[硕士论文精品]电梯呼梯控制器的设计和实现

摘要电梯控制技术在历经继电器控制阶段，微机控制阶段之后进入了现场总线控制阶段。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。本文设计的基于CAN总线技术的呼梯控制器，主要包括内招和外呼两个部分。设计以串行通信方式实现主控板与内招板、外呼板之间的呼梯、内选、显示等信号的沟通，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控制，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。本文首先阐述了CAN总线技术的特点、规范及其在电梯控制系统中的应用，介绍了AVR单片机的特点、控制技术及本系统选用的理由。自定义了一系列的CAN通信协议，选择SJL000控制器和总线收发器PCA82C250为主体组成通信控制模块。提出了外呼板的实现方法，使用PHILIPS公司的80C51系列单片机P89C58X2作为控制单元，给出包括电源单元、通讯单元、显示单元以及12C模块和复位电路的设计方法。实现基于SJAL000的CAN节点的软硬件的设计，选用较常用的5X7点阵对电梯主板传来的楼层和电梯状态等信息进行滚动显示，并给主板传送收集到的按钮信息。介绍了内招板的硬件开发目标、基本功能，给出其软硬件的详细设计方法。采用AT90CANL28为控制核心，通过输入输出模块、VIP模块、语音模块、CAN通信模块等的配合实现楼层信号、部分电梯的控制和状态信号的采集和输出、进行电梯承受重量的监测、控制电梯内风扇和照明的变化、进行主控板的数据的接收、实现楼层显示的及时更新和语音报站的准确进行等功能。基于AVR单片机平台的设计，实现了系统的实时及高效控制。最后，对课题研究进行总结，指出一些有待进一步提高和改进的地方。关键词电梯外呼板；电梯内招板；CAN总线ABSTRACTAFTERSUFFERINGRELAYCONTROLLEVELANDMICROCOMPUTERCONTROLLEVEL，THEELEVATORCONTROLTECHNOLOGYCOMESINTOFIELDBUSCONTROLLEVELCOMPAREDWITHTHEOTHERFIELDBUSES，CANBUSISTHECHEAPESTANDTHEMOSTEASYTOREALIZEITISABROADLYUSEDINTHRONGDOMAINTHISPAPERDISCUSSESADESIGNMETHODOFELEVATORCALLINGSYSTEM，BASINGONTHECANBUSTECHONOLOGYTHESYSTEMINCLUDESTHEHALLCALLBOARDANDINTERNALCALLBOARDTHEDESIGNREALIZESTHECOMMUNICATIONOFCALLING，INSIDECHOOSINGANDDISPLAYINGSINGNAL，AMONGTHEMASTERCONTROLBOARD，HALLCALLBOARDANDINTERNALCALLBOARD，INTHESERIALWAYITCAUSESTHENUMBEROFSYSTEMSCONTROLSIGNALLINETOREDUCEFROMHUNDREDSTOSEVERAL，ENORMOUSLYFACILITSTHEELEVATORSINSTALLMENTANDSERVICE，ADVANCESTHEELEVATORSOPERATINGEFFICIENCYANDTHEGRADEOFSERVICE，STRENGTHENSTHETIMELYCONTROLOFELEVATORMOVEMENT,ANDOFFERSTHECONVENIENCECONNECTIONTOFURTHERREALIZEELEVATORGROUPCONTROL，THELONGDISTANCEMONITORINGANDTHEBUILDINGAUTOMATIONITHASTHEBROADAPPLICATIONPROSPECTTHISARTICLEFIRSTLYELABORATEDTHECANBUSTECHNOLOGYSCHARACTERISTIC，NORMANDTHEAPPLICATIONREASONINTHELIFTCONTROLSYSTEMTHEN，ITINTRODUCESCHARACTERISTICSALL,CONTROLTECHNOLOGYANDREASONSFORSELECTIONINTHESYSTEMOFAVRSCMITCUSTOMSASERIESOFCANCOMMUNICATIONPROTOCOL，CHOOSESTHESJ1000CONTROLLERANDBUSTRANSCEIVERPCA82C250ASPRINCIPALPARTTOFORMTHECORRESPONDENCECONTROLMODULEINTHEPAPER,ITPROPOSESTHEIMPLEMENTMETHODOFHALLCALLBOARDUSINGP89C58X2OFPHILIPSCORPORATIONS80C51SERIESASTHECONTROLUNIT，ITADVANCESDESIGNMETHODOFPOWERSOURCEUNIT，COMMUNICATIONUNIT，DISPLAYUNITANDTHERCMODULEANDRESETCIRCUITTHEDESIGNREALIZESSOFTWAREANDHARDWARESDESIGNOFCANNODE，BASEDONTHESJAL000，SELECTSTHECOMMONLYUSED5X7LATTICETOACHIEVETRTMDLEDISPLAYOFFLOORANDSTATUSSIGNALSENTFROMTHEMOTHERBOARDANDREMITSTHECOLLECTEDBUTTONINFORMATIONTOMOTHERBOARDTHEPAPERALSOINTRODUCESTHEHARDWAREEXPLOITTARGET，FUNDAMENTALFUNCTIONS，ANDBRINGFORWARDDETAILEDDESIGNMETHODOFSOFTWAREANDHARDWAREOFINTERNALCALLBOARDUSINGAT90CAN128ASTHECONTROLCORE，THROUGHTHECOOPERATIONOFINOUTMODULE，VIPMODULE，SOUNDMODULE，CANCOMMUNICATIONMODULEANDSOON，REALIZESGATHERINGANDTHEOUTPUTOFFLOORSIGNAL，PARTIALELEVATORSCONTROLANDSTATUSSIGNAL，CARRIESONMONITORINGOFELEVATORSBEARINGWEIGHT，CONTROLSFANANDTHEILLUMINATIONCHANGEINTHEELEVATORTHE，PROCESSESTHEDATARECEIVEOFTHEMASTERCONTROLBOARD，ANDACHIEVESTHEPROMPTRENEWALOFFLOORDISPLAYANDNICELYPROGRESSOFTHESOUNDREPORTBASEDONTHEAVRSCMTHEDESIGNREALIZEDSTHESYSTEMREALTIMEANDTHEHIGHLYEFFECTIVECONTR01INTHEEND，THEDISSERTATIONGIVESTHESUMMARYOFTHERESEARCHANDTHEPOINTSWHICHNEEDFURTHERIMPROVEMENTKEYWORDHALLCALLBOARDOFELEVATOR；INTERNALCALLBOARDOFELEVATORCANBUS厦门大学学位论文原创性声明本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规范试行。另外，该学位论文为课题组的研究成果，获得课题组经费或实验室的资助，在实验室完成。请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。、日签月人彩吼律触啤汾厦门大学学位论文著作权使用声明本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位论文包括纸质版和电子版，允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。本学位论文属于1经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于年月日解密，解密后适用上述授权。2不保密，适用上述授权。请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权。枞。渗猢年月乙日第一章绪论11课题背景介绍第一章绪论电梯是机电一体的高层建筑的复杂运输设备。它涉及机械工程、电子技术、电力电子技术、电机与拖动理论，自动控制理论等多个科学领域。经过150年的发展，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉【3引。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变。而后出现的微机控制电梯技术具有许多优点，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和沟通的特性。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线直接与每一层楼的呼梯板进行直接连接。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致命洲盯】。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算电梯呼梯控制器的设计与实现机局域网。现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。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【I】。