基于STM32的电梯呼梯控制器的设计与实现(20110815).doc

论文题目 基于STM32的电梯呼梯控制器的设计与实现学科专业 指导教师 教授 作者姓名 学 号 分类号 密级 UDC 学 位 论 文基于STM32的电梯呼梯控制器的设计与实现（题名和副题名） （作者姓名） 指导教师姓名 教授 电子科技大学 成都 （职务、职称、学位、单位名称及地址） 申请专业学位级别 专业名称 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位和日期 电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 2011年 月 日注1：注明国际十进分类法UDC的类号。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及取得的研究成果。据我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它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谢意。签名： 日期： 年 月 日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名： 导师签名： 日期： 年 月 日目录摘要自1887年美国奥的斯公司制造出世界上第一台电梯以来，电梯控制技术先后经历了继电器控制、PLC控制、微机控制阶段、现场总线控制阶段。与其它几种现场总线比较而言，CAN总线是最易实现，价格最为低廉的一种，在众多领域被广泛采用。本文设计的电梯呼梯控制器主要包括轿厢控制器和外召控制器采用集成了CAN总线控制器的STM32微处理器。STM32处理器是意法半导体最新推出的基于ARM公司Cortex-M3架构的嵌入式微处理器，具有高集成度、高可靠性、高速、低成本、低功耗的优点，在工业控制领域得到了广泛地应用，尤其适合于电梯控制系统的应用。基于CAN总线的串行通信方式实现了主控制器与轿厢控制器、外招控制器之间的内选、呼梯、登记、显示、应答等信号的沟通，使整个控制系统的控制信号线数从数百根减少到几根，极大地方便了电梯的安装和维修，提高了电梯的运行效率和服务质量，增强了电梯运行的实时性，并为进一步实现多台电梯群控、远程监控、楼宇自动化提供便利接口，具有广阔的应用前景。本文首先介绍了电梯控制系统的总体结构，接着分别介绍了轿厢控制器和外召控制器的硬件开发目标、基本功能，并给出其硬件的详细设计方法。采用STM32处理器作为呼梯控制器的核心，CAN总线为串行通信方式，并对其中的重点电路：STM32核心电路、信号输入输出电路、按键和指示灯电路、CAN驱动电路、LED点阵电路等进行了详细地描述。然后再分别介绍了轿厢控制器和外召控制器的软件设计流程和主要的功能设计。呼梯控制器的软件基于STM32的标准库编写。使用标准库函数编程屏蔽了操作大量寄存器的复杂性，增强了程序的可读性、复用性和可靠性，加速了开发过程，明显降低了开发成本和维护成本。最后，本项目在一个根据实际电梯大小按比例缩小的电梯模型上进行了测试，该模型具有接近实际电梯系统的基本功能模块。测试结果表明轿厢控制器和外召控制器的硬件设计和软件功能设计满足设计要求，且工作稳定可靠。关键词：电梯外召控制器，电梯轿厢控制器， CAN总线AbstractSince the worlds first elevator was made by Otis America Corporation in 1887, the elevator control technology was developed from relay control to PLC control, microcontroller control and field bus control. Compared with orther field buses, CAN bus is the cheapest and the most easily to realize. It is abroadly used in many domains. This paper discusses a design method of elevator calling system, which bases on STM32 microprocessor that integrates CAN bus controller. The calling system includes outside call controller and internal call controller. The STM32 microprocessor which