（信号与信息处理专业论文）嵌入式电梯群控系统设计.pdf

每i t - 、 、 、 彬 l 斟兰汁啦昧高黟冲廨珀葡对温 计龇蛉q稿讲少h汁慊冰川潘游，采耕凿寤西慊高$溥墨潜矾， 粤。慊高醪溥蚶齐对费河斟少h汁慊。_本慊高黔h eli咄冲藤墨哥蚜誉鞲泳黟溥墨哥蚜盏【淳。戮童汁慊斟对哥四龇囫士高，寻棼掣配泔鹭 却豇赢姑号罗甘圃掌慊湛*赢豇率谶潭岭爿斟潍赫母咄臣两斧v 哥回慊*浩型崔肄茹v母咄泄讲群诽料斟慊高醪冲器淞晋寮凿毋咄浔藤。冷苷黪泔薄醋酉营隶函习譬汛油恕e|，龄晋烘牲害淞垂哪洒 采耕凿、汇游慊高黪溥。捌譬蔷慊高黪溥器蛉誊避鬻冷吕勘游斟冰蜷 赫瓣阵彳亍藩瓣。 海砑黪_文口 斟慊高黔对湖 斟ii前i洫藉砑部碌趣斟潜跚。 尝藩瞎黪h囵 $浔齐雌螭揄。 麓 卜除 浩。时里?的 导荨瞬榆。 ， ， 英文摘要 嵌入式电梯群控系统设计 d e s i g nf o re m b e d d e de l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t a st h ei n c r e a s eo fh i g h - r i s eb u i l d i n g s ，w er e l ym o r ea n dm o r eo ne l e v a t o ra n dp a y m o r ea t t e n t i o nt oe l e v a t o ro p e r a t i n ge f f i c i e n c y n o w a d a y s ，b u i l d i n g sn e e dt oe q u i p m u l t i p l ee l e v a t o r st om e e tt h en e e do fh e a v yt r a f f i c i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft r a n s p o r ts e r v i c e s ，r e d u c et h ew a i t i n gt i m ea n dr i d i n gt i m e ，e l e v a t o rg r o u p c o n t r o ls y s t e ma r eu s e dt om a n a g ea n dd i s p a t c ht h ee l e v a t o r s g r o u pc o n t r o lh o s ti st h ec o r eo ft h ee l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m i ts e r v e sa st h e t r a f f i cc o n t r o l l e ra n dm a k e st h ee l e v a t o r so r d e r l ya n de f f i c i e n t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e mh a su n d e r g o n et h e c o u r s eo fr e l a yc o n t r o l ，i n t e g r a t e dc i r c u i tc o n t r o la n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ec o n t r 0 1 t h i s p a p e rs u m m a r i z e st h ec u r r e n te l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m ，a n dd e s i g n sa ne l e v a t o r g r o u pc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ea r mt e c h n o l o g ya n dt h ei n d u s t r i a lf i e l db u sc a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) t h i ss y s t e ma d o p t sc a nb u sa st h ec o m m u n i c a t i o nb u s t h e g r o u pc o n t r o lh o s tc o l l e c t si n f o r m a t i o nf r o mt h ee l e v a t o r sa tr e a lt i m ea n dp r o c e s s e s i tb y g r o u pc o n t r o la l g o r i t h m ，t h e no r