12国内外研究动态121现场总线的发展与现状1984年国际电工技术委员会国际标准协会IECISA就着手开始制定现场总线的标准，但至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场有着以下的特点1多种现场总线并存目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司SIEMENS的PROFIBUS，挪威的FINT，ECHELON公司的LONWORKS，PHENIXCONTACT公司的INTERBUS，ROBERBOSCH公司的CAN，ROSEMOUNR公司的HART，CARLOGARAZZI公司的DUPLINE，丹麦PROCESSDATA公司的PNET，PETERHANS公司的FMUX，以及ASIACTRATURSENSORINTERFACE，MODBUS，SDS，ARCNET，国际标准组织一基金会现场总线FFFIELDBUSFOUNDATION，WORLDFIP，BITBUS，美国的DEVICENET与CONTROLNET等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80左右的市场【11。2各种总线都有其应用的领域2第一章绪论每种总线大都有其应用的领域，比如FF、PROFIBUSPA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LONWRKS、PROFIBUSFMS、DEVIECENET适用于楼字、交通运输、农业等领域；DEVICENET、PROFIBUSDP适用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。3每种现场总线都有其国际组织和支持背景大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织，力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额。比如PROFIBUS以SIEMENS公司为主要支持，并成立了PROFIBUS国际用户组织WORLDFIP以ALSTOM公司为主要后台，成立了WORLDFIP国际用户组织。4多种总线成为国家和地区标准为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如PROFIBUS已成为德国标准，WORLDFIP已成为法国标准等。5设备制造商参与多个总线组织为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。6各个总线彼此协调共存由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不仅是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。122CAN总线的发展趋势CAN，全称为“CONTROLLERAREANETWORK”，是国际上应用最广泛的现场总线之一，由20世纪80年代初德国BOSCH公司开发。CAN总线能有效支持分布式控电梯呼梯控制器的设计与实现制或实时控制的串行通信网络，具有抗干扰性强和使用可靠等优点，提供高速数据传送，在短距离40M条件下具有高速IMBITS数据传输能力。CAN总线在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。大型仪器设备系统复杂，对多种信息进行采集、处理、控制、输出等操作。如医疗器械CT断层扫描仪，为保证其可靠工作，在数据通信上要求功能块间可随意进行数据交换、通信能以广播方式进行、简单经济的硬件接口、通信线尽量少、抗干扰能力强、可靠性高并能自动进行故障识别和自动恢复。但是，这些要求长时间未能得到很好的解决，直至CAN总线技术出现才提供了一个较好的解决方法。测控系统中离不开传感器，由于各类传感器的工作原理不同，其最终输出的电量形式也各不相同，为了便于系统连接，通常要考虑将传感器的输出变换成标准电压或电流信号。即便是这样，在与计算机相连时，必须增加AD环节。如果传感器能以数字形式输出，就可以方便地与计算机直接相连，从而简化系统结构，提高精度。这种传感器与计算机相连的总线可称为传感器总线。实际上传感器总线仍属于现场总线，关键的问题在于如何将总线接口与传感器一体化。在广泛的工业控制领域，CAN总线可作为现场设备级的现场总线，与其它总线相比，具有很高的可靠性和性价比。这必将是CAN技术开发应用的一个主要方向。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ奔驰、BMW宝马、PORSCHE保时捷、ROLLSROYCE劳斯莱斯和JAGUAR美洲豹等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。在以往的国内测控领域，由于没有更好的选择，大多采用BITBUS或RS一485作为通信总线。其不足主要有一主多从，无冗余；数据通信为命令响应，传输率低；错误处理能力弱。采用CAN总线技术后即可解决上述问题。CAN网络上任何一个节点均可作为主节点主动地与其它节点交换数据；CAN网络节点的信息帧可以4第一章绪论分出优先级，这对于有实时性要求的控制提供了方便；CAN的物理层及数据链路层有独特的设计技术，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高。