（信号与信息处理专业论文）电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究.pdf

电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 中文摘要 i 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 中文摘要 电梯问世一百多年以来 随着社会经济发展的越来越快 人类科技文化水平发展 的越来越高 电梯控制方式由当初普通人工控制升降逐步升级为控制系统控制电梯自 动运行 随着电梯交通人流量的越来越大 电梯也从当初的单台独立运行转变为多台 电梯联合调度运行 多台电梯之间的联合群控运行是一种具有高度复杂性和动态性的 调度过程 如何让多台群控中的电梯合理有效的运行 是电梯群控调度算法所需要解 决的首要问题 本文首先设计了电梯控制系统 系统由电梯主控制器板 电梯轿厢控制器板及电 梯外召板组成 在控制系统的基础上针对原电梯群控系统在群控过程中厅外呼梯请求 预先分配不合理 尤其在单梯遭到人为遮挡时 预先分配给此单梯的厅外呼梯请求得 不到及时响应以及群控调度方式等诸多问题 提出了一种全新的群控调度方法 对等 群控调度方法 该对等群控调度算法不再采用集中式调度算法对接收到的厅外呼梯请 求预先分配到群控中的各台单梯 而是在群控系统中开辟一块群控外呼共享池 将群 控中的所有单梯外呼请求存放在外呼共享池中 群控中的各单梯实时查询外呼共享池 中的外呼请求 根据当前单梯的实际运行情况 在完成一次行车服务后给其他单梯发 送外呼服务请求命令 群控中的其他单梯收到此命令后根据自身运行状态发送同意或 者拒绝响应 请求梯在收集完响应后 如果全部同意则启动一次外呼的服务行车 并 将此外呼服务请求从外呼共享池中清除 完成一次运行服务 嵌入对等群控调度算法的电梯群控调度系统与原群控调度系统相比能有效的提 高电梯的运行效率 尤其在群控中的其他单梯遭到遮挡时效果更加明显 实现了对等 群控调度算法的预期目标 关键词 关键词 电梯 控制系统 对等群控 外呼共享池 作作 者者 孙 伟 指导老师 指导老师 陈小平 abstract elevator control system esign and equal elevator group control scheduling algorithm research ii elevator control system design and equal elevator group control scheduling algorithm research abstract there are about one hundred years since the first elevator has been used with the increasingly rapid social and economic development and the human science and cultural level of the development of increasingly high the elevator control mode from the original of ordinary manual control movements gradually upgraded to a control system to control the elevator automatically run since the elevator traffic flow of people is increasing the elevator run mode changed from the original single independent run into run elevators jointly the joint between the multiple elevator group control operation is a highly complex and dynamic nature of the scheduling process how to make the elevator group control of multiple reasonable and effective running is the first problem the elevator group scheduling algorithm must to solve first an elevator control system was designed this system is combined by the main control board elevator car controller board and the elevator outcall board against the unreasonable of the outcall call service request pre allocated especially the elevator car board was head off by some people the outcall services were not been serviced quickly a new elevator group control scheduling system was