d e r sa r ea s s i g n e dt ot h ee l e v a t o r st or e a l i z eg r o u pc o n t r o l f o r8e l e v a t o r su n d e r6 4f l o o r se f f i c i e n t l y t h i sp a p e re l a b o r a t e st h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h eg r o u p c o n t r o l s y s t e mw h o s ec o r ep r o c e s s o r i sl p c 2 3 6 8b a s e do na r m 7a r c h i t e c t u r e h a r d w a r ec o m p o n e n t si n c l u d ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e ，s t o r a g em o d u l e a n dk e y b o a r dm o d u l e t h i sp a p e rd e s i g n st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e ng r o u p c o n t r o lh o s ta n de l e v a t o r sw h i c hc o n t a i nm e s s a g ef o r m a t ，s t a t ec o m m a n d s ，c o n t r o l c o m m a n d sa n ds oo n g r o u pc o n t r o la l g o r i t h mw h i c hd e t e r m i n e st h eg r o u pc o n t r o l s y s t e m se f f i c i e n c yi st h ek e yp o i n to f t h es y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ee l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e ma n de l e v a t o rt r a f f i cs y s t e ma n dp r o p o s e sa d i s p a t c h i n gm o d e lo ft h ee l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e mb a s e do ne v a l u a t i o no fs e r v i c e a n dr e s p o n s e ，t h e nd e s i g n st h eg r o u pc o n t r o lr u l ea n dp r o p o s e ss e r v i c ea n dr e s p o n s e f u n c t i o n t h i sa l g o r i t h mh a sl i t t l ec o m p u t a t i o nw o r k l o a da n dt h ei n p u tp a r a m e t e r sc a nb e a c c u r a t e l yg o t t h i sp a p e ra l s op r o p o s e sad y n a m i cu p d a t em e t h o dw h i c hr e d u c e sl o n g w a i t i n gt i m ep e r c e n tg r e a t l y b e s i d e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed i s p a t c h i n gm o d e lo ft h e e l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e mb a s e do nf u z z yi d e n t i f y i n go ft r a f f i cp a t t e r nw h i c hp a y s m o r ea t t e n t i o nt op a s s e n g e r sm e n t a lc o m f o r tl e v e l t h i sa l g o r i t h mc h o o s e sw a i t i n gt i m e ， l i 嵌入式电梯群控系统设计中文摘要 嵌入式电梯群控系统设计 中文摘要 随着高层建筑的增多，我们对电梯的依赖越来越多，对电梯的运行效率也提出了 更高的要求。