电梯远程监控系统方案

1、电梯远程监控系统(Remote Elevator Monitoring System， REMS) ， 是指某个区域 (一幢大楼，一群大楼，一个小区，一个城市等)中安装多部电梯后，对这些电梯进行集中远程监控，并对这些电梯的数据资料进行管理、维护、统计、分析、故障诊断及救援。其目的是对在用电梯进行远程维护，远程故障诊断及处理， 故障的早期诊断与早期排除，以及对电梯的运行性能及故障情况进行统计与分析，以利于不同部门利用该系统进行有效的监控与管理。 目前电梯远程监控系统主要存在的问题是因为不同厂家的不同标准而产生的监控系统开放性相对较低，因而对系统的标准化提出了更高要求。针对这些现状，本文以开发适用

2、于不同厂家不同型号电梯的远程监控系统为目的，融合多种技术，提出由终端控制器、 传输网络和监控平台组成的电梯远程监控系统的设计方案。文中对终端控制器的开发与设计进行了详细论述，硬件上以ARM 微控制器 LPC2378 为核心，外扩RS232 、RS485 、Modem 、USB 以及双以太网接口，以实现对不同电梯接口的数据采集；软件上设计了功能接口程序、多协议接口转换程序，制定了统一的网络协议，实现了电梯监控数据的标准化。同时具体介绍了监控平台上动态数据交换、电梯运行状态实时监控、 Web发布等功能的设计与开发。并最终给出了系统的调试结果。本文构建的多电梯远程监控系统对组建区域性多电梯监控系统、

3、推进电梯监控系统标准化有重要的实际意义。关键词：电梯远程监控嵌入式系统协议转换监控软件组态软件1绪论11背景介绍近年来， 随着计算机技术和通讯技术的发展以及互联网应用的普及，通过专用网络进行数据传输在各个领域的应用已日益广泛，电梯的远程监控技术便是其中一例【l】。电梯远程监控系统 (Remote Elevator Monitoring System，REMS) ，是指某个区域(一幢大楼，一群大楼，一个小区，一个城市等)中安装多部电梯后，对这些电梯进行集中远程监控，并对这些电梯的数据资料进行管理、维护、统计、分析、故障诊断及救援。其目的是对在用电梯进行远程维护，远程故障诊断及处理， 故障的早期诊

4、断与早期排除，以及对电梯的运行性能及故障情况进行统计与分析，并在分析的基础之上选择合理的运行方案 121 。总之安全可靠、运行稳定、界面友好、管理便捷已日益成为如今电梯监控系统发展的主流方向。12国内外研究现状【3】目前，我国的电梯业发展迅速，据统计近几年来全行业共生产各类电梯数十万台，且每年都在递增，2008 年年产量达到 24 31 万台。同时出现了一批专业化配套件生产企业。目前国内对电梯的维护与管理主要采用的是定期上门保养，发生故障时电话召修的传统方式，但这种方式越来越不适应时代的发展要求，原因有：(1)电梯的数量增多，维修人员少，不能及时赶到故障电梯的现场。(2)电梯内缺乏有效的通信工

5、具，维修部门既不了解故障现状又不能提供必要的安抚，使被困人员承受着巨大的身心压力。(3)不能及时地提供对电梯日常运行的记录和监测资料，增加了分析与排除故障的难度，大大延长了维修的时间。电梯的远程监控技术正是基于以上原因而出现的，电梯远程监控技术是随着计算机控制技术和网络通信技术的发展而产生的电梯控制领域的前沿技术。121国内外现状及存在问题目前国外的大型电梯企业都有了成熟的电梯远程监控系统，例如蒂森公司的远程监控系统具有控制电梯的功能，能检测和识别滥用或者误操作紧急呼救功能，能较好的掌握电梯的运行情况， 并进行分析与处理， 转化为图表来显示各行驶方向和每层楼的呼叫次数，呼叫与事件处理曲线等；自