bases on ARMs Cortex-M3 architecture was announced by STMicroelectronics Company recently, the chip has many advantages, such as high integration, high reliability, high speed, low cost and low power consumption, and so on. So it is wide used in industry control domain, especially suitable for elevator control system applications. The serial communication method based on CAN bus relizes the contact signal of inside choosing, calling, register, answer and displaying between Main Controller, Internal Call Controller and Outside Call Controller. This method reduces the hole systems control signal lines number from hundreds to sereral. It makes the elevators installation and maintenance easier, enhances the elevators operating efficiency and the quality of services, streangthens the timely control of elevator movement, and offers the convenience connection to futher functions of group elevator control, the remote monitoring and the building automation. It has wide application prospect.The paper first introduces the hold structure of the elevator control system, and then introduces the aim and basic function of hardware design of internal calling controller and outside calling controller respectively. It also gives the detail of hardware design, which adopts STM32 microprocessor as its core processor, and uses CAN bus as serial communication method. It describes the important electronic circuit in detail, such as the core circuit of STM32, signal input and output circuit, key and LED circuit, CAN drive circuit, LED matrix circuit, and so on.In the following four chapters, the paper also introduces the software design, which base on STM32 standard libraries. The programming which uses standard libraries eliminate the complexity of operating so many registers, so making the programme more readable, reuseable and stable, accelerating the process of development cycle, and reducing the development and maintainence cost obviously.In the end, the project was tested in an elevator model which shrinking by