如今，很多高层建筑中都安装了多台电梯以满足繁忙的交通要求，为了 提高电梯系统的运行效率和服务质量，减少乘客的候梯时间、乘梯时间等就必须用电 梯群控系统来对其进行合理的管理和调度。 群控主机是电梯群控系统的核心，它起着交通指挥员的作用，使群控系统中 的电梯群有序高效地运行。随着电子技术日新月异的发展，电梯群控系统先后经 历了继电器顺序控制、集成电路控制、人工智能控制的发展阶段。本文在总结当前 电梯群控系统的基础上，设计了基于a r m 技术与工业现场总线c a n ( 控制器局域 网) 技术的嵌入式电梯群控系统，该系统采用c a n 总线作为通信总线，群控主机 实时采集各台电梯的状态信息，经群控算法处理后，将派梯命令分配给电梯， 完成8 台6 4 层以下电梯的群控控制，实现电梯群高效稳定运行。 论文详细介绍了以a r m 7 芯片l p c 2 3 6 8 为核心的电梯群控系统的群控主机硬件 结构及其软件设计。硬件结构介绍了通信模块、显示模块、存储模块、键盘模块 的硬件设计。通信协议保证了群控主机和各电梯正常通信，本文设计了群控主机 和各电梯之间的通信协议，包括消息的格式、状态命令、控制命令等。群控算法 是电梯群控系统的关键，群控算法的好坏直接影响着电梯群控系统效率的高低。 本文在分析电梯群控系统特点和大楼客流交通特点的基础上，提出了基于服务响 应评价的电梯群控算法设计，设计了群控规则，提出了服务评价函数的确定方法。 该算法的输入参数能够精确获得，运算量很小，本设计还针对电梯群控系统的不确定 因素可能造成的干扰，提出派梯算法的动态更新方法，大大降低了长时候梯率。同时， 本文对基于模糊交通模式识别的电梯群控算法也进行了研究，该算法着重从乘客心理 舒适度的方面来改善电梯群控系统的性能，把候梯时间、乘梯时间、拥挤度作为评价 标准输入，获得一个综合评价指标，实现对电梯群的高效调度。 关键词：电梯群控系统，a r m ，c a n 通信，群控算法 作者：邓诚 指导教师：陈小平 嵌入式电梯群控系统设计 英文摘要 r i d i n gt i m ea n dc r o w d a si n p u tp a r a m e t e r s t h e np r o p o s e sas y n t h e t i ce v a l u a t i o nc r i t e r i o n t or e a l i z eg r o u pc o n t r o lf o rt h ee l e v a t o r se f f i c i e n t l y k e y w o r d s ：e l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m ，a r m ，c a nc o m m u n i c a t i o n ， g r o u pc o n t r o la l g o r i t h m i l i w r i t t e nb y ：d e n gc h e n g s u p e r v i s e db y ：x i a o p i n gc h e n 目录 第一章绪论1 1 1本课题的研究背景1 1 2 电梯群控技术的发展概况1 1 3本课题的意义及研究内容4 1 3 1 本课题的意义4 1 3 2 本课题的研究内容5 第二章电梯群控系统设计方案6 2 1电梯群控系统的基本组成6 2 2群控主机硬件设计总体规划6 2 3a r m 7 及l p c 2 3 6 8 简介7 2 4通信模块设计9 2 4 1电梯群控系统的通信方式9 2 4 2c a n 总线简介1 0 2 4 3 本系统通信模块设计1 2 2 5显示模块设计1 6 2 6参数存储模块设计l7 2 7键盘模块设计19 第三章电梯群控系统通信协议设计2 0 3 1c a n 总线帧种类2 0 3 2c a n 报文格式2 0 3 3本系统c a n 通信协议设计2 1 3 3 1通信协议的格式2 1 3 3 2 通信协议的命令字节2 l 第四章电梯群控算法设计与分析2 6 4 1电梯群控系统的特点2 6 4 1 1 电梯群控系统的多目标性2 6 4 1 2电梯群控系统的不确定性2 7 4 1 3电梯群控系统的非线性2 7 4 1 4 电梯群控系统的扰动性2 8 4 1 5电梯群控系统的不完备性2 8 4 2办公楼客流交通分析2 8 4 2 1 上行高峰交通模式2 9 4 2 2下行高峰交通模式3 0 4 3基于服务响应评价的电梯群控算法设计3 0 4 3 1 电梯群控系统的输入输出3 1 4 3 2 群控规则的设计3l 4 3 3服务响应评价函数的确定3 4 4 3 4 派梯算法的动态更新3 8 4 4基于模糊交通模式识别的电梯群控算法设计3 8 4 4 1 模糊控制技术简介3 8 4 4 2电梯群控系统交通模式识别4 0 4 4 3 派梯算法设计4 5 第五章电梯群控算法试验结果与分析4 9 5 