6、动故障报警，该系统可以同时监控电梯，自动扶梯以及楼内其它设备：但是该系统仅适用于蒂森公司的电梯和扶梯。奥的斯公司的远程监控中心(RME) 是奥的斯公司自行开发的电梯监控系统，具有分级报警的功能(乘客被困报警，自动故障报警和电梯运行表现报警)。RME 系统自动发出电梯服务中断的讯号，显示地点，性质，问题以及乘客的状况资料，当电梯运行表现不符合预定的界限时，系统发出偏差信号。 KNOE 公司的 EMC 监控指令系统通过MODME 和标准电话线实现电梯和自动扶梯的远程实时监控，具有较好的运行数据库管理分析功能，可以将指定时间段内的数据转化为直观形象的图表；具有独特的运行记录回放功能，有助于故障查询诊

7、断【4卅。以上这些电梯远程监控系统相对来说都具有一些代表性，是国外的电梯远程监控比较常见的方式，这些系统普遍的特点就是专用性很强，开放性、通用性与其功能发展程度不相匹配， 无法支持其他公司的电梯系统。这种现状也大大增加了监控系统区域运营的成本。在国内，已经有了关于电梯远程监控的研究。但起步较晚，具有自主版权的成熟的产品也比较少。 由于电梯远程监控系统是涉及到电梯控制、计算机控制、现场总线、网络通讯、多媒体技术、数据库技术以及WINDOWS 平台下面向对象的高级语言编程等多个专业的较大的系统工程，技术难度较大，同时还需考虑到与各个厂家的电梯控制系统 (包括微机控制系统、PLC控制系统以及早期的继

8、电器控制系统)的接口问题等诸多因素，因此，现在国内的电梯监控系统的同类产品中，在开放性、统一性和实时性等方面同样存在着很大的不足【丌。总结下来，主要由以下问题：(1)开放性相对较低，没有统一的标准化协议。(2)功能简单， 如只能进行简单的电梯运行状态监控、同时监控的电梯数量少、不能进行电梯故障的早期预警。(3)界面简单、 单一，监控信号量少； 只能对电梯状态进行监控，而不能采集电梯轿厢中的图像与声音。(4)适用电梯种类少，或者是不能兼容不同类型的电梯。(5)多采用 RS232 或RS485 总线传输，或采用两级结构的Modem 传输，系统的实时性与可靠性相对较低。122目前电梯监控系统的分类隅

9、J电梯的监控系统需实时反馈电梯的操作、运行及故障信息，要求安全可靠、运行稳定、界面友好、管理便捷，其实时采集的电梯信号包括：(1)电梯操作状态信息，如检修、正常、司机、消防等；(2)电梯运行状态信息，如楼层显示、上下行、开关门等；(3)井道信息，如平层、端站、限位等；(4)各种故障信息。目前电梯的监控系统大约分三类：(1)大部分品牌电梯都有自己开发的监控系统，这些系统都包括不同的通信方式，不同的硬件接口， 能较好的实现多台电梯的运行监视和一些基本的远程控制。但是此类产品由于销量有限，一般价格很贵，能消费的客户很少。(2)用PLC 构成的网络通信监控。PLC可以很方便的构成系统，开发此类系统完全

10、省去了硬件开发的成本， 只要软件开发成熟即可开工安装，而且系统一般采用标准的通信接口，很容易与建筑的其它智能设备一起构成网络，但是电梯控制要附加PLC并且连带相应的通信单元，成本较高。目前随着PLC的价格不断下降，也不失一个好方法。(3)用单片机构成一个独立的采样通信单元，形成一个二级监控系统，此类监控在初期的开发成本包括软硬件，开发成本较高，但形成系统后，再销售的成本就很低了。但是由于市场不大，难以形成规模，还有此类系统由于不采用标准配件，今后维护的难度，成本较高。123多电梯远程监控系统的发展趋势19l 多电梯远程监控在电梯远程监控的基础上，融合了的最优控制，是一种基于时间最优、能量最优的