CAN的上述特点使其成为诸多工业测控领域中首选的现场总线之一IJJ。根据国内外资料报道，CAN技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建设中。如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点可以随机访问，通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量都很少。适当的网关如CAN与TCPIP协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场CAN信息转变为INTERNET的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为CAN的形式，此即实现了所谓的远程控制。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。作为工业控制的底层网络，CAN总线通波特率可高达1MBPS，最远距离可达LOKM；通讯采用短帧结构，使得数据传输的时间短，受干扰的几率低，并且CAN总线协议有良好的检错措施，因此CAN总线通讯的可靠性较高。由于CAN总线的安全性，实时性，简单易操作性和价格低廉，使其十分适合在电梯通讯中应用。13研究课题的内容与意义本文提出了基于CAN总线的电梯呼梯控制器的设计和实现方法。采用CAN总线后，通过串行通信方式，构成控制器局域网。它可以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，并增强了电梯运行的实时性控制，系统的灵活性与可靠性得到了提高。而且对于不同楼层数的控制系统只需在CAN总线中加入相应数目的呼梯控制器即可，主控制器硬件软件不需做任何改动，使得电梯控制系统安装更加灵活和方便，为进一步实现多台电梯群控、远程监控、楼字自动化提供便利接口，具有广阔的应用前景。14本文结构第一章介绍了课题的背景，现场总线发展的一些现状，以及研究开发CAN总线的意义。第二章介绍了CAN总线技术的特点，CAN协议的概念和特征，CAN总线5电梯呼梯控制器的设计与实现的电气特性与分层结构，以及CAN总线报文发送及其帧结构。第三章介绍了外呼板的硬件设计与实现。第四章介绍了内招板的硬件设计与实现。第五章介绍外呼板和内招板的软件设计与实现。第六章介绍本系统的软硬件部分的测试方法、测试效果。第七章结语。6第二章CAN总线技术第二章CAN总线技术21控制器局域网总线CAN概述CANCONTR01LERAREANETWORK属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。其典型的应用协议有SAEJ1939IS01L783、CANOPEN、CANAEROSPACE、DEVICENET、瑚EA2000等。较之目前许多RS485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性首先，CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权取决于报文标识符采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差；其次，CAN总线通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS一485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锬状态。而且，CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的RS485所无法比拟的。另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线【2】。22CAN总线技术特点7电梯呼梯控制器的没计与实现CAN是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，具有物理层，数据链路层和应用层三层协议。通信速率可达1MBPS。CAN总线专用接口芯片中以固件形式集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等多项工作。CAN总线各节点之间依据优先权进行总线访问，以广播的形式进行通信。CAN具有以下特性CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息，利用此特点可方便地构成多机备份系统。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。CAN总线插卡可以任意插在PCATXT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。CAN网络上的节点信息可分为不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134S内得到传输。