1基于服务响应评价的群控算法实验5 1 5 2基于模糊交通模式识别的群控算法实验5 1 5 3实验分析5 3 第六章总结与展望5 5 6 1 总结5 5 6 2 展望5 5 参考文献5 7 攻读硕士学位期间公开发表的论文6 l 附录1主控制器电路图6 2 附录2 接口电路图6 3 致谢6 4 嵌入式电梯群控系统设计第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁了匕 1 1本课题的研究背景 随着我国经济的高速发展，高层建筑的日益增多和建筑设计档次的提高，电梯 作为现代高层建筑的垂直交通工具，其性能的好坏对人们生活的影响越来越显著， 人们对电梯的安全可靠性及多功能性提出了越来越高的要求。因此必须努力提高电 梯系统的性能，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠，这就需要引入电梯群控系 统( e c g s ) 。电梯群控系统是指将安装在建筑物内的3 台或3 台以上的一组电梯作 为一个有机整体，使用一个自动控制系统调度每一台电梯的运行，其目的是提高垂 直交通系统的运行效率，以较短的候梯时间和运行时间为乘客提供服务，以提高对 乘客的服务质量，并减少能耗l l j 。 自1 8 8 9 年1 2 月美国o t i s 电梯公司研制出第一台真正的电梯以来，经过1 2 0 多年的发展，电梯系统已从早期简单的单梯运行发展到后来的两台电梯并联系统， 现在电梯群控系统已广泛的应用于各种高层综合性大厦之中，同时电梯系统的服务 质量评价指标也从以前单一的候梯时间发展到如今的候梯时间、乘梯时间、拥挤度 等组成的综合评价标准。由于电梯群控系统具有多目标性、不确定性、非线性、扰 动性以及信息的不完备性等特点，无法建立其控制对象的精确数学模型，这使得传 统控制技术不能应用在电梯群控中。近年来，智能控制技术发展十分迅速，它在处 理复杂性、不确定性问题时具有较强的实用性，因而将智能控制技术应用到电梯群 控算法中，实现电梯群的最优调度，这既是电梯群控研究的热点，也是难点和重点 【2 1 。 1 2电梯群控技术的发展概况 电梯群控技术的发展已经经历了大约半个世纪的时间，前后可分为三个阶段。 第一阶段是1 9 4 9 年1 9 7 1 年，在1 9 4 9 年，纽约联合国大厦首次使用继电器时序控 制和预选分区控制的电梯群控制系统。电梯系统根据设在层站的召唤按钮收集客流交 通需求，按照区间指派方式完成对乘客的应答服务，这种方式可适当解决高峰期间梯 群中的各个轿厢沿井道的均布问题，但其缺点是：轿厢花费太多的时间在端站候梯指 第一章绪论嵌入式电梯群控系统设计 派，且轿厢在候梯指派时通常处于闲置状态，同时轿厢频繁地在端站楼层无目的地运 行也不利于节能1 3 j 。 第二阶段是1 9 7 1 1 9 7 5 年，集成电路取代继电器成为发展趋势。这一时期采用的 调度方式是针对每一个具体的呼梯信号指派电梯，其控制方式是候梯时间控制1 3 】。集 成电路的使用使系统结构简化，大大提高了系统的可靠性并能进行较为复杂的逻辑运 算。前两个阶段，主要应用数理统计的方法来研究电梯群控特性，称之为统计特性。 第三阶段是1 9 7 5 年至今，计算机应用于电梯群控系统标志着现代电梯群控阶段的 开始。电梯群控系统的动态特性成为新的研究对象，在原有的最小候梯时间控制基础 上又增加了包括长候梯率、预测误差率等在内的多因素综合评价系统。1 9 7 5 年至1 9 8 2 年为现代电梯群控系统的最初一代，这一代电梯采用候梯时间预测控制，到达楼层的 预报准确度有了提高；1 9 8 2 年至1 9 8 8 年为第2 代，此时系统中加入了对交通需求的学 习功能和在派梯中使用了综合评价系统，极大减少了乘客平均候梯时间、长候梯时间 发生率等；第三代是1 9 8 8 年至今，电梯群控技术进入快速发展阶段，人工智能在群控 系统中得到了深层的研究和应用。 将人工智能应用到电梯控制中，使电梯控制朝智能化方向发展是当今电梯发展的 趋势。把智能控制算法引入电梯群控系统能够较好地解决群控系统的多目标性和系统 本身固有的不确定性和非线性。目前常用的几种电梯群智能控制技术有： 1 基于专家系统的电梯群控 专家系统在电梯群控中的应用始于2 0 世纪9 0 年代【4 羽，三菱的a 1 2 1 0 0 系列、富士 通的f i e x 系列、日立的c i p 5 2 0 0 系列都使用了专家系统。专家系统是利用一个或多个 专家知识和经验积累起来进行推理和判断的系统，由知识库、数据库、推理机、以及 知识更新等部分组成。知识库采用i f t h e n 模式，事先将专家的知识、经验和思维形 成一定的控制规则存放于其中；数据库记录运行数据，例如当前工作的已知情况、用 户提供的信息以及推理得到的中间结果等；推理机利用输入的信息和知识库中的规则 推理进而得出派梯结果；知识更新则是对新的经验知识完成更新工作1 7 j 。