11、动态综合最优化策略。因此，多电梯远程监控系统的发展趋势为：(1)远程监控系统协议开放化采用统一开放的协议标准，可以在同一系统中采用多种品牌的电梯，并对其进行监控，无须二次开发转换协议。(2)远程监控系统节能化从静态的电梯交通配置到动态的多电梯群控系统，电梯的能耗指标往往被忽视。统计数据表明，电梯的能耗约占大楼综合能耗的37， 与电梯群控系统的性能直接相关。因此，节能目标将是多电梯远程监控系统必须考虑的关键目标。(3)远程监控系统网络化电梯群控系统将与网络技术相结合，用网络把各地的电梯监管起来进行远程监控。(4)监控系统产品市场化未来电梯监控系统的研究将侧重于商品系统的开发，即面对需求面向市场。

12、13课题的意义和内容本课题主要设计开发适用于不同厂家不同型号电梯的远程监控系统：通过对一些关键技术，如 ARM 及多路数字信号采集处理技术、多端口协议转换技术、系统抗干扰设计技术、动态数据交换技术以及网络组建技术等的研究，构建出多电梯远程监控系统；该系统包括可采集电梯运行信息并进行协议转换的终端控制器，可传输数据的网络系统，可进行动态数据转换、远程登录、功能完善、运行稳定的监控软件。电梯终端控制器所要实现的基本功能如下：(1)实时采集电梯的运行状态信息(方向、层站、呼梯、安全回路、操作方式、门系统、井道信号等 )；(2)实时采集电梯的各种故障信息(变频器故障、门故障、安全回路故障、井道故障等)

13、；(3)实时采集的电梯信息在微处理器内部进行处理，以一定格式存放在指定区域，并进行协议转换便于发送：(4)电梯信息采集前端机应当具有多种接口方式。电梯监控软件的基本功能如下：(1)动态数据交换，处理终端控制器通过通信网络发送的电梯信息数据；(2)实时显示电梯状态及运行参数，包括电压、电流、电机转速等；(3)实时报警、事件记录及历史趋势曲线功能：(4)基于CS架构的 Web 发布功能，用户可以远程登录监控电梯状态。14本论文的工作本论文主要完成以下工作：对嵌入式系统接入以太网方案的进行比较，结合本监控系统的特点采用用硬件协议栈芯片实现 TCPIP协议的方案，提高嵌入式系统接入以太网的开发效率。为

14、了提高网络系统数据传输的可靠性， 本系统采用备份环形局域网连接结构，增强了系统的抗干扰能力。完成多电梯远程监控系统终端控制器硬件设计的整个过程。完成多电梯远程监控系统终端控制器的软件设计工作，包括各个功能接口的驱动设计、应用层不同接口协议统一转换为TCPIP协议的实现。完成多电梯远程监控系统终端控制器的监控软件开发工作，包括数据处理、功能模块开发、 web 发布功能调试。15论文章节安排本文的主要章节安排如下：第一章：绪论。主要介绍了课题提出的背景、研究意义以及国内外的研究现状，最后给出本论文的主要工作。第二章：多电梯远程监控系统总体设计。介绍了监控系统的整体结构，并提出监控系统设计的总体方案

15、，包括硬件总体方案和软件总体方案。第三章：多电梯远程控制系统终端控制器硬件设计。根据硬件总体设计方案，详细介绍了硬件的实现，包括微控制器单元设计、功能接口设计和以太网接口设计三部分。第四章： 多电梯远程控制系统终端控制器软件设计。根据软件总体设计方案终端控制器设计部分，详细介绍了终端控制器软件的实现，包括各个功能接口驱动，以及协议转换和主函数的开发与实现。第五章：多电梯远程监控系统监控软件的设计与实现。根据软件总体设计方案监控软件设计部分， 本章详细介绍了监控软件的实现，包括数据处理和动态数据交换的实现、监控界面及功能模块设计。第六章：系统运行与总结。描述了以太网接口的调试，协议转换测试、监控