come up equal elevator group control scheduling system equal group control scheduling system is no longer centralized scheduling algorithm previously received out call service request is assigned to a single elevator but opened up to a outcall shared pool group control outer the call signal stored on outgoing calls shared pool shared pool outside the call signal call outside group control single staircase real time query according to the actual operation of the single staircase complete a driving service sent to other single staircase outside call service request command single staircase in the group control receipt of this command is sent according to their running state agree or refuse to respond to requests ladder after collecting the response if all agree to start the service lane of outbound calls the addition call service request clear call from outside the shared pool complete the first run service group control scheduling system compared with the original group control elevator control system esign and equal elevator group control scheduling algorithm research abstract iii scheduling system can effectively improve the operating efficiency of the elevator especially other single staircase in the group control was obscured when the effect is more pronounced the beginning of the design target keywords elevator control system equal group control outcall share pool written by sun wei supervised by chen xiao ping 目 录 第一章 绪论 1 1 1 本课题的研究背景及意义 1 1 2 本课题的研究内容任务及其创新点 4 1 2 1 本课题的研究内容 4 1 2 2 本课题的研究任务 5 1 2 3 本课题的创新点 5 1 3 本论文章节安排 5 第二章 电梯控制系统方案设计及对等群控算法基本思路 7 2 1 系统设计要求 7 2 2 对等群控算法基本思路 7 2 3 电梯控制系统方案设计 8 2 3 1 电梯控制系统主控制器选择 8 2 3 2 can 通信硬件单元方案选择 9 2 3 3 编码器采集单元方案选择 9 2 4 本章小结 10 第三章 电梯控制系统硬件设计 11 3 1 电梯控制系统的硬件组成 11 3 2 电梯控制系统硬件模块 12 3 2 1 微处理器 lpc2478 12 3 2 2 lpc2478 最小系统设计 14 3 2 3 输入输出硬件电路设计 16 3 2 4 通信模块硬件电路设计 19 3 2 5 人机交互模块硬件电路设计 24 3 3 本章小结 25 第四章 对等群控调度算法研究与实现 26 4 1 电梯对等群控调度算法研究 26 4 1 1 电梯对等群控调度算法原理描述 26 4 2 电梯对等群控调度算法软件实现 28 4 3 can 通信协议的设计与实现 36 4 3 1 can 通信原理的介绍 36 4 2 2 电梯对等群控调度的 can 协议设计 37 4 4 本章小结 39 第五章 对等群控调度算法实验及 can 通信分析 40 5 1 对等群控调度算法实验平台介绍 40 5 2 对等群控调度算法的数据结果与性能分析 42 5 2 1 对等群控调度算法的实验数据结果 42 5 2 2 对等群控调度算法的性能分析 44 5 3 can 通信模块设计性能分析 47 5 3 1 can 通信模块软件抗干扰设计分析 48 5 3 2 can 通信模块硬件抗干扰设计分析 48 5 4 本章小结 50 第六章 总结与展望 51 参考文献 53 攻读硕士期间公开发表的论文及专利 57 附图 1 58 附图 2 59 致谢 65 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 