它具有启发 性，能利用专家知识和经验对不确定或不精确的问题进行启发式的推理，利用专家的 知识经验直接参与到派梯优化过程中，从而对系统运行产生积极影响，对解决电梯群 控系统的部分问题具有一定的优越性。但是专家系统有它的局限之处：实际建筑物与 2 嵌入式电梯群控系统设计第一章绪论 专家事先设想条件不完全符合，不能获得预期的效果；专家的知识经验有局限，不能 满足复杂多变的电梯系统等【8 】。总之整个控制过程完全依赖于知识源，会受到知识源 的影响，因而主要适用于一些相对比较简单的、楼层比较低的建筑物。 2 基于模糊控制技术的电梯群控 模糊控制技术是由专家的知识决定隶属函数及模糊控制规则，并由此确定以后的 控制行为，实现对各个派梯方案的评价，以获得当前系统中符合性能指标要求的最佳 方案【9 - 1 1 】。其实质是将基于专家知识的控制策略转换为自动控制的策略。模糊控制不 需要建立精确模型，较适合于电梯群控这种离散随机性较强的系统，而且从经验丰富 的电梯工程师获得的各种控制规则比仅仅用严格的补偿函数方法效果要好。但是由于 模糊控制中隶属函数加权系数不会根据不同交通模式而改变并且本身不具有学习功 能，因此有以下缺陷：无法跟上建筑交通的变化；其性能极大的依赖于专家知识的好 坏；规则一旦输入，修改非常困难；调整、确定隶属函数需要大量的仿真试验，这些 缺陷都影响了它在电梯群控系统中的广泛应用，但是将专家系统与模糊控制技术结合 起来可以实现在线实时决策的功能，克服了模糊逻辑的隶属函数权值难以在线调整问 题【1 2 】。目前已知的电梯中富士通的f l e x 8 8 0 0 ，日立的c i p 5 2 0 0 ，三菱公司的a 1 2 2 0 0 系统均使用了模糊控制技术。 3 基于神经网络的电梯群控 神经网络是模仿人脑神经系统，以一种简单处理单元为节点，采用“输入层隐 层输出层 的拓扑结构构成的活动网络，具有并行处理、分布储存、自学习、自组 织功能。神经网络的一个突出优点就是可以通过向环境学习获取知识并改进自身性 能，增强系统对外界的适应能力。使用神经网络算法基本上能识别确定时间范围内的 交通流量变化f l3 1 ，对解决非线性问题有着独特的先进性。但神经网络内部信息是隐含 的，且其对初始权重非常敏感，易收敛于局部极小；电梯系统的多状态性使得单纯使 用神经网络时其结构相当庞大；建筑物的多样性导致很难获取神经网络准确的训练样 本，这给神经网络在电梯群控中的应用提出了新的课题。 4 基于遗传算法的电梯群控 基于遗传算法的控制算法抽象于生物的进化过程，是通过全面模拟自然选择和遗 传机制而提出的一种自适应概率性的搜索和优化算法，它具有应用方法简单、鲁棒性 第一章绪论 嵌入式电梯群控系统设计 强、并行性等特点，拥有广阔的应用范围。它根据交通量的变化而变化，既保证了系 统的稳定性又可提高系统在使用情况发生变化时的跟随能力；能有效的求解组合优化 问题及非线性多模型、多目标的函数化问题【1 4 。15 1 。由于遗传算法生物基础鲜明，数学 基础不够完善且本身所具有的随机性和概率性，目前还存在搜索效率和实时性低的问 题【1 每1 9 1 。 综上所述，未来电梯群控技术将朝着更加智能化、人性化、节能化和市场化的方 向发展。而如何降低综合运行成本、开发电梯交通适配软件、优化调度技术等问题都 将成为未来研究的重点和热点。 1 3本课题的意义及研究内容 1 3 1 本课题的意义 随着社会的发展和人民生活水平的提高，大型建筑层出不穷，电梯作为高层大厦 的主要垂直交通工具，与人们的工作和生活息息相关。对于很多集中了大量人流、物 流的综合性楼宇而言如果只配备单台电梯显然不合理，于是多台电梯并排设置以提高 交通服务质量和服务效率成为必然。虽然单纯依靠增加电梯数量、提高电梯速度可以 在一定程度上提高电梯的运送能力，但这并不能完全满足现代楼宇的多种要求，而且 还会带来诸如环境污染、能源损耗、运营效率低下等问题。现代人类对电梯提出越来 越高的要求，主要集中在候梯、乘梯时间短、长时间候梯率低、轿厢舒适度高以及能 源消耗少等方面。解决这些问题的关键在于电梯群的调度，因此电梯群控应运而生。 电梯群控实际上是对多台电梯的最优调度问题，它是一个复杂的问题，其复杂性 表现在电梯群控系统本身具有的多目标性、不确定性、非线性、扰动性和信息的不完 备性等特点。近年来，大量智能控制技术的应用于电梯群控系统，使电梯群控系统的 控制特性得到很大的改善。目前，国内使用的先进的电梯群控系统大都是从国外电梯 公司引进的，具有独立知识产权的产品尚不多见，而且大多数集中在群控理论和算法 的研究上，在实际中的应用还比较少，与国外的先进技术相比还有很大的差距【2 啦3 1 。 同时，伴随着电梯群控系统的发展，如何把更好的技术应用到电梯群控系统之中，进 一步提高电梯系统的运行效率，满足乘客生理和心理的需求，将会是电梯群控系统研 究的重要方向。 4 嵌入式电梯群控系统设计 第一章绪论 1 3 2 本课题的研究内容 本课题研究了基于l p c 2 3 6 8 的电梯群控系统设计，采用l p c 2 3 6 8 作为群控主控制 器，通过c a n 总线串行通信方式实时采集各台电梯的状态信息，经群控算法处理后， 将派梯命令分配给电梯，完成8 台6 4 层以下电梯的群控控制，实现电梯群的高效稳定 运行。 