certain scale of real elevator. The model has basic module approaching to real elevator systems. The design of internal calling controller and outside calling controller was shown satisfying the demand and working stably by the test result.Keywords: outside calling controller of elevator, internal calling controller of elevator, CAN busVII目录第一章 绪论11.1 课题背景介绍11.2 国内外研究动态31.3 本文的研究内容41.4 本文的组织结构4第二章 系统总体设计方案62.1 整体方案62.2 电梯基本运行状态72.2.1 自学习运行82.2.2 自动运行82.2.3 司机运行92.2.4 消防运行102.2.5 检修运行102.2.6 锁梯运行112.2.7 故障运行112.3 主要芯片选型及性能12第三章 轿厢控制器的设计与实现143.1 功能需求143.1.1 接线端子定义143.1.2 功能说明153.2 总体硬件结构设计153.3 电源163.4 STM32核心电路173.5 输入输出信号电路183.6 按键控制电路193.7 CAN驱动电路20第四章 外召控制器硬件设计214.1 功能需求214.1.1 接线端子定义214.1.2 功能说明224.2 总体硬件结构设计234.3 STM32核心电路244.4 LED显示电路254.5 按键及指示灯电路27第五章 STM32F10x标准库285.1 STM32F10x标准库概述285.2 CMSIS架构简介295.3 标准外设的CMSIS结构315.3.2 core_cm3.h325.3.3 stm32f10x.h335.3.4 system_stm32f10x.h和system_stm32f10x.c345.3.5 startup文件夹345.4 标准外设库的外设库结构34第六章 CAN通信协议设计366.1 CAN标准数据帧格式366.2 类型码和标识符366.3 数据内容格式386.3.1 电梯运行状态广播386.3.2 登记指令396.3.3 登记回复396.3.4 轿内请求396.3.5 轿厢控制416.3.6 外呼请求426.3.7 外呼控制42第七章 轿厢控制器软件设计447.1 轿厢控制器软件流程447.2 系统节拍定时器457.3 printf函数的实现467.4 CAN通信配置467.5 按键输入扫描及指示灯输出487.6 继电器输出控制507.7 输入信号扫描及消除抖动507.8 轿厢控制器通信协议处理537.8.1 通信协议处理流程537.8.2 接收CAN消息547.8.3 登记指令处理547.8.4 轿内请求指令557.8.5 其它指令处理55第八章 外召控制器软件设计568.1 外召控制器软件流程568.2 GPIO中断配置578.3 LED阵列显示608.3.1 LED点阵布局608.3.2 LED点阵地址统一编码608.3.3 字模设计618.3.4 字符缓冲区设置638.3.5 LED扫描显示648.4 外召控制器通信协议处理65第九章 系统的测试及结果679.1 实验装置679.2 成果实物图689.3 测试结果70第十章 结论及展望7310.1 结论7310.2 展望74致谢75参考文献76第十章 结论及展望第一章 绪论1.1 课题背景介绍电梯作为特种设备，作为现代高层建筑的必备交通工具，其经济和社会意义重大。在调研中发现，国内电梯市场规模约500亿元，年出口创汇10亿元以上。目前全国有注册电梯企业达395 家，但美国奥的斯、日本三菱、日立、富士达、东芝、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森等13 家大型外企占据我电梯市场80% 的份额，销售额达85%，其余占96%的本土企业只占有20%的市场。作为世界第一大电梯生产国的我们，大而不强，外资企业已卓然垄断1。我国在用电梯的人均拥有量是世界平均数的1/3，是发达国家的1/10，市场还远未饱和。中国产业研究院的研究报告表明，2008-2010 年期间我国电梯需求仍将呈现快速增长的态势，仍将保持每年20% 的递增速度，年平均销售额至少500 亿元。另，我院调查的第一手资料显示，即便是国际金融风暴带来冲击，但电梯市场依然乐观向上。专家预测未来50 年我国新增住房面积将达到200 亿平方米，而电梯市场与房地产市场为正相关，关系系数达0.9以上，因此未来电梯的需求量依然长期持续乐观增长。