第一章绪论 1 第一章 绪论 1 1 本课题的研究背景本课题的研究背景及意义及意义 电梯是一种固定的升降设备 按照既定的规则在固定的楼层之间服务运行 1 1854 年 在纽约水晶宫举行的世界博览会上 美国人伊莱沙 格雷夫斯 奥的斯第 一次向世人成功展示了他的发明 历史上第一部安全升降梯 2 自此 电梯作为一 种特殊的交通工具登上了历史的舞台 1887 年 美国奥的斯公司制造出世界上第一台电梯 这是一台以直流电动机传 动的电梯 1889 年它被装设在纽约德玛利斯大厦 3 在接下来的半个多世纪的发展中 电梯控制技术逐渐从人工控制时代过度到继电器控制的时代 1949 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 系统 4 该电梯群控系统的使用拉开了电梯群控的序幕 在随后的半个多世纪的发展 中 电梯的单梯和群控的控制技术都得到了长足的发展 其发展时期大概可以分为四 个时段来叙述 第一阶段为 20 世纪 40 年代末到 70 年代初 此时的电梯控制技术还停留在继电 器的时序控制技术 与之相对应的则是继电器时序控制电梯群控系统 该电梯群控系 统可以根据设在楼层站外的呼梯按钮收集客流交通需求 并按照区间指派的方式完成 对乘客的应答服务 5 这种群控方式能够适当的解决乘梯高峰时期梯群间的各个轿厢 沿井道的均匀分布的问题 但缺点是电梯的轿厢花费太多的时间停在端站等候指派 且轿厢在等候指派的过程中往往都处于空闲状态 同时轿厢频繁的在端站楼层无目的 的运动也造成能源的浪费等 这个时期的电梯群控系统被称为 自动模式选择系统 采用时间间隔控制 但由于这种群控系统存在线路复杂 功能简单 故障率高等缺点 目前已经很少使用 6 第二阶段为 20 实际的 70 年代初到 70 年代末 随着半导体集成电路技术的飞速 发展 集成电路逐渐取代继电器成为电梯控制系统的主流技术 7 大规模集成电路的 使用使得整个电梯控制系统结构得到大大简化 同时控制系统的可靠性也得到极大的 提高并可以进行一些较为复杂的逻辑运算 这个时期的电梯群控系统主要应用数理统 计的方法来研究电梯的群控特性 学术上称之为统计特性 8 第一章绪论 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 2 第三个阶段为 20 世纪 70 年代末到 21 世纪初 计算机的应用拉开了现代电梯群 控技术的大幕 在该时期的电梯群控系统中 群控电梯的动态特性成为了研究对象 在原有的最小候梯时间的控制基础上又增加了包括长候梯率 预测误差率在内的多因 素综合评价系统 9 70 年代末到 80 年代初这时期为现代电梯控制的第一代群控系统 这代电梯群控系统采用候梯时间预测控制 到达楼层的预报准确率有了一定程度的提 高 在整个 80 年代 随着电子技术的发展逐渐演变出了第二代的电梯群控系统 在 这个时期的电梯群控系统中加入了对交通需求的学习功能和在派梯中使用的综合评 价系统 极大的减少了乘客的候梯时间 长候梯发生率等 10 进入 90 年代至今 随 着计算机控制技术的迅猛发展 电梯群控技术进入了快速发展的时期 人工智能在群 控系统中得到深入的应用 将人工智能应用到电梯群控中 使电梯群控朝智能化方向发展是现今电梯群控的 主流 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 目前常用的电梯群控技术有 基于专家系统的电梯群控 基于模糊控制技术的电 梯群控 基于神经网络的电梯群控和基于遗传算法的电梯群控 专家系统是一个智能计算机程序系统 其内部含有大量的某个领域专家水平的知 识与经验 能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题 11 电梯群 控系统中引入专家系统始于上个世纪 90 年代 如日立公司的 cip52000 系列 三菱公 司的 ai2100 系列 富士通的 fiex 系列都使用了专家系统 12 专家系统具有启发性利 用专家知识和经验对不确定和不精确的问题进行启发式推理 利用专家的先验知识直 接参与派梯优化中 从而对电梯的系统运行产生积极影响 对解决电梯群控部分问题 具有一定的优越性 但专家系统有其自身的局限性 实际建筑物并不能与专家设想的 完全符合 不能达到预期的效果 专家的知识经验有局限不能满足日益复杂多变的电 梯群控系统 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 13 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 14 富士通的 flex 8800 系列 日立的 cip5200 系列以及三菱公司的 ai2200 系列 同时也使用模糊控制的技术 模糊控制技术不需要建立精确的模型 相对比较适用于 电梯群控这种离散性较强的系统 而且从具有经验丰富的工程师获得的多种控制规则 肯定比仅用复杂补偿函数的方法效果要好 但由于模糊控制的隶属函数加权系数不会 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 第一章绪论 3 根据不同的交通模式发生改变并且自身不具有自学习的功能 所以无法跟上建筑交通 的变化 其性能的好还及其依赖于专家知识的优劣 规则一旦制定就非常难以修改 调整到确定隶属函数期间需要大量仿真试验 这些缺陷都影响其在电梯群控系统中的 广泛使用 