16、界面的功能测试及 web 发布测试。同时总结全文，指出系统可改进扩展之处。2多电梯远程监控系统总体设计及其相关技术21整体结构及功能多电梯远程监控系统作为对电梯进行监控的一种手段，在电梯的日常运行中的所起作用日益明显， 它是电梯能够安全高效的运行的前提和基础，是电梯企业对产品原有控制系统的延伸和发展， 是针对原有监控系统所存在的缺陷以及电梯行业所面临的问题和提出的要求【 lJ 。电梯监控系统融合多种技术，它的应用，使得电梯生产企业、质检部门、监控用户等能够通过该系统对在分布各地的电梯产品进行适时的，准确地监控，一方面方便了企业和用户对电梯运行情况的维护，另一方面也加强了企业对产品资料和数据的收

17、集和处理功能，同时也使质检部门的监控更加便捷。211结构概述本文所设计的多电梯远程系统由终端控制器、网络系统、监控平台三部分组成。终端控制器采用 ARM 控制器 LPC2378芯片设计了数据采集及协议转换器，包含RS一232 接口、RS485 接口、 USB 接口、 Moden 接口、以太网接口，根据不同的现场状况，采取不同的数据采集方式， 任何一种接口采集数据后统一转换成以太网接口的标准协议数据转发。网络系统是整个监控的骨架。在需要监控的小区内部通过终端控制器的以太网接口构建了局域网， 并负责协议转换功能的实现，而各个小区与区域间则利用互联网进行数据交换，从而构成了整个系统的网络系统。网络化

18、是电梯监控系统的发展趋势，电梯上的信息可以通过网络实现快速传输，如现场视频信息等；音频系统的语音数据也是通过网络系统在局域网内广播。系统采用硬件协议栈芯片实现网络协议，内嵌交换机功能，具有两个以太网接口，并且采用带备份通路的环网结构组网，提高了系统的可靠性。监控平台，使用 VB6 0开发了 DDE 的数据解析程序，同时使用北京三维力控公司提供的力控Foreeeontrol61软件下编制监控程序，可以实现对电梯终端控制器所采集信息的接收、处理；并且采用了可视化软件编程，提供了一个全中文、图形化、动态化的监控界面，针对不同的用户(小区监控用户、质检部门等)、不同的管理权限，在不同的地点可以很轻松的

19、对电梯运行情况进行实时监控，以便利于随时处理故障和维护电梯。并且记录报警、故障信息和进行数据统计，对电梯总体运行情况进行掌控。同时，监控平台的web 发布功能，可以实现用户通过Intemet远程登录监控系统，在紧急状况下对监控系统的远程操控。系统结构如图 211所示：图2.1.1 多电梯控制系统212功能概连针对目前国内外电梯远程监控技术不足，本系统设计的目的就是为了方便监控运营及质检单位对远程电梯运行情况的监控以及企业和电梯用户之间的信息交流，解决不同厂家电梯控制系统之间的差异性收集和积累产品数据和信息，从而设计出一个通用性强、开放程度高的监控系统。在设计过程中，整个系统被划分为终端控制器、

20、网络系统、监控平台三个部分，系统整体实现的功能概括为以下几十方面：(1)数据的远程实时采集监控系统的终端控制器的数据采集具有自动循环采集和命令采集两种模式，根据现场状况，系统自动选择采集模式或者并用两种模式。(2)协议转换现场采集到的数据不论是何种协议，最终都转换成统一的TCP IP协议数据通过以太网接口发送至同络中供监控平台或者远端用户读取。0)电梯运行实时组态功能本系统的监控平台采用维态软件进行开发，实现接收处理各终端控制器信号，并进行动态数据交换。监控软件提供运行稳定、图表形象的监控界面，在监控计算机屏幕上实时显示监控小区电梯整体运行信息，同时可以通过具体信息界面分别显示出具体某一部电梯