因此我国电梯企业面临的是压力，也是机会与挑战2。2008 年及未来几年，技术创新是推动电梯行业进步的关键。而技术创新的中心要围绕并服务于我国的社会经济发展，节能减排是我国当前的首要任务。目前，建筑能耗是我国能源总消耗的3045%，占我国建筑面积1/4强的105亿平方米的城镇居住建筑面积中，高能耗面积占95%。其中45亿平方米的大型商厦、办公楼、宾馆等公共建筑面积的单位面积能耗约为普通居住建筑的10至15倍。而在大型公用建筑中，电梯则是一个不折不扣的 “耗能大户”，仅次于空调和照明，电梯耗能问题已被广泛关注。随着我国城市化建设，高楼层的公共建筑和居民住宅建筑将不断涌现，电梯耗能问题将日益扩散，更显突出2。自90年代后期，国内电梯行业，主要是外资企业与合资企业，开始应用电梯节能技术，在单梯上应用VVVF技术和永磁同步无齿轮曳引机，最近两年，部分电梯开始采用电能反馈装置（国外常称能源再生设备），将现代电梯工作在发电状态下所产生的电能，反馈到电网中，但在我国目前保有的近百万台电梯中，节能电梯占总量不到2%，而电能反馈装置将引起的电网污染问题还有待观察。国外则不断寻求以多台电梯的群控技术来实现更有效的建筑节能。电梯智能控制系统是基于强大的计算机软硬件资源，从建筑节能和建筑交通的角度出发，应对电梯交通的不确定性、控制目标的多样化、非线性表现等动态特性。随着建筑的发展，电梯的智能控制系统能与大楼所有的自动化服务设备结合成整体智能系统4。电梯呼梯控制器是电梯一个重要组成，用于给出每一楼层的呼叫请求信息，并显示电梯当前运行情况。乘客可以通过显示器，按键等了解到电梯运行的大量信息。早期的电梯控制是由继电器、接触器构成。它不仅存在着可靠性差、成本高、故障率高等缺点，而且在层数增加时，配线变化给制造及安装带来诸多不便。而后出现的微机控制电梯技术具有诸多优点，最大的优点是将信号传输与交换功能联系在一起，使得视频信号、音频信号、计算机数据都利用0、1二进制代码在同一网络里传输和交换。这种以数字化为共同语言彼此相容的沟通特性，使各种形式的信息传输速度大大加快，使得整个系统更加有效。但呼梯和主控之间通信是采用点对点的通信方式，主控器通过楼层显示线、方向显示线等多根信号直接与每一层楼的呼梯板直接进行连接。当电梯楼层增加时，各类信号迅速增加，使得系统连线异常复杂，给制造及安装带来诸多不便。大量的数据交换严重影响电梯的运行效率，对于实时性和安全性要求都很高的电梯控制系统来说无疑是致命的。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域：一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；节省维护开销;提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持，迅速地在各个领域得到广泛的应用。其在电梯控制系统的应用具有很大的优越性：可以实现无触点逻辑线路，提高系统可靠性；编程控制程序灵活性大，可以适应不同功能要求；可以实现故障显示，使得维修方便;使得电梯控制系统体积减小，成本降低，节省能源；可以减少控制装置的占地面积。此外，作为意法半导体最近推出的基于ARM公司最新的先进架构的Cortex-M3内核的STM32处理器，已在工业控制、建筑与安防、家电以及消费领域得到了广泛地应用。采用哈佛结构的STM32以其优异的实时性能；杰出的功耗控制；丰富经济实惠的ARM工具和软件使其易于开发，可以使产品快速进入市场；Thumb-2指令集以16位的CPU的集成度和价位提供32位CPU的性能；最大程度的集成整合和低廉的价位等特点非常适合电梯控制器的开发和应用。STM32微控制器在电梯控制器中的应用，使电梯控制系统更经济、安全、高效、易于维护。1.2 国内外研究动态（1）国家政策开始重视。主要体现在停止了两年的电梯生产许可证验收颁发从2004年又重新开始，结束了各种投资无法投资电梯行业的状况，而且对电梯生产企业的管理可以更上一个新的台阶。国家有关部门对电梯的质量和安全作为了最重要的工作来进行管理，使电梯质量有所提高。（2）电梯行业投资踊跃。主要表现在最近几年电梯制造业的快速发展，近3年每年新增电梯生产企业几十家，其它相关企业就有几百家，从投资现象分析，可以看到国家对电梯行业有所开放，促进了投资者的热情。（3）电梯技术发展迅速。去年在中国还有许多开发商和生产企业对第四代无机术抱有怀疑，而今年除了首先在中国应用第四代无机房电梯技术的WALESS电梯以外，三菱、OTIS以及其它企业均向该技术靠近，就连通力也不得不采用新的第四代无机房电梯技术。同时其它电梯技术还在迅速发展提高。目前最受关注的电梯新技术有：永磁同步技术、乘客识别系统、指纹识别系统、别墅家用电梯技术等。