但是将模糊控制技术与专家系统结合起来可以实现实时在线决策功能 克 服了模糊逻辑隶属函数的权值不好在线调整的问题 15 神经网络系统是模仿大脑神经的系统 该系统以一种简单的处理单元为节点 采 用 输入层 隐层 输出层 的拓扑结构组成活动网络 具有分布储存 并行处理 自 组织 自学习的功能 16 神经网络技术的突出优点是可以通过周围环境学习获取知识 进而改进自身的性能 增强群控系统对外界的适应能力 使用神经网络基本上能够识 别确定时间内的交通流变化 对解决非线性问题有其独特的优越性 但是神经网络的 内部信息是不可见的 且其对初始的权重非常敏感 容易收敛到局部极小 电梯系统 的多态性使得只使用神经网络导致其结构相当庞大 建筑物的多样性直接决定很难获 得神经网络精确的训练样本 17 这些缺陷都给神经网络在电梯群控中的应用提出了新 的课题 基于遗传算法的控制算法是从生物进化过程中抽象出来 是全面通过模拟遗传机 制和自然选择提出的一种具有概率性自适应的优化和搜索算法 它具有鲁棒性强 方 法简单和并行性等特点 具有广阔的应用前景 它能根据交通流的变化而变化 既能 保证系统稳定性又能提高系统在使用交通流发生变化时的跟随能力 能有效的求解非 线性多模型及组合优化问题和多目标的函数化问题 18 由于遗传算法生物特点鲜明 数学基础不够完善且其本身具有的概率性和随机性 目前还存在搜索效率和实时性低 的问题 多台电梯之间的联合群控运行是一种具有高度复杂性和动态性的调度过程 19 第四个阶段为 21 世纪初至今 这一阶段研究的方向为分布式电梯群控调度系统 前三个阶段的电梯的群控调度算法都是在集中式群控调度算法 所谓集中式群控调度 是指在整个群控系统中都存在一个负责整个群控系统调度的 领导者 比如群控器 或者主从式的主梯 该 领导者 接收整个群控系统中各个单梯的外呼请求 根据各 个单梯的当前状态 根据一定的调度法则或者算法函数优化 将接收到的外呼请求即 时分配给当前最优状态的单梯 实现一次群控的分配 这些算法在降低候梯时间方面 取得了比传统算法优越的结果 但是随着电梯群控规模的越来越大 电梯交通系统复 杂度变得越来越高 群控器或者主梯承担着越来越繁重的优化求解计算工作量 这将 第一章绪论 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 4 成为群控优化的瓶颈 20 此外 电梯群控是一类具有高复杂度和实时性要求的多目标 动态调度问题 当时按照最优原则分配好的外呼请求 过一段时间后或许就不是最优 派梯 算法的优化只是降低此事件发生的概率 并不能完全杜绝此事件的发生 这些 都将成为制约电梯群控系统高效运行的瓶颈 综上所述 电梯群控的算法调度还是有很大的研究空间 探索和研究一种新的以 降低乘客候梯时间为目标的电梯群控调度算法具有重要的经济意义和现实意义 1 2 本课题的研究内容本课题的研究内容任任务及其创新点务及其创新点 1 2 1 本课题的研究内容本课题的研究内容 本课题的研究内容和目标是在工业控制芯片 arm 微处理器 lpc2478 上设计并 实现一种全新的电梯群控调度系统 该系统能够自动检测群控系统中的单梯的数目从 而决定单梯的运行模式 当群控系统中的单梯数目只有 1 台时 系统自动转换为单梯 运行模式 依据顺向截梯 最远端反向的原则单梯运行 当群控系统中的单梯数目达 到 2 台或 2 台以上时群控系统中的单梯自动参与群控 本系统内嵌对等群控调度算法来实现电梯的对等群控调度 所谓对等群控调度算 法就是群控系统中的各台单梯真正实现没有主梯和从梯之分的群控调度运行 对等群 控调度算法摒弃了 领导者 这个概念 引入 群控外呼共享池 的概念 所谓 群 控外呼共享池 就是在各自的单梯主控制器中开辟一块内存用于存放整个群控系统中 所有未服务的外呼请求 各单梯只获取当前需要服务的楼层不再独自保存任何外呼请 求 群控中的单梯之间地位平等 外呼请求的获取通过彼此依照一定的规则竞争获得 形式灵活简单 对等群控调度算法是分布式群控调度算法 与集中式群控调度算法相 比 随着群控系统的越来越复杂 参与群控的电梯越来越多 各台单梯的调度算法计 算量并没有增加 在实际物理条件允许的情况下参与群控的单梯数量比集中式群控调 度系统中的群控单梯数量可以提高很多 参与群控的各单梯之间通过第二 can通信实现群控呼梯的竞争和调度 这对 can 通信的要求比较高 要求 can 通信抗干扰能力强 运行稳定性可靠等 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 第一章绪论 5 1 2 2 本课题的研究任务本课题的研究任务 本课题的研究内容具体如下 1 设计一款兼有单梯与群控运行功能的电梯主控制器 该系统以恩智浦系列 arm7tdmi s 的 lpc2478 芯片为主控芯片 完成系统的硬件电路和 pcb 设计 2 完成对等群控算法实际运行平台的搭建 能完成至少 3 台电梯的实际群控调 度算法的调试 3 完成对等群控调度算法设计 在积累原有算法的基础上 结合实际经验提出 一种新的分布式群控调度算法 4 嵌入式平台编程实现对等群控调度算法的软件设计 5 对等群控调度控制系统 can 通信协议的软件设计 6 在对等群控调度算法的调度下 实现嵌入式对等群控调度系统的正常工作运 行 7 在实际运行过程中完成对等群控调度系统的性能测试和分析 1 2 3 本课题的创新点本课题的创新点 本课题的创新点如下 1 在对原有群控调度算法研究和改进的基础上提出了一种新的电梯群控调度的 算法 对等群控调度算法 2 