21、的运行状况和视频、音频信息。22多电梯远程监控系统总体设计总体设计将提出多电梯远程监控系统的实现方案，包括网络拓扑结构设计、系统硬件实现方案设计和系统软件实现方案设计三部分。221系统网络拓扑结构本系统中底层的终端控制器构成带备份通路的环形局域网(这种结构冗余备份了一个通路极大地增强了网络系统的可靠性)，通过网关接入 Intemet 网。监控平台可以连接在局域网内部或者通过Intemet 采集终端控制器发送的数据，并且通过双机冗余备份，为监控平台的稳定性提供了有力保障。同时电梯厂家、质检单位等用户可作为客户端通过Intemet 对电梯的运行状态进行监控。本系统通过以下几方面实现带备份通路环网：

22、(1)物理连接采用每个节点首尾相连组成一个闭型环网。(2)硬件设计中每个终端控制器节点都有一个可由软件控制打开和断开环网控制开关。(3)应用层软件开发在系统刚通电时确保局域网中所有点环网开关闭合除了一个节点断开；同时监控判断局域网连接，及时处理故障。222硬件设计本系统设计采用嵌入式技术，选用基于 ARM7TDMIS核的ARM7 微控制器做为主控制器芯片，ARM7 集成了丰富的片上资源。本系统选用的 LPC2378 芯片集成了 4个UART ，2个CAN 控制器、 2个USB 控制器等，通过主芯片集成的丰富资源可以很方便地设计出终端控制器的接口。网络接口设计中嵌入式系统接入以太网通常有方法：(

23、1)采用LPC2378 本身集成的以太网控制器，通过在硬件上添加以太网收发器芯片实现以太网接口。(2)采用硬件协议栈芯片加以太网收发器芯片来实现。由于第一种方法需要软件实现TCPIP协议且效率较低， 本系统采用相对容易实现且效率高的第二种方法。本系统中设计了两个以太网接口，内嵌交换机功能，可方便地组网实现带备份通路的环形局域网。图2 2 1为系统终端控制器设计的总体结构。图2 2 2描述了多电梯监控系统终端控制器设计的功能接口和网络接口的连接情况。本系统的功能接口部分包含 RS232 、RS485 、Modem 、USB 、CAN 五个接口，这些功能接口是终端控制器采集、处理数据并实现通信的基

24、础。为了提高以太网接口的数据读写速度，系统采用总线方式与协议栈芯片相连。2213 软件设计软件部分的设计中包含了终端控制器的程序设计和监控平台监控软件系统的开发。(1)终端控制器软件部分为了提高效率本系统不采用嵌入式操作系统，而是采用嵌入式开发常用的前后台系统。在前后台系统中，在前台，主要处理异常及实时性要求较高的事件；在后台，由一个死循环调度系统任务及处理其它事件。在终端控制器的软件设计中，每个功能接口及网络的每个通道 (共4个通道 )都分配一个存储接收数据的循环队列以解决数据收发量大产生的闰题。 接收到数据后在中断处理程序中就将数据写入相应的接收队列中，当后台程序需要处理接收到的数据时从接

25、收队列中读取。图2 2 2为本系统的软件总体设计框图。(2)监控平台软件部分监控平台最终效果要求界面友好、功能齐全、运行稳定，同时可远程登录、 IE 访问浏览。目前在监控平台的上位机中使用高级语言进行编程的技术已经发展的相当成熟，如果从底层开始重新开发虽然开发自由度相对开阔但是工作量较大，时间成本相应增加。所以在本系统中，采用了三维力控公司的“力控Forcecontrol61组态软件结合数据库联接技术、 动态数据交换技术进行远程监控程序的开发。这些技术使得监控软件界面能够以一个友好的方式面向使用者，同时也为系统的扩展和升级预留了足够的空间。监控软件总体设计图如图223，状态监控、实时报警、we