（4）电梯采购更理性化。在过去，政府采购就只有招标，而招标中存在严重的价格偏高问题和个别招标单位不公正问题，现在政府采购中己经广泛开展了政府采购竞争性谈判方式，为降低采购成本起到了十分积极的作用。开发商的采购将更重视综合开发成本和合理选择电梯载重;开发商已经认识到土建成本加电梯成本对最终开发成本和房产销售的关系。为此也促进了电梯载重量的合理选用。电梯采购管道和方式也发生了重大变化，无论是单位采购或者是开发商采购电梯均从多方面考虑选择电梯，己经不再选择几个国外名牌产品（其实国产产品也很好，技术已经相当成熟），而是考虑到综合因素和采购方式。（5）电梯品种发展快。奥的斯、迅达和三菱过去一直被视为电梯技术和规格发展的风向标，而他们在近几年引进到中国的先进技术为数不多，由此为更多的生产企业提供了迅速开发、发布新产品的机会，通过几年的改进，新产品已日趋成熟，而且质量和款式均超过了奥的斯、迅达和三菱，目前在市场上供应的360度全景观光电梯、扇形观光电梯、三开门电梯、平面观光电梯等均超过了国外技术，成为重要的新产品。而且住宅、别墅电梯的新产品更多，质量也比国外更好。目前小吨位的住宅、别墅电梯均已经采用模型生产，使电梯质量达到最优完全可以媲美奥的斯、迅达和三菱等原来的国外品牌。1.3 本文的研究内容本文针对目前流行的基于Cortex-M3的STM32嵌入式控制器设计了电梯控制系统的呼梯控制器（包括轿厢控制器和外召控制器）的硬件、通信协议以及软件，并在实验电梯上对呼梯控制器进行了测试。1）呼梯控制器硬件设计。STM32是一款适用于工业控制领域的嵌入式微控制器，本文将其应用到呼梯控制器的设计中，简化系统设计，达到经济又可靠的设计目的。2）设计基于CAN总线的通信协议，要求该协议满足电梯7种运行状态的需要，并且简单可靠。3）基于STM32固件库，设计呼梯控制器的应用软件。使用STM32固件库，能够最大程度减少硬件的差异化对系统设计的影响，使开发专注于应用逻辑。本文要求所设计的应用软件符合前述CAN通信协议的要求，具有高可靠性、可移植性和可维护性。4）在实验电梯系统上测试呼梯控制器，检验呼梯控制器的功能和性能，使其符合电梯正常运行的各项要求。1.4 本文的组织结构本文接下来在第二章首先介绍了整个电梯系统的结构，以及电梯的7种基本运行功能，从而了解电梯的组成和工作原理。第三章和第四章介绍轿厢控制器和外召控制器的详细的硬件设计，包括接口端子定义以及子电路的设计。第五章至第八章介绍软件设计。其中第五章描述STM32固件库的结构，第六章介绍本文所使用的CAN通信协议，第七章和第八章分别详细介绍基于STM32固件库的轿厢控制器和外召控制器的软件设计。第九章介绍了本文所使用的实验装置和产品实物图。最后一章总结了本文所作的工作，并对本文所描述的电梯控制器系统以及整个行业的发展进行了展望。第二章 系统总体设计方案2.1 整体方案外召控制器控制柜主控制器变频器控制信号反馈信号M编码器轿厢显示屏1N井道开关急停回路反馈安全回路反馈下极限上极限UVW三相信号CAN总线通信抱闸输出轿厢控制器图 2-1 电梯控制系统整体结构电梯控制系统的核心部件是安装在控制柜内的电梯主控制器与变频器。他们与电机构成了一个闭环控制系统。主控制器主要完成呼梯指令的登记与分配、安全回路检查、故障检测与处理、电梯速度控制、电梯工作模式的控制等功能。主控制器通过CAN串行总线通信的方式与轿厢控制器、外召控制器实现信息与数据的实时、有效交换。主控制器采集到轿厢控制器和外召控制器发送的外呼、内选等呼梯请求后，按照程序制定的电梯控制策略，经过逻辑与算术运算，向变频器和门机发出相关速度指令与控制指令，将电梯派往相应楼层，实现电梯轿厢的垂直运动控制。同时主控制器还要根据井道位置开关、急停回路反馈和安全回路的反馈信号判断电梯当前的位置、安全和故障状态。轿厢控制器主要实现内选呼梯信号、开关门信号等开关信号的采集，并根据主控制器的相关控制指令完成对到站钟、照明、风扇等的控制。外召控制器主要完成采集外呼请求，并实时显示电梯的楼层号、运动方向等功能。此外，外召控制器可以通过跳线配置成轿厢显示屏，用于在轿内显示当前电梯的运行方向和所在楼层。变频器的主要功能是实现电机的VVVF驱动，它根据主控制器的相应控制信号，实现对电机的运转控制。其中，主控制器通过多段速的方式控制变频器，实现电机的速度控制。2.2 电梯基本运行状态序号功能要求备注1自学习运行电梯自己运行，并学习井道数据，记忆每个楼层的高度以及各强迫减速开关的位置，从而在正常行使时正确地确定减速点以及判断电梯所在楼层2自动运行电梯自动登记并轿厢内部呼梯指令和各楼层的外呼指令，按照轿厢内部呼梯优先、同方向优先运行、顺向截梯、最远端反向呼梯等原则实现电梯的运行，完成对所有呼梯指令的响应3司机运行与自动运行类似，但电梯由司机手动控制关门，此外司机可选择定向运行功能和直驶功能4消防运行当建筑出现火灾等紧急情况时，电梯可以进入消防状态，供消防人员使用。