采用全新的 32位 arm7tdmi s 芯片 lpc2478完成电梯对等群控调度系统的设 计与实现 3 在嵌入式硬件系统平台上实现了对等群控调度算法的软件编程实现 4 针对对等群控调度算法 设计了一套基于 can 应用层的通信协议 5 针对 can 通信的抗干扰能力 在硬件和软件层次做出多种改进保护措施 保 证 can 通信稳定性和可靠性 1 3 本本论文章节安排论文章节安排 本章分析了国内外当前环境研究背景和研究意义 说明本课题关于电梯对等群控 调度系统设计的经济意义和实际意义 同时对本课题需要做出的研究内容和研究任务 第一章绪论 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 6 及其创新点做出简要分析和概括 从总体上对本课题做出全面概括 为下文的分章节 具体阐述打下基础 现将本论文总体的结构框架概括描述如下 第一章为绪论 综述本文所要讲述的全部内容框架 说明了本课题研究的经济意 义和实际意义 第二章为电梯控制系统设计与对等群控调度算法的基本思想 阐述了整个电梯控 制系统的方案比较和方案选择 第三章为电梯控制系统设计 详细阐述整个电梯控制系统与对等群控调度算法运 行平台的硬件模块化设计方案 第四章为对等群控调度算法的研究与实现 详细分析了对等群控调度算法的原 理 软件编程实现及 can 通信协议的设计与实现 第五章为等群控调度算法运行的平台介绍与结果性能分析 详细介绍了电梯运行 的平台的搭建以及通过实际的运行数据分析 展示了电梯对等群控调度系统在降低乘 客候梯时间的实际效果 此外还介绍了在 can 通信抗干扰措施方面所做的硬件和软 件的改进 第六章为总结与展望 对本课题现阶段的工作做总体概括 对本课题的进一步研 究做了简要说明 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 第二章电梯控制系统方案设计及群控算法基本思路 7 第二章 电梯控制系统方案设计及对等群控算法基本思 路 2 1 系统设计要求系统设计要求 本文控制系统的设计目标是要设计出一款能同时用于单梯和群控的电梯控制系 统 该系统通过嵌入电梯对等群控调度算法 自动检测群控系统中的其他单梯 当只 有一台单梯自动运行时 脱离群控依照顺向截梯 最远端反向的原则自动运行服务 当群控系统中有两台或两台以上单梯时 当前单梯自动参与群控调度运行 电梯群控 调度的目标是在某一楼层有同方向的呼梯请求存在时 顺向的最近的电梯在无超载无 禁停等外部约束条件下一定会顺向停车载客 同时减少乘客的实际等待时间和心理等 待时间 所谓心理等待时间是指乘客在电梯顺向经过本层但未停靠时 心中焦躁不安 感会有一定程度的提高 导致感觉等待时间比时间等待时间要长 此外 该电梯群控系统要打破以往的集中式群控方式 整个群控系统中不再存在 群控器或者主梯从梯之分 各群控单梯地位平等按照一定的竞争规则 竞争服务所有 的呼梯请求 实现呼梯资源配置的最优化 2 2 对等群控算法基本思路对等群控算法基本思路 电梯对等群控调度算法的整体设计思路是群控中的各单梯平等的参与外召呼梯 请求的竞争 依据一定的竞争原则分配外召呼梯请求 群控中的单梯在顺向经过某一 呼梯楼层时在没有超满载没有禁停等特殊条件下应该停靠载客 依据这一思路 研究现有的群控调度算法发现现有的群控调度算法并不能很好的 解决上述所要求的思路要求 现有的群控调度算法都是在有外召呼梯请求时 依据当 时各单梯的运行状态同时依据一定的先验概率计算出分配结果分配给某一单梯 分配 完成后直到此楼层外呼请求服务完成之前该层外呼请求就一直为此单梯所有 21 在实 际运行中 经常遇到某人搬家或者其他情况导致电梯停在某一楼层停靠的时间过长 这直接导致已经分配给这台单梯的其他楼层呼梯请求迟迟得不到响应直接影响电梯 第二章电梯控制系统及群控算法方案设计 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 8 的运行效率 针对上述问题对等群控调度算法做出了改进 对等群控调度算法在整个 群控系统中开辟一个外呼共享池 群控系统中的各单梯有外呼服务请求时 都将外呼 服务请求添加到外呼共享池中不再主动即时分配 群控中的各单梯在某一楼层服务完 成时 主动去外呼共享池中查找当前未完成的呼梯请求 依据一定的规则找到下一服 务楼层时 当前单梯给群控系统中的其他单梯发送外呼服务请求命令 其他单梯在收 到该命令后根据当前梯自身情况回复同意或者拒绝响应 待收集完成其他单梯的响应 后如果全部同意则完成一次呼梯分配并删除外呼共享池中该外呼服务请求 整个对等控制算法的整体框架设计如图 2 1 所示 图 2 1 对等群控调度算法总体框架设计 2 3 电梯控制系统电梯控制系统方案方案设计设计 2 3 1 电梯控制系统主控制器选择电梯控制系统主控制器选择 电梯对等群控调度算法最终要在嵌入式系统即电梯控制系统上编程实现 故系统 的大脑 cpu 的选择需要按照系统需要的配置要求进行选择 现阶段用来做电梯微控 制器的芯片主要有 dsp 系列 arm 系列和 fpga 系列 dsp 全称数字信号处理器 其 主控板 轿厢板 外召板1 外召板2 外召板n can1 通 信 主控板 轿厢板 外召板1 外召板2 外召板n can1 通 信 主控板 轿厢板 外召板1 外召板2 外召板n can1 通 信 单梯1单梯2单梯n can2通信 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 