26、b 发布等功能都在平台上具体实现。23本章小结本章介绍了多电梯远程监控系统的整体结构和具体功能，论述了网络系统的总体设计思想，提出构建带备份通路环网结构的局域网，对网络系统可靠性的提高有一定意义。整体上介绍了系统硬件和软件的总体设计实现、和具体方案。本章是后续章节的基础，相应的软硬件设计以此为总体框架。3多电梯远程控制系统终端控制器硬件设计硬件设计主要分成微控制器单元设计、功能接口设计、网络接口设计三部分。主控制器是系统的核心，本系统选用NXP公司的 LPC2378 ，它功能强大并且集成丰富的片上资源，满足了系统的需要。功能接口是终端控制器完成实现系统的开放性、通用性和统一协议转换的基础。目前

27、我国电梯控制器的接口多样，几乎没有一个统一化的标准，为了实现这些通过不同接口的采集数据，终端控制器需设计相应的功能接口，并能实现这些接口数据统一转换为TCP IP协议接口数据。为使终端控制器具有通用性，系统设计了RS232 、RS485 、Modem 和USB 共四种功能接口。网络接口是硬件设计的重点。通过对比各种方案，本系统的网络系统设计采用实现简单、处理迅速的硬件TCPIP协议栈的方案。结合电梯的现场状况，本网络系统开发了两个接口，实现了快捷组网；同时构建带备份通路的环型局域让系统的可靠性更上一个层次。31主控芯片设计嵌入式产品时，处理器芯片的选择直接影响产品开发的进度和使用性能。本小节将

28、具体介绍如何终端控制器系统主控制芯片的选型及所选主控制芯片的主要特性。311主控芯片选型目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000 多种，流行的体系结构有30 多个系列。根据嵌入式处理器的功能和应用不同，可以分为：微控制器MCU 、微处理器MPU 、数字信号处理器 DSP 和片上系统 SOC!101 。选择主控芯片应该考虑的因素包括：微控制器的性能、集成的功能模块、开发环境的熟悉程度等。目前MCU 是嵌入式系统的主流，其价格低廉、功能优良，具有很高的性价比；片上集成的功能和外设资源比较丰富，如计数器、串行口、CAN 、12C 等【11 】。本系统采用了处理速度比较快的32位ARM 微

29、控制器。由于 ARM 分为不同的系列，选择一款适合本系统设计的ARM 非常重要。选 ARM 芯片时应考虑如下因烈11J ：(1)选择合适的 ARM 内核结构ARM 微控制器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域， 如使用 Linux 或WinCE等操作系统，就需要选择ARM720T 以上带有 MMU(Memory Management uni0功能的ARM 芯片。由于终端控制器网络系统的设计没有使用操作系统，所以ARM7 内核可以满足要求。(2)系统的工作频率系统的工作频率在很大程度上决定了ARM 微控制器的处理能力。常见的ARM7 芯片系统主时钟为 20MHz 133MHz ，ARM9

30、的系统主时钟频率为100MHz 233MHz ，ARMl0 最高可以达到 700MHz 。终端控制器网络系统的时钟频率在100MHz 内可以满足需求，就工作频率而言，ARM7 系列能满足系统需求。(3)芯片内存储器的容量大多数的 ARM 微控制器芯片内置存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，有些高达2MB 。本终端控制器网络系统的程序运行对内存的要求不是很高，一般存储空间大小的芯片就可以满足要求。(4)片内外围电路的选择除ARM 微控制器核以外，ARM 芯片根据各自不同的应用领域，扩展相关功能模块，并集成在芯片之中，称为片内外围电路，如