本课题的主要研究内容如下： 1 群控系统的硬件设计，主要完成了包括通信模块、显示模块、存储模块、键 盘模块的设计。 2 群控c a n 通信协议设计，本设计定义了群控主机和各电梯之间的通信协议， 包括消息的格式、状态命令、控制命令等。 3 分析了电梯群控系统的多目标性、不确定性、非线性、扰动性和信息不完备 性等特点，同时对办公楼的客流交通做了深入的分析。 4 提出了基于服务响应评价的电梯群控算法设计，设计了群控规则，将内选 服务个数、电梯负载度、最远内呼楼层作为输入，提出了服务评价函数的确定方法。 5 分析了电梯群控系统的不确定因素可能造成的干扰，提出了动态更新的方 法，对某次呼梯，如果超过一定时间没有电梯到达该呼梯层响应呼梯信号，那么群控 主机将重新为该呼梯信号分配电梯。 6 对基于模糊交通模式识别的电梯群控算法进行了研究，通过模糊控制识别1 2 种交通模式，把候梯时间、乘梯时间、拥挤度作为评价标准输入，从而获得一个综合 评价指标，实现电梯群的优化调度。 7 对本文设计的电梯群控算法进行了实验，并分析了实验结果。 第二章电梯群控系统设计方案嵌入式电梯群控系统设计 第二章电梯群控系统设计方案 2 1 电梯群控系统的基本组成 电梯群控系统主要由群控主机、各台电梯的单梯控制器组成，在没有联入群控 系统时，各台电梯可以单独运行，联入群控系统之后，各台单梯采集外呼信号，本 身不处理外呼请求而是将外呼请求通过总线传递给群控主机，群控主机通过一定的 控制算法计算出最优的派梯方案，实现电梯群的高效调度。本电梯群控系统的基本 结构如下图2 1 所示： 图2 - 1 电梯群控系统的基本结构 2 2 群控主机硬件设计总体规划 本系统采用以a r m 7 为内核，主频达7 2 m h z 的3 2 位微处理器l p c 2 3 6 8 作为群 控主机，它有高达5 1 2 k b 的片内f l a s h 程序存储器，具有在系统编程( i s p ) 和在应 用编程( i a p ) 功能。同时，l p c 2 3 6 8 内部集成了两个c a n 控制器，c a n 控制器 提供了一个完整的c a n 协议( 遵循c a n 规范v 2 0 b ) 实现方案。包含这个片内 c a n 控制器的微控制器用来构建功能强大的局域网，支持极高安全级别的分布式实 6 嵌入式电梯群控系统设计第二章电梯群控系统设计方案 时控制，可以用在汽车、工业环境、高速网络和低价位多路连线的应用中。系统还 选用了c a n 总线收发器p c a 8 2 c 2 5 0 ，它可作为c a n 控制器与物理总线接口，提 供对总线的差动发送和接收能力。群控主机硬件设计总体规划如图2 2 所示： 液晶显示 键盘模块 存储模块 模块 上上兰 l p c 2 3 6 8 群控主机 彳 c a n 总线 j 上jl 电梯1 主控电梯2 主控 电梯n 主控 制器制器 制器 图2 - 2 群控主机硬件设计总体规划 2 3a r m 7 及l p c 2 3 6 8 简介 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，是一个公司的名字，也是对一类微 处理器的通称。a r m 公司是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、 廉价、耗能低的r i s c 处理器。这些处理器适用于多种领域，比如嵌入控制、消费 教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半 导体、软件和o e m 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及 服务。利用这种合伙关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。目前， 总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议，其中包括i n t e l 、i b m 、 l g 半导体、n e c 、s o n y 、菲利浦和国家半导体这样的大公司。a r m 架构是面向 低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器。 a r m 处理器目前包括下面几个系列的处理器产品以及其他厂商实现的基于 a r m 体系结构的处理器【2 4 】：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e l 的x s c a l e 、i n t e l 的s t r o n g a r m 。 这些处理器最高主频达到了8 0 0 m i p s ，功耗数量级为m w m h z 。对于支持同样 a r m 体系版本的处理器其软件是兼容的。这些处理器广泛应用于无线、网络、消 费娱乐、影像、汽车电子、工业控制、安全应用及存储装置等方面。 