第二章电梯控制系统方案设计及群控算法基本思路 9 强项是用于大容量数据复杂算法的计算与处理 控制功能较弱 arm 系列芯片内部 集成多种常用控制模块功能偏向于控制 计算功能一般 fpga 计算速度快 但所有 功能都需要自己实现 用来做电梯对等群控调度系统编程工作量巨大 22 由于电梯对等群控调度系统偏向于控制再加上前期对 arm 系列项目经验的积 累 针对此系统的需求分析选择恩智浦系列的 lpc2478 芯片作为对等群控调度系统的 微控制器 用来实现完整的对等群控调度系统的编程实现 lpc2478 是具有工业级 arm7tdmi s 内核 32 位 rsic 的嵌入式微处理器芯片 该 芯片集成多种片上模块 这简化了整个系统的硬件设计 同时保证了系统的稳定性 2 3 2 can 通信硬件单元方案选择通信硬件单元方案选择 整个电梯对等群控调度算法的实现过程中 can 通信占据很重要的一部分 因为 整个群控系统中的外召呼梯请求 轿厢呼梯请求以及电梯主控板之间的群控通信都是 通过 can 总线实现 选择一款合适的 can 通信模块关系到整个系统工作的稳定性 23 本系统 can 通信硬件单元采用 lpc2478 片上集成 can 控制器加外接电平转换芯 片 tja1050 高速 can 收发器构成 采用片上集成 can 控制器的好处是既能降低系统 成本同时也能增加系统的稳定性 tja1050 芯片是介于物理总线和 can 控制器之间的接口 它起初是应用与波特 率在 1m 波特到 60k 波特的自动化高速应用中 tja1050 芯片可以为 can 总线提供多 种不同的发送性能 为 can 控制器提供多种多样的接收性能 并且它与 iso11898 标准兼容 24 tja1050 芯片带有过流保护电路 保护此芯片的输出级 使的由正负电源意外短 路不会造成 tja1050 损坏 tja1050 芯片还带有过热保护电路 当其与 can 发送器的连接温度超过 165 以 上时 会自动断开与 can 发送器连接 因为 can 发送器损耗了大部分功率 所以此 芯片的温度和功耗就会降低 但是此时 ic 的其他功能仍继续工作 当引脚 txd 变高 电平 发送器由关闭状态复位 当总线短路时 尤其需要这个温度保护电路 25 2 3 3 编码器采集单元方案选择编码器采集单元方案选择 电梯控制系统轿厢的位置 运行高度及井道数据的学习计算功能都是通过计算编 第二章电梯控制系统及群控算法方案设计 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 10 码器的脉冲个数来实现 编码器安装在电机转轴上 电机转过一圈对应编码器固定的 脉冲数 在知道电机额定转速和电梯额定速度情况下 通过捕获电梯的脉冲个数就可 以知道电梯的运行速度和电梯当前的运行高度 26 由于编码器的供电电压和微控制器 芯片的芯片供电电压不匹配以及电气隔离的需要 本系统选择将编码器输入脉冲和芯 片捕获引脚之间加入光耦隔离 因为电机正常运行时编码器脉冲速率在 10khz 20khz 之间 故选择高速光耦 6n136 进行隔离 高速光耦 6n136 是具有优良特性的光电转换耦合器件 该型号内封装一个光敏 三极管 和高度红外发光管 具有寿命长 体积小 隔离耦合电压高 抗干扰强 速 度高 与 ttl 逻辑完全兼容等特点 可用于开关电路 隔离线路 逻辑电路 数模转 换 过流保护 长线传输 电平匹配 高压控制 线性放大等方面 27 2 4 本章小结本章小结 本章首先介绍了电梯对等群控调度系统的总体设计要求 根据总体设计要求提出 了对等群控算法的基本思路 给出了本系统的总体设计框架图 然后针对本系统中重 要的几个部分的方案选择进行了分析 为接下来章节的详细阐述做了一定的铺垫 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 第三章电梯控制系统硬件设计 11 第三章 电梯控制系统硬件设计 3 1 电梯电梯控制控制系统的硬件组成系统的硬件组成 电梯控制系统主要运行在 arm7 tdmis 硬件平台上 针对群控和单梯控制的各个 功能 设计了各个模块的硬件实现电路 本系统的硬件电路设计主要包括 arm7 微处 理器 lpc2478 最小系统 低压光耦隔离输入电路 高压光耦隔离输入电路 2 路 can 通信硬件模块 rs485 通信模块 eeprom 数据存储模块 继电器输出模块 按键输 入模块以及液晶显示模块 电梯对等群控调度系统的硬件框图如图 3 1 所示 图 3 1 电梯控制系统硬件组成 本系统按硬件模块可以划分为如下四大部分 1 微处理器 lpc2478 模块 微控制器是整个电梯控制系统和实现群控调度算法的 核心部件 本系统采用具有 arm7tdmi s 内核的 32 位 rsic 芯片 lpc2478 微控 制器 该芯片集成多种片上模块这简化了整个系统的硬件设计同时保证了系统 的稳定性 2 输入输出硬件电路模块 为了保证系统的稳定性和抗干扰性 整个系统的输入 模块都经行了光电隔离 输出模块通过继电器隔离输出实现弱电控制强电的功 能 输入模块又可以分为三个部分 低压低频输入光耦隔离 高压低频输入光 lpc2478 嵌入式系统 人机交互单 元lcd 键盘 通信单元 can rs485 232 低压开关信 号输入 高压开关信 号输入 编码器信号 输入 模拟量 da输出 变频器 多段速输出 门开关输出 第三章电梯对等群控调度系统硬件设计 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 