r s - 2 3 2 - c 标准，其中e i a ( e c t r o n i ci n d u s t r y a s s o c i a t i o n ) 代表美国电子工业协会，r s ( r e c o m m e d e ds t a n d a r d ) 代表推荐标准， 2 3 2 是标识号，c 代表r s 2 3 2 在1 9 6 9 的修改版本号，在这之前，有r s 一2 3 2 一a 、 r s - 2 3 2 一b ，之后的1 9 8 7 年1 月修改标准称为r s 一2 3 2 一d ，不过两者差别不大。目 前在p c 机上的c o m l 、c o m 2 接口都是遵循r s 一2 3 2 一c 标准的膊1 。 3 3 2r s - 2 3 2 - c 电气特性 r s - 2 3 2 - c 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。 t x d 和r x d 上： 逻辑1 ( m a r k ) = 一3 v 一1 5 v 逻辑0 ( s p a c e ) = + 3 + 1 5 v 在r t s 、c t s 、d s r 、d t r 和d c d 等控制线上： 信号有效( 接通，o n 状态，正电压) = + 3 v + 1 5 v 信号无效( 断开，o f f 状态，负电压) = 一3 v 一1 5 v 以上规定说明了r s 一3 2 3 c 标准对逻辑电平的定义。对于数据( 信息码) ：逻辑 “1 ( 传号) 的电平低于一3 v ，逻辑“0 ( 空号) 的电平告语+ 3 v ：对于控制信 号；接通状态( o n ) 即信号有效的电平高于+ 3 v ，断开状态( o f f ) 即信号无效的 电平低于一3 v ，也就是当传输电平的绝对值大于3 v 时，电路可以有效地检查出来， 介于一3 + 3 v 之间的电压无意义，低于一1 5 v 或高于+ 1 5 v 的电压也认为无意 义，因此，实际工作时，应保证电平在( 3 1 5 ) v 之间。 第3 章硬件设计 3 4 利用m a x 2 3 2 进行电平转换 由上可知，e i a r s 一2 3 2 c 是用正负电压来表示逻辑状念，d s p i c 串行口采用 正逻辑t t l 电平，这样d s p i c 和p c 机的c o m l 或者c o m 2 就不能直接连接。为了 能够同计算机接口或终端的t t l 器件连接，必须在e i a r s 一2 3 2 c 与t t l 电路之间 进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电 路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如m c l 4 8 8 、s n 7 5 1 5 0 芯片可完 成t t l 电平到r s 2 3 2 电平的转换，m c l 4 8 9 、s n 7 5 1 5 4 可实现r s 2 3 2 电平到t t l 电 平的转换。而美信公司的m a x 2 3 2 芯片可完成t t l - e i a 双向电平转换。 m a x 2 3 2 芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+ 5 v 电源变换成 r s 一2 3 2 - c 输出电平所需l o v 电压。所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单 一的+ 5 v 电源就可以。 m a x 2 3 2 外围需要4 个电解电容c 1 、c 2 、c 3 、c 4 ，是内部电源转换所需电容。 其取值均为l u f 2 5 v ，宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。c 5 为0 1 u f 的去耦 电容。 m a x 2 3 2 的引脚t 1 i n 、t 2 i n 、r i o u t 、r 2 0 u t 为接t t l c m o s 电平的引脚。引 脚t i o u t 、t 2 0 u t 、r 1 i n 、r 2 i n 为接r s 一2 3 2 c 电平的引脚。因此t t l c m o s 电平 的t i i n 、t 2 i n 引脚应在逻辑上与d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 的u a r t 输出口相连接；r i o u t 、 r 2 0 u t 应与d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 的u a r t 输入口相连接。与之对应的r s - 2 3 2 c 电平的 t i o u tt 2 0 u t 应接p c 机的接收端r d ；r 1i n 、r 2 i n 应接p c 机的发送端t d 。 