CAN采用无破坏性的基于优先权的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传输数据，无需专门“调度”。CAN的直接通信距离最远可达IOKM速率5KBPS以下，通信速率最多可达1MBPS通信距离最长为40MCAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，可达LL阶；报文标示符可达2032种CHN2OH，而扩展标准CAN2OG的报文标示符几乎不受限制。CAN采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，具有极好的检错结果。CAN的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。CAN的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。11CAN节点在错误严重的情况时，具有自动关闭功能，以切断该节点与8第二章CAN总线技术总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，抗干扰能力强，可靠性高。CAN总线产品由于结构简单、应用灵活方便、可靠性强、价格低廉等优点，越来越受到工业界青睐21。据1992年成立的国际CAN用户和制造商非营利组织CIACANINAUTOMATION统计，在1998年销售了9700万个节点。其中80安装于欧洲其中又有80安装于德国。CAN节点的80应用于车辆，其余应用于嵌入式网络和工业控制系统，如工厂控制系统、机器人控制系统、监测系统、机床控制系统等。在欧洲高能物理项目CERN中也采用了CAN总线3J【4】【161。23CAN总线技术规范由于CAN总线在不同领域内的应用和推广，故要求对其通信格式标准化。为此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制定并发布了CAN技术规范VERSION20。该技术规范包括A和B两部分，2OA给出了CAN报文标准格式，20B给出了标准的和扩展的两种格式。1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具一数据信息交换一高速通信控制器局域网CAN国际标准ISOI1898。231CAN协议的一些概念和特征的说明依据国际标准化组织开放系统互连INTERNATIONALSTANDARDIZATIONORGANIZATIONOPENSYSTEMINTERCONNECTION，ISOOSI参考模型，CAN的ISOOSI参考模型的层结构如图76所示。下面对CAN协议的媒体访问控制子层的一些概念和特征做如下说明1报文MESSAGE总线上的报文以不同报文格式发送，但长度受到限制。当总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。2信息路由INFORMATIONROUTING在CAN中，节点不使用任何关于系统配置的报文，比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息。因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节点的软件和硬件作改变，可以直接在CAN中增加节点。3标识符IDENTIFIER要传送的报文有特征标识符是数据帧和远程帧的一个域，它给出的不是目标节点地址，而是这个报文本身的特征。信息以广播方式在网络上发送，所有节点都可以接收到。节点通过标识符判定是否接收这帧信息。9电梯呼梯控制器的设计与实现4数据一致性应确保报文在CAN里同时被所有节点接收或同时不接收，这是配合错误处理和再同步功能实现的。5位传输速率不同的CAN系统速度不同，但在一个给定的系统里，位传输速率是唯一的，并且是固定的。6优先权由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。标识符越小，优先权越高。7远程数据请求REMOTEDATAREQUEST通过发送远程帧，需要数据的节点请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相同的标识符命名。8仲裁ARBITRATION只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。如果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问碰撞。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个碰撞。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，数据帧优先于远程帧。在仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送，如果发送的是“隐性”电平而监视到的是“显性“电平，那么这个单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。