7 第二章电梯群控系统设计方案嵌入式电梯群控系统设计 a r m 7 系列处理器是低功耗的3 2 位r i s c 处理器。它主要用于对功耗和成本要 求比较苛刻的消费类产品，其最高主频可以达到1 3 0 m i p s 。a r m 7 系列处理器支持 1 6 位的t h u m b 指令集，使用t h u m b 指令集可以以1 6 位的系统开销得到3 2 位的系 统性能。 a r m 7 系列内核可分为a r m 7 t d m i ，a r m 7 t d m i s ，a r m 7 2 0 t 和删7 e j s 四种类型，分别面向不同的应用领域。a r m 7 t d m i 是a r m 7 系列中应用最为广泛， 最受市场欢迎的一款内核，t d m i 的基本含义是：t 代表了支持t h u m b 指令集；d 代表了支持软件调试；m 代表了支持长乘法指令操作；i 则说明该内核嵌入式i c e ， 支持片上断点和调试点。a r m 7 系列处理器有如下特点： 1 功耗低 2 主频高达到13 0 m i p s 3 代码密度高，兼容1 6 位的t h u m b 指令集 4 得到广泛的操作系统和实时操作系统支持，如u c o s i i ，w i n d o w sc e 、 u c l i n u x 、p a l mo s ，v x w o r k s 等 5 开发工具众多 6 指令兼容a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 e 系列内核 l c p 2 3 6 8 是恩智浦公司推出的一款高性能、基于a r m 7 t d m i s 内核并支持实 时仿真的3 2 位1 6 位微控制器，最高主频可工作在7 2 m h z ，主要应用于工业控制 和医疗系统等领域。l p c 2 3 6 8 具有如下基本特剧2 5 】： 1 a r m 7 t d m i s 处理器，可在高达7 2 m h z 的工作频率下运行。 2 高达5 1 2 k b 的片内f l a s h 程序存储器，具有在系统编程( i s p ) 和在应用编 程( 御) 功能。单个f l a s h 扇区或整个芯片擦除的时间为4 0 0 m s ，2 5 6 字节编程的 时间为l m s 。f l a s h 程序存储器在a r m 局部总线上，可以迸行高性能的c p u 访问。 3 a r m 局部总线上有高达3 2 k b 的s r a m ，可以进行高性能的c p u 访问。 4 以太网接口的1 6 k b 静态r a m 。也可用作通用s r a m 。 5 u s b 接口的8 k b 静态r a m 。也可用作通用s r a m 。 6 两个a h b 系统，可以同步进行e t h e m e td m a ，u s bd m a 以及从片内f l a s h 执行程序的操作，在这些功能中不会产生竞争。总线桥允许e t h e m e td m a 访问其 8 嵌入式电梯群控系统设计第二章电梯群控系统设计方案 它a h b 子系统。 7 先进的向量中断控制器，支持多达3 2 个向量中断。 8 通用a h bd m a 控制器( g p d m a ) 能够与s s p 串行接口、i z s 端口和 s d m m c 卡端口共用，也可用于存储器到存储器的传输。 9 丰富的串行接口：1 0 1 0 0e t h e m e tm a c 、u s b2 0 全速接口、4 个带小数波 特率发生功能的u a r t 串行通信接口、2 路带有验收滤波器模式的c a n 通道、1 个s p i 接口、2 个同步串行端口( s s p ) 、3 个1 2 c 接口、1 个1 2 s 音频接口 1 0 加密的数字( s d ) 多媒体卡( m m c ) 存储卡接口。 1 1 多达7 0 个通用i o 管脚。 1 2 1 0 位a d 转换器，带6 个管脚输入复用；1 0 位d a 转换器。 1 3 4 个通用定时器，每个定时器带2 个捕获输入管脚和多达4 个的比较输出管 脚。每个定时器模块具有一个外部计数输入。 1 4 一个p w m 定时器模块，支持三相电机控制。p w m 具有两个外部计数输入。 1 5 片上集成了看门狗电路，看门狗定时器可由内部r c 振荡器、r t c 振荡器 或a p b 时钟来计时。 1 6 支持实时时钟r t c 功能，r t c 带有日历功能，2 k b 静态r a m 由r t c 电源管 脚供电，当芯片的其它部分掉电时允许数据存储在s r a m 中。 1 7 具有标准的a r m 测试调试接口，与现有的工具兼容；同时还有仿真跟踪 模块，并支持实时跟踪。 2 4 通信模块设计 2 4 1电梯群控系统的通信方式 电梯群控系统通信具有节点多、距离长、抗干扰能力要求高等特点，目前电梯 群控系统的通信方式主要有r s 4 8 5 总线通信和c a n 总线通信两种。 