31、USB 接口、 12C 接口、 LCD 控制器等。设计时采用片内外围电路完成所需的功能，可简化系统的设计，提高系统的可靠性。本终端控制器网络系统需要3个UART 、1个USB 设备控制器。综合以上各个因素的考虑，在本系统选用NXP一款内核为 ARM7TDMIS的ARM 微控制器 LPC2378 。它是一种低功耗的32 位RISC 处理器， 512KB 片内Flash ，片内集成了4个UART 、2个CAN 控制器、 2个USB 设各控制器 (只能同时用一个 )。另外LPC2378 具备总线控制功能，所以在网络连接和内存扩展方面比较容易实现。312 LPC2378控制器 1121 LPC2378

32、 使用了一个高性能的32 位ARM7 内核，可以在高达72MHz 的频率下操作。128 位宽的存储器接口和专有的存储器加速器使得32 位的代码可在最高的时钟速率下执行，而无需使用高价的SRAM 。LPC2378 较小的 144 脚封装、极低的功耗、优良的性能使它特别适合于工业控制、协议转换等。LPC2378 的重要特性如下：(1)72MHz 主频、 32 位的ARM7TDMIS，带 AHB APB 接口。(2)高达512KB 的ISP IAP Flash，58KB 的SRAM 。(3)Flash 编程极快，通过片内的boot loader软件实现。(4)10 100EthemetMAC接口，E

33、themetMAC在独立的 AHB 总线上有 16KB 的SRAM和一个相关的 DMA 控制器。(5)全速USB2 0(12Mbps)设备，USB 控制器含有 4KB 的USB SRAM 和可存取的 DMA ，并支持 32 个端点的控制、中断、批量和同步数据传输模式。(6)2 条CAN2 0B 总线，带 2路通道。(7)10 位AD 转换器和 10 位DA转换器。(8)多个串行接口： 3个高速 12C 、1个12S 、4个符合 16C550 工业标准的 UART(1 个带有IrDA) 和3个SPISSP。(9)1 个带有 2KB 电池SRAM 的低功耗实时时钟、1个看门狗定时器。(10)104

34、 个通用 IO口线，这些 IO口线可在高达 18MHz 的速率下触发。(11) 支持实时仿真和嵌入式跟踪支持，使用标准的ARM 测试调试 JTAG 接口。(12) 只需一个 33V 输入电源。(13)T 作温度范围为40C 85 。32微控制器单元设计微控制器是系统设计的核心部分，微控制器直接影响着系统具体功能的优劣。微控制器的正常工作同样取决于外部的电源、时钟信号、复位信号。有些情况下，外部的存储器也需要扩展。图 321为微控制器单元设计的示意图：321电源及时钟电路设计3211电源电路电源电路是系统的重要方面，电源设计的好坏直接关系到系统的稳定性。在本终端控制器网络系统设计中， 主芯片 L

35、PC2378 需要3 3V 供电，同时，电平转换芯片 MAX3232、硬件 TCPflP 协议栈芯片 W3150A+ 等器件和芯片都需要33V 供电。交换机芯片RTL8305SC需18V 和33V 混合供电。 所以要在系统中设计33V和18V 的电源，其中需求的 33V 电源可以提供较高的输出电流。现场电源模块提供的标准12V 电源。本系统选用 LM2576-33和LM2575ADJ 集成芯片。 LM2576和LM2575的输入电压范围 7v40V ，LM2576可以输出最大达 3A 电流， LM2575最大输出 1A 电流，能满足系统的要求。图322为系统电源部分的设计：3212时钟电路LP

36、C2378 是一个时序电路器件，外部提供时钟信号才能工作。XTALl 引脚输入方波或者晶振输入都可以给LPC2378 提供工作时序。 具体提供的时序对应频率如表321。表321工作时序频率表工作时序方式对应频率XTALI 引脚输入 l：l的方波作为工作时序l50MHZ 晶振1-30MHZ 片内PLL(Phase Locked Loop)或者引脚装载程序 (即ISP)功能l 025MHz 本设计采用 12MHz 的晶振作为系统时钟输入。时钟频率在10-25MHz之间，系统可以使用 PLL 和ISP功能。为了与 USB 通讯速率匹配，选用12MHz 也较合理。图 323 为微控制器时钟电路：322