图3 2b i a x 2 3 2 管脚和内部结构 1 4 雌妒m删m伸谢删弭阻珏社姗 第3 章硬件设计 3 5 用光电耦合器进行电气隔离 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光 源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用 透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光 源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。 3 5 1 在本设计中使用光电耦合器的原因 ( 1 ) 在本设计中一端是脆弱的，工作在低电压的控制芯片d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 ， 另一端是工作在相对较高电压的p c ，而在放入实际的产品中，还可能连接其它 电压更高，伏值变化更剧烈的设备，所以必须在两端之间进行电气隔离。 由于“光 传输的单向性，信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈 现象，其输出信号也不会影响输入端，因此在d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 与m a x 2 3 2 之间的两 条输入和输出线路上分别接入两个光电耦合器能很好的实现电气隔离的设计要 求。 ( 2 ) 由于发光器件( 砷化镓红外二极管) 是阻抗电流驱动性器件，而噪音 是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光 电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。 ( 3 ) 光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒级，而本设计中所采 用的波特率为9 6 0 0 b a u d ，即大约每1 0 4 微秒传输1 个b i t 数据，因此，光电耦 合器完全能够胜任这个传输速度，不用担心其开关时间过长而导致数据的丢失和 错误。 ( 4 ) 在选择光电耦合器时，还能有意识的挑选一些输出端具有三极管放大 功能的器件( 如本设计所采用的h c p l 4 5 0 3 ) ，这在一定程度上增加了输入信号 的驱动能力。 3 5 2 选用h c p l 4 5 0 3 作为光电耦合器 在本设计中，在d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 与m a x 2 3 2 之间的两条输入和输出线路上分别 接入2 个h c p l 4 5 0 3 。它是安捷伦公司生产的采用单通道的，高速光电耦合器。乜订 第3 章硬件改计 t r u l ht a 8 l e p o s i t i v el o g i c ) l e d v o i 罨 l o w h | g h 图3 3h c p l 4 5 0 3 内部结构及管脚图。 上图右方表格显示了其逻辑真值表，在发光二极管点亮的时候，v o 为低电 平，当发光二极管熄灭的时候，v o 为高电平。在设计中将根据这个关系束搭建 电路。 3 6 硬件设计原理图 w 图3 4 硬件设计原理图 1 6 毗 一 一 眦 a 盯c 第3 章到件啦汁 蹦35 烧写板与d s p i c 芯片 图35 为烧写板，中间的芯片印为d s p i c 2 0 f 2 0 1 0 ，周围为一些稳压电路 图中的导线与后面的接口电路相连接。 削36 慢u 电路 图3 6 中右下角部分即为接口电路，下方芯片为k a x 2 3 2 ，周围是升压用的 电解电容，白色芯片为h c p l 4 5 0 3 ，插头即为雎一9 接口，图中电路板上导线与 图35 中的d s p i c 芯片相连。 第4 章下位机软件设计 第4 章下位机软件设计 4 1d s p ic 3 0 f 2 0 1 0 编程模型 4 1 1 内核概述 d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 器件的内核具有2 4 位指令字。程序计数器( p r o g r a m c o u n t e r ， p c ) 为2 3 位宽，且最低有效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) 总是清零，且 在正常程序执行时忽略最高有效位( m o s t s i g n i f i c a n tb i t ，m s b ) ，但某些特定 的指令除外。鉴于此，p c 最多可寻址4 m 指令字的用户程序空间。数据空间为6 4 k b ( 3 2 k w ) ，它被分成两块，分别称为x 数据存储区和y 数据存储区。每个存储区 都有各自独立的地址发生器单元( a d d r e s sg e n e r a t i o nu n i t ，a g u ) 。