r s 4 8 5 接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，将一条信号线分为两个差分 信号，使得抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好，同时r s 4 8 5 接口具有较长的 传输距离和多站能力。但r s 4 8 5 采用主从式的通信方式，由主机发起呼叫，对应的 终端应答，因此只能采取轮询的通信方式，实时性差，而且一旦主机通信出现故障 9 第二章电梯群控系统设计方案嵌入式电梯群控系统设计 整个系统将会瘫痪，从而导致整个梯群不能工作，这就不能满足对实时性和安全性 要求都很高的电梯控制系统【2 6 - 2 7 1 。 与r s 4 8 5 不同，c a n 总线采用多主方式工作，网络上任一节点均可以在任何时 刻主动向网络上其它节点发送信息，同时还可接收总线上的信息，通讯方式灵活且 不分主从，从而解决了r s 4 8 5 中从节点无法主动与其它节点交换数据的问题，使 系统具有很大的灵活性；c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，c a n 网络上的节 点可以设置不同的优先级，当多个节点同时向总线发送消息时，优先级较低的节点 会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响继续传输数据，这样在网络负载 很重的情况下也不会出现网络瘫痪，保证了系统的安全性；c a n 总线系统具有鲁棒 性，与总线相连的单元没有类似于“地址的信息，因此在总线上增加单元时，连 接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变；c a n 总线具有错误检测和 处理机制，每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证数据出错率极低【2 8 - 2 9 1 。 基于上面对r s 4 8 5 总线和c a n 总线通信的比较，考虑到电梯控制系统对实时 性和安全性的高要求，本电梯群控系统采用c a n 总线通信的通信方式。 2 4 2c a n 总线简介 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线属于现场总线( f i e l db u s ) 的范畴。最初是由德 国的b o s c h 汽车公司为汽车检测和控制系统设计【3 0 3 1 1 。c a n 总线于1 9 8 6 年2 月 正式提出，由于当时消费者对汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多基 于电子操作，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连 接信号线。提出c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装 置之间的通讯，减少不断增加的信号线。至1 9 9 3 年1 1 月b o s c hc a n 2 0 成为国际 标准( i s 0 11 8 9 8 ) 。目前c a n 总线的应用已从汽车、火车、轮船迅速扩展到机械工业、 纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等领域。 一个由c a n 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点，但实际应用 c a n l ) 就可以进行正常的通信。在干扰比较强的场合，还需要用到屏蔽地即c a n g ( 主要功能是屏蔽干扰信号) ，c a n 协议推荐用户使用屏蔽双绞线作为c a n 总线 的传输线。在隐性状态下，c a n h 与c a n l 的输入差分电压为0 v ( 最大不超过 0 5 v ) ，共模输入电压为2 5 v 。在显性状态下，c a n h 与c a n l 的输入差分电压 为2 v ( 最小不小于0 9 v ) ，c a n 总线位电平特点如图2 - 4 所示。 时i 剐t 图2 4c a n 总线位电平特点 c a n 总线物理传输层详细和高效的定义，使得c a n 总线具有其它总线无法达 到的优势，注定其在工业现场总线中占有不可动摇的地位，c a n 总线通信主要具有 如下所示的优势和特点： 1 它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行 通信。 2 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，最大传输速率可达1 m b i t s ， 第二章 电梯群控系统设计方案 嵌入式电梯群控系统设计 对应的最大传输距离为4 0 m ；传输速率为5 k b i t s 时对应的最大传输距离为1 0 k m 。 3 各节点可以定义成不同的优先级。当两个节点同时向网络发送数据时，优 先