12 耦隔离以及低压高频编码器输入子模块 3 通信模块硬件电路 在有多块控制器组成的电梯对等群控调度系统中 控制器 与控制器之间的通信就变得非常的重要 在本系统中 通信模块主要分为 3 个部分 2 路 can 通信子模块 1 路 rs485 通信子模块 1 路 rs232 通信子模 块 4 人机交互硬件电路模块 整个对等群控调度系统中需要与人进行交互 该人机 交互模块主要由按键电路模块与液晶显示模块组成 良好的人机交互界面 为 对等群控调度系统的调试和实现提供了必要的条件 3 2 电梯控制电梯控制系统硬件模块系统硬件模块 3 2 1 微处理器微处理器 lpc2478 lpc2478 微控制器由恩智浦半导体公司设计制造 它具有 arm7tdmi s 内核 是 一个高度集成的具有广泛应用的微控制器 该微控制器具有高达512kb的片上flash 该 flash 具有一个特殊的 128bit 宽度的存储器接口以及加速器架构 这使得 cpu 能 够以高达 72mhz 的速度顺序执行指令 28 lpc2478 微控制器集成了实时调试 jtag 接口 能同时执行 32 位 arm 和 16 位 thumb 指令的调试和运行 此外在 lpc2478 微控制器中还集成了一个 lcd 控制器 一个 10 100m 的以太网控制器 一个媒体访问控制器 mac 一个 usb 全速设备 主机 otg 控制器 4kb 的端点内存 4 个 uart 串口模块 2 个局域网控制器 can 通道 一个 spi 接口 两个同步 ssp 串行接口 3 个 i2c 接口和一个 i2s 接口 29 lpc2478 微控制器的特点如下 1 arm7tdmi s 内核 高达 72mhz 的运行速度 2 带有在系统编程 isp 和在应用编程 iap 功能的高达 512kb 的片上 flash 存储器 cpu 高性能总线访问 3 高达 98kb 的片上 sram 内存 包括 1 64kb 用于 ahb 总线 sram 2 16kb 用于以太网接口的 sram 也可以用于一般 sram 3 16kb 用于 dma 传输的 sram 也可供 usb 使用 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 第三章电梯控制系统硬件设计 13 4 2kb 用于实时时钟 rtc 的 sram lpc2478 微控制器的内部结构图如图 3 2 所示 图 3 2 lpc2478 微控制器内部结构图 lpc2300 存储器映射由几个不同的存储区组成 如下列各图所示 图 3 3 所示为 复位后从用户编程角度所看到的整个地址空间映射 第三章电梯对等群控调度系统硬件设计 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 14 图 3 3 lpc2478 地址空间映射图 3 2 2 lpc2478 最小系统设计最小系统设计 lpc2478 的最小系统主要包括电源供电接入电路 振荡器电路 复位电路和 jtag 下载口调试电路 lpc2478 采用 3 3v 电源供电 在基准电压供电口 vref 采用 2 5v 电 压供电 备用电源口 vbat in 采用电池供电 30 具体供电电路如图 3 4 所示 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 第三章电梯控制系统硬件设计 15 图 3 4 cpu 电源供电接入电路 lpc2478 有 3 个相互独立的振荡器 rtc 振荡器 主振荡器和内部 rc 振荡器 主 芯片在刚上电或者外部手动复位时 初始选择内部 rc 振荡器用作该芯片的时钟源 31 在系统复位完成后可根据软件设置切换为需要的振荡器 本系统采用外接 12mhz 晶 振的主振荡器 复位电路采用上电和手动复位相结合的方式 具体电路图如图 3 5 所 示 图 3 5 振荡电路及复位电路 lpc2478 的程序下载和仿真调试采用 jtag 下载仿真调试口 jtag joint test action group 联合测试行动小组 是一种国际标准的测试协议 其主要用在芯片的内部测试 但现在绝大多数的器件都支持兼容 jtag 测试协议 32 标准 jtag 的接口为 4 线 tck tms tdo 及 tdi 分别为时钟 模式选择 数 据输出和数据输入线 具有 jtag 口的芯片都有如下 jtag 的引脚定义 tck 时钟输入引脚 tdi 数据输入引脚 通过此 tdi 数据可输入进 jtag 口 tdo 数据输出引脚 通过此 tdo 数据可由 jtag 口输出 第三章电梯对等群控调度系统硬件设计 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 16 tms 模式选择 tms 引脚可用来设置 jtag 口处于某一种特定的模式 trst 复位 输入引脚 低电平输入有效 本系统的 jtag 程序仿真电路如图 3 6 所示 图 3 6 jtag 程序仿真电路 上述电路组成了 lpc2478 最小系统 并能够下载程序自由稳定运行 整个系统的 硬件完成就是在此最小系统上通过不停添加功能模块电路最后完成了整个电梯对等 群控调度系统的硬件设计 3 2 3 输入输出硬件电路设计输入输出硬件电路设计 电梯对等群控调度系统是一个多输入多输出的控制调度系统 电梯行业通用的供 电电压为 24v 而微控制器 lpc2478 的供电电压为 3 3v 尽管其输入输出接口兼容 ttl 电平 