器件内核 支持固有( 无操作数) 寻址、相对寻址、立即数寻址、存储器直接寻址、寄存器 直接和寄存器间接寻址，以及寄存器偏移量和立即数偏移量寻址模式。每条指令 根据其功能要求，与一组预定义的寻址模式相关阳1 。 4 1 2 主要寄存器 d s p i c 由1 6 x 1 6 位工作寄存器( w o 至w 1 5 ) 、2 个4 0 位累加器( a c c a 和a c c b ) 、 状态寄存器( s r ) 、数据表页寄存器( t b l p a g ) 、程序空间可视性页寄存器( p s v p a g ) 、 d o 和r e p e a t 寄存器( d o s t a r t 、d o e n d 、d c o u n t 和r c o u n t ) 以及程序计数器( p c ) 组成。工作寄存器可作为数据、地址或偏移量寄存器。所有寄存器均为存储器映 射。w o 用作执行文件寄存器寻址的w 寄存器。d s p i cd s c 器件包含软件堆栈。w 1 5 是专用的软件堆栈指针。它可被异常处理、子程序调用和返回自动修改，并且也 能够被任何指令引用( 方法与引用其他工作寄存器相同) 。这样就简化了对堆栈 指针的读、写和操作。复位时w 1 5 被初始化为o x 0 8 0 0 。在初始化期间，用户可 以将s p 重新编程以指向数据空间的任何单元n 9 】饽】。 i i j 。五ii i i 二习：t 一。1 崮4 1 主要寄存器 d s p i c 内核具有一个1 6 位状态寄存器( s r ) ，它的低字节( l s b ) 称为s r 低 字节( s r l ) ，它的高宁竹( m s b ) 称为s r 高字节( s r h ) 。s r 包含了所有的m c u a l i i 运算状卷标志位( 包括z 位) ，以及c p u 中断优先级状态位i p l 和循环 有效状态位i c a 。在异常处理期，s r l 与p c 的m s b 连在一起形成完整一个字， 然后将该字的值压入堆栈。状态寄存器的岛字节包含d s p 加法减法状态位、 d 0 循环有效位( d a ) 以及辅助进位( d c ) 状各位。 一s r h - - 一s r l n 42 状态寄存器 程序计数器：性序计数器为2 3 位宽；b i t 0 总芷为零。田此，p c 可寻址最多4 m 指夸字 p c m ： 卫n e n n t 幽43 群序计数器 4 1 3 程序地址空间 程序地址空间为州指令字。当程序空间映射到数据空间时，可由来自2 3 位 p c 、表指令有效地址( e f f e c t i v ea d d r e s s ，e a ) 或数据空间e a 寻址。注意在访 问连续的程序字时，程序空日j 地址应该增2 以与数据空问寻址相一致。所有对用 户程序空间的访问都被限制在低州指令字地址范围( o x 0 0 0 0 0 0 至o x 7 f f f f e ) 内。 第4 章下位机软件设汁 4 1 4 数据地址空间 内核的数据宽度为1 6 位。所有内部寄存器都以1 6 位宽的字的形式构成。数 据存储空间以可按字节寻址的1 6 位宽的块构成。 内核具有两个数据空间。可将这两个数据空间视为两个独立的空间( 对于某 些d s p 指令) 或是一个统一的线性寻址空间( 对于m c u 指令) 。使用两个地址发 生单元( a g u ) 和相互独立的数据存取路径对这两个数据空间进行访问，从而增 加运算速度1 。 4 1 5 软件堆栈 d s p i cd s c 器件包含软件堆栈。使用w 1 5 作为堆栈指针。堆栈指针始终指向 第一个空字，并从低地址向高地址递增。出栈操作该指针预减l ，压栈操作该指 针预加1 。 4 1 6 中断 图4 5 软件堆栈 d s p i c 3 0 f 3 0 1 0 2 0 1 0 有2 9 个中断源和4 个处理器异常( 陷阱) ，必须根据优 先级机制进行仲裁。c p u 负责读取中断向量表( i n t e r r u p tv e c t o rt a b l e ，i v t ) 并将中断向量中的地址传递给程序计数器。将中断向量从程序数据总线，经由程 序计数器输入端上的2 4 位多路开关传递到程序计数器。中断向量表( i v t ) 和备 用中断向量表( a l t e r n a t ei n t e r r u p t v e c t o rt a b l e ，a i v t ) 位于程序存储器 ( o x 0 0 0 0 0 4 ) 的开头部分归。 中断控制器负责预处理中断和处理器异常，然后再将中断和异常送入处理器 内核。使用中央特殊功能寄存器( s f r ) 允许和控制外设中断和陷阱，并设置这 些中断和陷阱的优先级： ( 1 ) i f s o 、i f s i 和i f s 2 所有中断请求标志位都在这三 个寄存器中。这些标志位被各自的外设信号或外部信号置l ，并通过软件清零。 2 0 第4 章下位机软件设汁 ( 2 ) i e c o 、i e c i 和i e c 2 所有中断允许控制位都在这三 个寄存