包括两种运行模式，一种是电梯回到消防基站停止运行；另一种是电梯回到消防基站后可由消防员控制运行5检修运行电梯安装、调试、维护人员的运行模式6锁梯运行当锁梯信号输入时，电梯服务完现有之内召后，到基站开门放人，关门进入休机状态（关灯、关风扇）7故障运行当电梯出现故障之后的运行模式2.2.1 自学习运行运行条件：1)电梯置于检修状态；2)停在2层或以上的楼层；3)需提前设置以下参数：额定速度（最大输出频率时的运行梯速）、实际速度（实际需要运行梯速）、学习速度以及平层铁板长度；4)检修运行全程运行正常，无异常声音和振动；每层平层开关以及上下强迫减速开关均工作正常；控制器工作正常不报任何故障；门联锁、安全回路接通；运行过程：1)电梯下到一层，再运行到顶层平层结束自学习，记录各楼层脉冲数、上下强迫减速脉冲数和上下高速强迫减速脉冲数；检查楼层数以及每层脉冲数与实际楼层高度；2)自学习完成：全程运行正常，无报警信息；平层开关及强迫减速开关均工作正常；轿厢选层登记正常，各楼层翻号正常；门联锁、安全回路接通；超载开关正常，开关门正常。满足以上条件后电梯可进行快车运行，并进行舒适度调整以及称重补偿等工作。2.2.2 自动运行运行条件：1)所有正常/检修开关均置于正常位置；2)轿厢内自动/司机开关置于自动位置。运行过程：1)上电自动平层：每次电梯系统重新通电后，若电梯不在门区，电梯将自动以检修速度运行至最近楼层门区，然后自动开门；2)到站自动开门：电梯到达目的楼层后，将启动开门，延时等待一定时间后将自动关门；3)本层外召开门：电梯正在关门或已关门但未启动时，若本层有同方向外召呼梯指令，则立刻重新开门；4)满载直驶：此时电梯只响应内选，不响应外召，将按照内选登记指令依次停靠；5)照明、风扇自动开关：处于节能的考虑，电梯在一定时间内无人使用时，轿箱内照明和风扇将自动关闭，接到任何呼梯命令或者轿厢内部人员按下开关门按钮后，照明将自动恢复；6)顺向自动截车：电梯在运行过程中，对于同方向的呼梯指令请求，若电梯满足换速要求，将自动停靠在截车楼层；7)最远端反向截车：电梯在向上运行过程中，需要响应顶层的向下呼梯指令，而在向下运行过程中，响应底层的向上呼梯指令；8)防捣乱功能：电梯停靠时，若当前运行方向上没有内选或者外呼，开门前清除所有的内选登记；9)内选信号优先：电梯尚未定出方向，则电梯的运行方向应按已进入轿厢的乘客的要求而定向，根据其它楼层大厅乘客的要求而定向；10)内选登记取消功能：若参数设置使能内选登记取消功能，则在电梯到达目标楼层减速位置前，轿厢内部乘客可以再次按下内选楼层按钮，取消该楼层的内选登记；11)长中短楼层运行速度执行功能：根据运行距离的长短来分配运行速度的指令，当超过7.5 米的行程时以高速运行，在4.5 米与7.5 米之间时以中速运行，若在4.5 米以下时就以低速运行；12)到站钟提示：当电梯到站时，将发出到站钟提示；13)自动返基站运行：若无召唤指令且超过返基站所设定的时间，电梯将自动返回基站待命。2.2.3 司机运行司机运行模式和自动运行模式基本功能大致相同，但略有不同。司机运行条件：1)所有正常/检修开关均置于正常位置；2)将轿箱内自动/司机开关置于司机位置。运行过程：1)手动关门：电梯停靠至某一层楼后，将自动开门，但不会延时后自动关门，需要由司机手动按下关门按钮后关门；2)直驶功能：如果在电梯起动前按一下直驶按钮，电梯在接下来的一次运行过程中，沿途不响应外召信号，而直驶有指令登记的层楼；3)外召提示：厅外有呼梯信号时，轿内对应楼层内呼按钮闪烁，且蜂鸣器会发出声音提示司机。2.2.4 消防运行消防运行分为消防模式1和消防模式2。消防模式2又称为消防员运行模式。当前只实现消防模式1，仅完成返回消防基站的功能。运行条件：1)所有正常/检修开关均置于正常位置；2)消防开关闭合。运行过程：1)清除所有内选及外召信号；2)电梯运行方向与消防基站方向相反时，电梯就近楼层停靠，不开门，再反方向运行，返回消防基站；3)电梯运行方向与消防基站方向相同时，直驶消防基站；4)电梯处于停站状态，立即关门启动，直驶消防基站；5)回到消防基站后，输出消防到位信号，常开门，关闭轿内照明及风扇；6)在运行过程中，除了不能锁梯且除门保护措施外，各类完全措施仍起作用。2.2.5 检修运行运行条件：正常/检修开关分别置于轿顶、轿内、控制柜，优先级由高到低。将正常/检修开关置于检修状态，电梯进入检修运行。运行过程：按下慢上或慢下按钮，电梯以检修速度向上或向下运行，松开按钮后停止；按下轿内开门或关门按钮，轿厢门打开或关闭，松开按钮停止开关门；任意位置可开关门；检修两种速度运行，在检修过程中有二种不同的速度运行便于高楼层的检修与楼层平层的调整。