9总线状态总线有“显性”和“隐性“两个状态，“显性“对应逻辑“O“，“隐性“对应逻辑“1”。“显性状态和“隐性“状态与为“显性”状态，所以两个节点同时分别发送“O”和“1“时，总线上呈现“0“。CAN总线采用二进制不归零NRZ编码方式，所以总线上不是“0“，就是“1。但是CAN协议并没有具体定义这两种状态的具体实现方式，如图77所示。10故障界定CONFINEMENTCAN节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久性故障。故障节点会被关闭。11应答接收节点对正确接收的报文给出应答，对不一致报文进行标记。232CAN总线的电气特性CAN总线的通信线路由两根导线组成，分别为CANH和CANL，这两根导线也就是CAN网络中的总线。网络中所有的节点都挂接在该总线上，并且都通过这两根导线交换数据。总线上某一时刻显现的数值由两根导线上电压VCANH和VCANL的差值表示。10第二章CAN总线技术该差分电压VDIF可表示“显性“和“隐性”两种互补的逻辑数值。如图34所示半均电压电平时间T图21CAN总线位数值表示在“隐性状态下，差分电压VDIF近似为O。“显性”状态VDIF贝JJ大于一个最小阀值。在CAN总线标准通信协议中规定“显性表示逻辑“0”，而“隐性”则表示逻辑“1。当在总线上存在“显性“位和“隐性位同时发送时，节点发送驱动电路的设计使得总线数值表现为“显性“。在总线空闲位期间，总线表现“隐性”状态即逻辑1。“显性”状态改写“隐性”状态启动发送并进行各节点之间的同步。CAN总线上的数据按位串行传输，其传输速率可高达1MBPS，在速率为5KBPS时传输距离可为达1OKM，在速率为1MBPS时的传输距离为40M。当然，挂接在同一条总线上的所有节点都必须采用相同的传输速率PL。233CAN总线的分层结构CAN按照开放系统互连0SI基本参考模式IS07498实现了一种简化的OSI模型，它只具有OSI七个层次中的两层数据链路层和物理层。这两层一般固化在专用的CAN总线接口芯片和微处理器中。CAN总线系统的开发者在软件上主要进行应用层的工作。数据链路层和物理层的具体结构如图所示电梯呼梯控制器的设计与实现图22CAN总线的分层结构CAN总线的物理层是将ECU连接至总线的驱动电路。ECU的总数将受限于总线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码解码、位定时和同步的实施标准。BOSCHCAN基本上没有对物理层进行定义，但基于CAN的ISO标准对物理层进行了定义。设计一个CAN系统时，物理层具有很大的选择余地，但必须保证CAN协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求，即出现总线竞争时，具有较高优先权的报文获取总线竞争的原则，所以要求物理层必须支持CAN总线中隐性位和显性位的状态特征。在没有发送显性位时，总线处于隐性状态，空闲时，总线处于隐性状态当有一个或多个节点发送显性位，显性位覆盖隐性位，使总线处于显性状态。在此基础上，物理层主要取决于传输速度的要求。从物理结构上看，CAN节点的构成如图78所示。在CAN中，物理层从结构上可分为三层分别是物理层信令PHYSICALLAYERSIGNALING，PLS、物理介质附件PHYSICALMEDIAATTACHMENT，PMA层和介质从属接口MEDIADEPENDENTINTERFACE，MDI层。其中PLS连同12LII；IL；“第二章CAN总线技术数据链路层功能由CAN控制器完成，PMA层功能由CAN收发器完成，MDI层定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持CAN的微处理器内部集成了CAN控制器和收发器电路，如MC68HC908GZL6。PMA和MDI两层有很多不同的国际或国家或行业标准，也可自行定义，比较流行的是IS011898定义的高速CAN发送接收器标准。理论上，CAN总线上的节点数几乎不受限制，可达到2000个，实际上受电气特性的限制，最多只能接100多个节点。CAN的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制LOGICALLINKCONTROL，LLC完成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制MEDIUMAEEESSCONTROL，MAC子层完成数据打包解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。234CAN总线报文发送及其帧结构在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器，该单元在总线空闲或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，且总线不处于空闲状态，则该单元为接收器。对于报文发送器和接收器，报文的实际有效时刻是不同的。对于发送器而言，如果直到帧结束一直未出错，则对于发送器报文有效。