但 ttl 电平最高耐压值仅为 5v 此外电梯对等群控调度系统的输入信号主 要来自电梯井道开关 变频器反馈信号 门锁和安全回路信号以及编码器输入电路 其中电梯井道开关和变频器反馈信号为 24v 直流电压 门锁和安全回路信号为交流 110v 电压 编码器输入电路为 10khz 20khz 频率的高频信号 33 为了增加系统的抗 噪声干扰能力同时完成电压电平的转换 系统设计了输入光电耦合隔离电路 输入光电耦合隔离电路具有三种类型 低压低频光电耦合隔离电路 高压低频光 电耦合隔离电路和低压高频光电耦合隔离电路 34 低压低频光电耦合隔离电路如图 3 7 所示 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 第三章电梯控制系统硬件设计 17 图 3 7 低压低频光电耦合隔离电路 图 3 7 所示电路为典型的低压低频光电耦合隔离电路 电阻 r12 r22 和电容 c19 构成 rc 低通滤波器 可以有效的抑制输入信号的高频干扰 电阻 r13 r18 和 r23 构成滤波电容 c19 的电荷释放电阻 当输入回路断开时 滤波电容 c19 和电阻 r13 r18 和 r23 构成回路 c19 上的电荷通过电阻 r13 r18 和 r23 释放 同时 电阻 r12 r13 r22 r23 串联在输入回路上起到限制电流的作用 光电耦合隔离 输出回路中 电阻r14 和 led 灯ds1 组 成输入信号指 示电路用于指示输入电平的高低 电阻 r19 和电容 c21 组成低通滤波电路 并将光电 耦合电路输出通过电阻 r24 送到 lpc2478 的一个普通 io 输入引脚 电阻 r24 起到限 流的作用 高压低频光电耦合隔离电路如图 3 8 所示 图 3 8 高压低频光电耦合隔离电路 图 3 8 所示电路为高压低频光电耦合隔离电路的原理图 该电路主要用于接入 110v 交流门锁和安全回路信号 输入回路中首先加入两个二极管 d3 和 d4 用于将 110v 交流半波整流 电阻 r253 和 r258 和电容 c79 构成 rc 滤波电路 将输入的交流半波信号整流成直流信号 电 阻 r256 r257 和 r259 与电容 c79 构成电荷释放电路 当输入回路断开时 电容 c79 上的电荷通过电阻 r256 r257 和 r259 得到释放 同时电阻 r253 r256 r258 r259 第三章电梯对等群控调度系统硬件设计 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 18 电阻还起到在输入回路接通时限流的作用 在光电耦合输出回路中 电阻 r252 和 led 灯 ds31 组成输入电平指示电路 电 阻 r254 和电容 r80 组成 rc 低通滤波电路 光电耦合输出信号通过电阻 r255 输入到 lpc2478 的一个普通 io 输入口 低压高频编码器光电耦合隔离电路如图 3 9 所示 图 3 9 低压高频编码器光电耦合隔离电路 图 3 9 为低压高频编码器光电耦合隔离电路原理图 该输入电路可以输入两种不 同的编码器 正余弦编码器和 ab 相编码器 正余弦编码器通过 a 和 a 端接入高速光电耦合器 ab 相编码器通过 5v 和 a 接 入高速光电耦合器 35 编码器输出信号经过光电耦合器隔离输出后得到的电平与输入电平相反 为了得 到相同的电平信号故在光电耦合器输出的后端接入 74hc04 反相器将光电耦合的电平 重新反相保持与输入电平一致并将此电平信号输入到 lpc2478 的捕获管脚 供 cpu 计算楼层高度和电梯运行速度 继电器控制输出电路如图 3 10 所示 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 第三章电梯控制系统硬件设计 19 图 3 10 继电器控制输出硬件电路 在图 3 10 所示的继电器输出控制电路中 采用 uln2803a 芯片控制 24v 单刀单 掷继电器开合 uln2803a 芯片为达林顿阵列芯片 片上集成了 8 对达林顿驱动管 每对驱动管都能承受较高的工作电压和较大的灌电流 倒灌电流能高达 500ma 并且 能在继电器闭合时承受 50v 的电压 36 本系统在设计时 需要控制 20 个单刀单掷的 继电器 如果每个继电器都采用大功率三极管驱动 则需要 20 个三级管 如果采用 uln2803a 芯片 则只需要 3 个此芯片 这大大的简化了系统的设计复杂度 同时也 节省了硬件成本并且使得电路的调试变得简单 3 2 4 通信通信模块模块硬件电路设计硬件电路设计 整个电梯对等群控调度系统的正常工作离不开通信 比如单梯的电梯主控制器与 轿厢 外呼板之间的 can 通信 群控时多台电梯主控制器之间的 can 通信 主控制 器与远程监视系统的 rs485 通信 主控制器与 gprs 模块之间的 rs232 通信 can 通信模块的硬件电路如图 3 11 所示 为了方便硬件的调试和 can 发送接收 数据情况的监视 在 lpc2478 和 can 物理发送芯片 tja1050 加入了 led 指示电路 电阻 r299 和 led 灯 ds46 组成接收指示电路 电阻 r300 和 led 灯 ds47 组成发送指 示电路 第三章电梯对等群控调度系统硬件设计 电梯控制系统设计与对等群控调度算法研究 20 图 3 11 can 通信模块硬件电路 tja1050 芯片是介于控制器区域网络物理总线和 can 协议控制器之间的接口 tja1050 可以为 can