2.2.6 锁梯运行运行条件：电梯处于检修、自动或司机运行状态。运行过程：若电梯正在运行且已有内选登记，则电梯不再响应任何外召，将所登记的内选服务完毕后自动返回锁梯层；若无内选登记，则电梯直接返回锁梯层；返回锁梯层后：电梯不在响应任何内选及外召；10秒钟后，电梯自动关门、关闭轿内照明及风扇，厅外及轿内层显熄灭；按动开门按钮开门，并打开轿内照明及风扇，10秒钟后自动关门并重新关闭轿内照明及风扇。CPU始终处于工作状态，一旦取消锁梯信号，电梯投入正常运行。若关闭电梯时电梯处于检修状态，则电梯不能自动返回锁梯层，其余功能不变。2.2.7 故障运行运行条件：非检修状态；门锁回路、安全回路及变频器均处于正常状态；电梯主控制器检测到故障（非不可运行故障）。运行过程：如果电梯不在门区，则根据电梯当前行进方向选择最近可停靠层平层并停车开门；如果电梯在门区，电梯直接开门。2.3 主要芯片选型及性能本文的呼梯控制器采用意法半导体公司基于Cortex-M3内核的STM32F103x系列处理器。Cortex-M3是ARM公司基于ARMv7-M架构的处理器内核，是专门为了再微控制器、汽车车身系统、工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域实现高性能而设计的，它大大简化了可编程的复杂性，使ARM架构成为各种用用方案的上佳选择。下表是Cortex-M3与ARM7的对比。表 2-2 ARM7与Cortex-M3对比表特性ARM7TDMI-SCortex-M3架构ARMv4T（冯诺依曼）ARMv7-M（哈佛）ISA支持Thumb/ARMThumb/Thumb-2流水线3级3级+分支预测中断FIQ/IRQNMI+1到240个物理中断中断延迟24-42个时钟周期12个时钟周期休眠模式无内置存储器保护无8段存储器保护单元Dhrystone0.95DMIPS/MHz（ARM模式）1.25DMIPS/MHz功耗0.28mW/MHz0.19mW/MHz面积0.62mm2（仅内核）0.86mm2（内核+外设）STM32F103具有以下特点：1）是一款Cortex-M3处理器，最高工作频率为72MHz，1.25DMIPS/MHz，单机器周期乘法、除法指令；2）片内集成16128K Flash存储器；620K SRAM静态存储器；3）2.03.6V单电源供电，片内集成LDO；上电掉电电压设置及检测功能；内部8M晶振；4）支持睡眠、停机、待机模式，具有电池供电内部实时时钟；5）2x12bit，1s A/D转换器（可达16通道）；6）7通道DMA控制器，DMA支持定时器、ADC、SPI、I2C，USART等常用外设；7）高达80个高速I/O口（取决于封装），内部外设功能可以映射到不同的I/O引脚上，支持16个外部中断向量，绝大部分兼容5V输入；8）支持串行调试（SWD）和JTAG接口调试；9）7个定时/计数器，包含3个16位定时器，2个看门狗定时器，1个系统节拍定时器，定时器还可以配置为正交编码器接口；10）多达9种通信接口，包括2xI2C（SMBus/PMBus），3xUSART，2xSPI，CAN2.0A/B，全速USB2.0；11）硬件CRC计算单元，96bit芯片ID（可用作加密）；第三章 轿厢控制器的设计与实现轿厢控制器位于电梯轿厢内部，负责处理轿厢内乘客的呼梯请求。轿厢控制器要满足同时按下多个楼层按钮的请求，电梯主控制器登记并依次响应这些请求。3.1 功能需求3.1.1 接线端子定义表 3-1 轿厢控制器接线端子定义jiaox运行，顺向截梯，发送广播消息，模拟的开门、关门等机制。端子名称序号功能备注P1P161指令灯负端2按钮A接点3按钮B接点4指令灯正端CAN1DC24V+2DC24V-3CANH4CANLP171蜂鸣器输出点（输出点）及尿液报警继电器输出2蜂鸣器输出点（输出点）及尿液报警3到站钟输出点（输出点）继电器输出：4到站钟输出点（输出点）5照明控制输出点正继电器输出6照明控制输出点负7风扇控制输出正继电器输出8风扇控制输出负P181直驶输入2防捣乱输入（轻载输入）3甲门长延时按钮输入4乙门长延时按钮输入5第二门机开门到位6第二门机关门到位7满载输入8司机输入9COM(0V)3.1.2 功能说明表 3-2 轿厢控制器功能说明序号功能要求备注1指令按钮未按下时，按钮灯微亮，指令登记后，按钮灯全亮2超载时，应有蜂鸣器提示3指令按钮在按下时，蜂鸣器会发出响声；松开按钮，蜂鸣器响声停止（包括开关门按钮）4按钮嵌入自诊断。若某一按钮按下持续时间超过一定时间（例如20秒），系统则认为该按钮嵌入（ 不能复位）， 该按钮不向主控板发出登记指令，该按钮对应的指示灯不断闪烁报警。