如果报文受损，将允许按照优先权顺序自动重发送。为了能同其它报文进行总线访问竞争，总线一旦空闲，重发送立即开始。对于接收器而言，如果直到帧结束一直未出错，则对于接收器报文有效。在CAN2OB的版本协议中有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同，含有LL位标识符的帧称之为标准帧，而含有29位标识符的帧称为扩展帧。如CANL2版本协议所描述，两个版本的标准数据帧格式和远程帧格式分别是等效的，而扩展格式是CAN2OB协议新增加的特性。为使控制器设计相对简单，并不要求执行完全的扩展格式，对于新型控制器而言，必须不加任何限制的支持标准格式。但无论是哪种帧格式，在报文传输时都有以下四种不同类型的帧1数据帧数据帧携带数据由发送器至接收器，其格式如图所示。数据帧由七种不同的位域BITFIELD组成帧起始STARTOF、仲裁域ARBITRATIONFIELD、控制域CONTROLFIELD、数据域DATAFIELD、CRC域CRCFIELD、电梯呼梯控制器的设计与实现应答域ACKFIELD和帧结尾ENDOF。数据域的长度可以为0“8个字节。帧间窄间I仲裁域控制域数据域CRC校验码域帧图23数据帧的组成问空间或负荷帧1帧起始SOF帧起始SOF标志着数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性”位组成。在CAN的同步规则中，当总线空闲时处于隐性状态，才允许站点开始发送信号。所有的站点必须同步于首先开始发送报文的站点的帧起始前沿该方式称为“硬同步”。2仲裁域仲裁域如图710所示，仲裁域由标识符和RTR位组成，标准帧格式与扩展帧格式的仲裁域格式不同。标准格式里，仲裁域由LL位标识符和RTR位组成。标识符位有ID28一IDL8。扩展帧格式里，仲裁域包括29位标识符、SRR位、IDEIDENTIFIEREXTENSION，标志符扩展位、RTR位。其标识符有ID28“IDO。为了区别标准帧格式和扩展帧格式，CANLO12版本协议的保留位订现表示为IDE位。IDE位为显性，表示数据帧为标准格式；IDE位为隐性，表示数据帧为扩展帧格式。在扩展帧中，替代远程请求SUBSTITUTEREMOTEREQUEST，SRR位为隐性。仲裁域传输顺序为从最高位到最低位，其中最高7位不能全为零。RTR的全称为“远程发送请求REMOTETRANSMISSIONREQUEST。RTR位在数据帧里必须为“显性，而在远程帧里必须为“隐性“。它是区别数据帧和远程帧的标志。标1RSOFLL位标识符RTRIDER0DLC图24标准帧格式14第二章CAN总线技术图25扩展帧格式3控制域控制域由6位组成，包括2个保留位RO、RL同于CAN协议扩展及4位数据长度码，允许的数据长度值为O8字节。4数据域发送缓冲区中的数据按照长度代码指示长度发送。对于接收的数据，同样如此。它可为0“8字节，每个字节包含8位，首先发送的是MSB最高位。5CRC校验码域它由CRC域15位及CRC边界符一个隐性位组成。CRC计算中，被除的多项式包括帧的起始域、仲裁域、控制域、数据域及15位为0的解除填充的位流给定。此多项式被下列多项式X15X14X10X8X7X4X31除系数按模2计算，相除的余数即为发至总线的CRC序列。发送时，CRC序列的最高有效位被首先发送接收。之所以选用这种帧校验方式，是由于这种CRC校验码对于少于127位的帧是最佳的。6应答域应答域由发送方发出的两个应答间隙及应答界定隐性位组成，所有接收到正确的CRC序列的节点将在发送节点的应答间隙上将发送的这一隐性位改写为显性位。因此，发送节点将一直监视总线信号已确认网络中至少一个节点正确地接收到所发信息。应答界定符是应答域中第二个隐性位，由此可见，应答间隙两边有两个隐性位CRC域和应答界定位，如图26所示CRC校验码域7、帧结J应答问歇应答界定符图26应答域7帧结束域每一个数据帧或远程帧均由串七个隐性位的帧结束域结电梯呼梯控制器的设计与实现尾。这样，接收节点可以正确检测到一个帧的传输结束。2错误帧错误帧由两个不同的域组成第一个域是来自控制器的错误标志；第二个域为错误分界符。其结构如图27所示。数据帧，1错送勉萎雯薹雾帧错误标志图27错误帧。错误标志有两种形式的错误标志。1激活ACTIVE错误标志。它由6个连续显性位组成。2认可PASSIVE错误标志。它由6个连续隐性位组成。它可由其他CAN控制器的显性位改写。错误界定错误界定符由8个隐性位组成。传送了错误标志以后，每一站就发送一个隐性位，并一直监视总线直到检测出1个隐性位为止，然后就开始发送其余7个隐性位。3远程帧远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6个不同的位域组成帧起始、仲裁域、控制域、CRC域、应答域、帧结尾。与数据帧相比，远程帧的RTR位为隐性，没有数据域，数据长度编码域可以是0“8个字节的任何值，这个值是远程帧请求发送的数据帧的数据域长度。当具有相同仲裁域的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的RTR位为显性，所以数据帧获得优先。发送远程帧的节点可以直接接收数据。远程帧结构如图28所示。帧问图28远程帧16第二章CAN总线技术4过载帧过载帧由两个区域组成过载标识域及过载界定符域。下述三种状态将导致过载帧发送1接收方在接收一帧之前需要过多的时间处理当前的数据接收尚未准备好；2在帧空隙域检测到显性位信号；3如果CAN节点在错误界定符或过载界定符的第8位采样到一个显性位节点会发送一个过载帧。过载帧的具体结构如图29所示。篓萎主霎嚣立童直趔L十萎雯主雾帧符或过负荷界定符卜丛盥盟丛1F。卜_或过负荷帧过负荷标识。1RJA”一L6、7卜啪，L，P24本章小结图29过载帧本章介绍了CAN总线技术的特点，对CAN协议的一些概念和特征进行说明。而后概述了CAN总线的电气特性与分层结构。最后详细说明CAN总线报文发送及其帧结构。电梯呼梯控制器的设计与实现第三章外呼板的设计与实现外呼板即电梯厅外显示板，其功能主要有两个一是显示电梯主板传来的楼层和电梯状态等信息，另外一个就是给主板传送收集到的按钮信息。楼层和电梯状态等信息一般通过LCD、LED、数码管或点阵等来显示。本系统选用较常用的57点阵滚动显示，通讯方式采用CAN总线，主要功能如表31所示。表31功能需求表序号功能功能要求备注输入1本层上带卡键功能当按钮长按120S时自动屏蔽该按钮2本层下带卡键功能当按钮长按，120S时自动屏蔽该按钮3消防返只有设置在基站的外召板有效4锁只有设置在基站的外召板有效5备用输多功能输出1上行召唤，2下行召唤，3消防返基6备用输多功能输出1上行召唤，2下行召唤，3消防返基输出1上行召与输入口同步，下行召与输入口同步备用输与输入口同步备用输与输入口同步按键蜂当有按下以上输入的按钮时发出提示音辅助1电梯满载时此灯闪烁满载灯或司机辅助2电梯超载时此灯闪烁超载灯或消防或满消防运电梯处于消防状态时此灯闪烁楼层显根据轿厢的位置显示，并要兼容液晶屏显示运行方根据轿厢的运行方向显示，并要兼容液晶屏显示故障输根据所发生的故障提示18第三章外呼板的设计与实现31外呼板的硬件设计总体架构为了满足系统功能需求，外呼板的设计主要分为电源模块、通讯模块、显示模块。具体的硬件结构如图31所示32电源模块图31外呼板总体结构图采用DCDC变换器芯片MC34063A将24VDC电源转换成5V电源。MC34063是一单片双极型线形集成电路，专用于直流直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出15A的开关电流。它能使用最少的外界元件构成开关式升压变换器、降压变换器和电源反向器【23】。特点争能在3O40V的输入电压下工作夸短路电流限制夸低静态电流夸输出开关电流可达15A无外接三极管专输出电压可调节夸工作振荡频率从IOOHZ到IOOKHZ19电梯呼梯控制器的设计与实现MC34063A引脚图和电路原理图LELCL卧LL70UF，16VC17EL图32MC34063A弓脚图U12SWCDRCSWEIPKTCVCCGNDCIIMC34T637随J24VC16100UF50V图33电源电路比较器的反相输入端脚5通过外接分压电阻R45、R46监视输出电压。其中，输出电压UO1251R46R45由公式可知输出电压仅与R45、R46数值有关，因125V为基准电压，恒定不变。若R45、R46阻值稳定，亦稳定。脚5电压与内部基准电压125V同时送入内部比较器进行电压比较。当脚5的电压值低于内部基准电压125V时，比较器输出为跳变电压，开启R_S触发器的S脚控制门，L卜S触发器在内部振荡器的驱动下，Q端为“1”状态高电平，驱动管瓦导通，开关管巧亦导通，使输入电压U，向输出滤波器电容G充电以提高UO，达到自动控制稳定的作用。反之，当脚5的电压值高于内部基准电压125V时，L卜S触发20。第三章外呼板的设计与实现器的S脚控制门被封锁，Q端为“0”状态低电平，正截止，互亦截止。振荡器的，腑输入脚7用于监视开关管QJ的峰值电流，以控制振荡器的脉冲输出到RS触发器的R端。脚3外接振荡器所需要的定时电容CR电容值的大小决定振荡器频率的高低，亦决定开关管五的通断时间。脚6为V端，脚8为驱动管瓦的集电极开路引出脚，脚1为开关管五的集电极开路引出脚。脚2为开关管五的发射极开路引出脚，脚4为信号地具体的设计步骤如下VOUT5VVIN24V；IMAX15A；VREF125V。电阻R45，R46的选择电阻R46选择L盥，那么R46心等1L脚呙13盥25V、阮7R7、1733通讯模块331SJAL000简介SJAL000是一种独立的CAN控制器，主要用与移动目标与一般工业环境的区域网络控制。它是PHILIPS半导体公司PCA82C200CAN控制器BASICCAN的替代品，而且它增加了一种新的操作模式PELICAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN2OB协议31。S3A1000的基本特性如下引脚与PCA82C200独立CAN控制器兼容。电器参数与PCA82C200独立控制器兼容。具有PCA82C200模式即默认的BASICCAN模式。有扩展的接收缓冲器64字节，先进先出FIFO。支持CAN20A和CAN2OB协议。支持1L位和29位标示码。通信位速率可达1MBPS。电梯呼梯控制器的设计与实现PELICAN模式的扩展功能有可读写访问的错误计数寄存器；可编程的错误报