按钮复位后退出此状态3.2 总体硬件结构设计电源管理电路CAN通信MCU直驶输入选层按钮（灯）控制电路满载输入司机输入其它输入蜂鸣器输出到站钟输出照明输出风扇输出其它输出图 3-1 轿厢控制器设计方案轿厢板接收选层按钮按键信息，通过CAN总线将轿内选层信息发送到主控板，主控板响应轿内选层，返回按钮灯控制信号，决定相应选层按钮灯的亮、灭。轿厢板还负责接收直驶输入、满载输入、司机输入及其它开关信号输入，通过CAN总线发送到主控板。输出通过两种方式进行驱动，通过继电器的方式控制蜂鸣器、到站钟、照明及风扇输出，通过晶体管驱动方式控制其它输出，例如长延时按钮灯输出。3.3 电源电源的输入是24V，这里采用一片KA78R05的电源芯片得到5V直流。KA78R05是一款Low-dropout voltage电源芯片，支持最大35V电源输入，1A电流输出，并具有过压和过流保护，以及输出禁止功能。图 3-2 电源电路3.4 STM32核心电路图 3-3 轿厢控制器STM32核心电路由于STM32的复位引脚内部具有上拉电阻（见图 3-4），这里只需将NRST信号通过一个0.1u的电容接地，用于上电复位，并联一个按键用于手动复位。图 3-4 复位引脚内部结构示意图晶振部分采用8M无源晶振，与两个20p的电容组成振荡电路作为系统的输入时钟。STM32的内部锁相环根据输入时钟最终生成72M的系统主时钟。此外，STM32的BOOT0和BOOT1的不同组合可以表示不同的启动方式，如下图所示。图 3-5 STM32启动方式Main Flash memory：表示从用户的应用程序所存储的Flash地址开始启动。通常这在产品定型后，将软件烧写到STM32内部Flash中，然后采用的启动方式。System memory：先从芯片内部的固件启动。这个固件通过串口和ST提供的程序下载工具Flash loader demonstrator通信，在程序开发阶段通常使用这种方式。Embedded SRAM：从芯片内部的SRAM开始启动。这种方式一般是程序开发工具例如Keil，先将需要调试的程序下载到STM32内部的SRAM中，再使芯片复位，使其从SRAM启动。通常也用于程序开发阶段。与System memory相比，减少了对Flash的擦写次数。但实际上STM32内部的Flash擦写次数约为10万次左右，远远满足开发的需要，所以通常在开发阶段使用System memory的启动方式。3.5 输入输出信号电路图 3-6 输入输出电路电梯的输入信号一般是24V，所以在输入电路部分采用了10K和1.5K电阻进行分压，24*1.5/(10+1.5)=3.13V，符合STM32对输入电平的要求。电梯的信号输出一般是继电器输出。这里采用了ULN2003A的达林顿管驱动继电器的方法。一个ULN2003A具有7路输出，每路输出可提供500mA输出，完全满足继电器线圈的控制要求。此外，继电器的线圈并联反向瞬变二极管，用于释放反向放电电流，保护继电器及前级驱动芯片。3.6 按键控制电路图 3-7 按键控制电路每一块轿厢控制板可以控制16层楼，即需要控制16个楼层按钮。每一个按钮具有一个输出信号和一个LED输入控制信号，按钮通过上图中P.SCHDOC中的接线座与按键控制电路连接。由于同时控制的按键较多，如果并行控制16个按钮，则需要32跟数据线，较为复杂。这里采用了74HC573节约信号线。其中的两片74HC573与PC6、PC7片选信号组成按键输入电路，通过片选信号切换，可以获取16路按键输入状态。另外，采用两片74HC573与PC4、PC5片选信号以及相应的ULN2003A达林顿管组成按钮的LED指示灯控制电路。通过PC4、PC5片选信号的切换，可以输出16路指示灯控制信号。3.7 CAN驱动电路由于STM32内部集成CAN2.0A/B控制器，所以只需外接一个TJA1050的驱动芯片即可，如下图所示。图 3-8 CAN驱动电路值得注意的是，CANH和CANL之间的120欧电阻只在总线最远的两端焊接。第四章 外召控制器硬件设计外召控制器位于每一层楼的电梯入口处，接收每层楼的乘客呼梯请求。乘客可能选择向上或向下，并能通过外召控制器的LED点阵，观察电梯当前的运行方向和所在的楼层。电梯主控制器登记并依次响应外召控制器的请求。4.1 功能需求4.1.1 接线端子定义表 4-1 外召控制器接线端子定义端子名称序号功能备注UP（上行按钮及指示灯）1指令灯负端2按钮A节点3按钮B节点4指令灯正端DOWN（下行按钮及指示灯）1指令灯负端2按钮A节点3按钮B节点4指令灯正端LAMP（灯）1指示灯输出正超载、满载、检修指示2指示灯输出负3到站灯输出正端到站指示4到站灯输出负端CAN(串行通信)1DC24V+2DC24V-3CANH4CANL备注：内部所有DC24V+相连，所有DC24V-相连。UP/DOWN