37、复位及看门狗电路设计为了确保微控制器在通电后有一个固定的状态，所有的微控制器均带有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个固定的状态。这个复位逻辑需要外部提供一个复位信号才能工作， 所以复位信号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作影响较大。一旦复位信号不可靠， 系统将无法在通电后进入确定的工作状态或者由于不停的复位影响系统的正常运行。复位后微控制器从地址为Ox00000000的地方开始执行，然后进行相应的存储器映射，使微控制器进入正常的运行模式ll 引。除系统通电时需要复位外，程序运行的看门狗复位也是系统稳定运行的保证。看门狗复位可有两种方式：(1)芯片内部看门狗， 无需外围电路， 仅需在程

38、序中初始化使能内部看门狗，并在程序运行时定时喂狗。(2)采用外部看门狗， 内需要采用专门的看门狗芯片，成本会增加。相比较而言，外部看门狗比内部看门狗更加可靠，能确保在主控芯片死机的时候产生外部复位信号，让芯片重新运行。因为系统应用在电梯运行现场，所以对稳定性、 安全性和可靠性的要求较高，所以本终端终端器网络系统设计中采用外部看门狗方案。在本系统的设计中，选用了的SP706T 作为复位和看门狗芯片。SP706T 工作电压为33V ，复位输出持续时间200ms 。作为专用的复位芯片，除了可以消除手动复位容易产生的抖动现象，提供可靠的复位信号，同时具有电压监控功能，当输入电压低于308V 时，将产生

39、复位信号，避免微控制器在低电压时的不确定行为，极大地提高了系统的可靠性 1141 。电路连接如图 324所示：图324中，WDI 是SP706T 的看门狗输入引脚， 与LPC2378 的一个 GPIO 直接相连。在程序正常运行时，每16S 至少喂狗一次。如果出现异常情况或程序死机，WDI 引脚的电平在 16S内没有变化， SP706T 内部的看门狗定时器产生定时溢出，WDO 引脚输出低电平，从而将MR 引脚拉低，产生一次复位输出。复位后，WDO 引脚回复高电平。拔掉 jPS(#F 部看门狗控制开关)跳线，外部看门狗将不产生作用，一般用在调试情况下，正常工作时接上 JP8 ，使引脚 WDO( 看

40、门狗输出 )和MR( 手工复位 )相连。33功能接口设计终端控制器的一个重要功能是协议转换，由于不同厂家不同型号的电梯采用不同接口的电梯控制器，所以现场采集数据的接121 多样，如早期控制电梯的PLC使用RS232 或者RS 485 接口进行数据的通信， 近年来出现了基于现场总线的接口如Profibus、 CAN ，这些不同接口的设备间无法统一通信也无法组成网络使得监控平台实现监控。终端控制器需要设计这些功能接口，并将不同接口之间的数据统一转换为网络接口数据，以便监控平台或者监控端采集。本系统中主要是将不同协议接口设备采集的数据转换成TCPIP协议发送至监控平台。根据当前电梯控制器设备的主要接

41、口类型及通信接口未来发展的趋势，让终端控制器具有更好的通用性，本系统设计了 RS 232 、 RS 485 、 Modem 、USB 四个功能接口。33。1 RS-232RS485 接口设计RS一232 是一个基本的通信接口，很多电梯控制器设备如PLC 都采用 RS232 接口通信，所以在终端控制器中设计RS232 接口是必不可少的。此外，LPC2378 的ISP 下载也是通过 RS232 接口来实现的。LPC2378 内置四个 UART ，在本系统的设计中将UART0 和UART2 用做普通的 RS232 接口，需要数据接收RXD 、数据发送 TXD 和地线GND 三根线就可以实现基本通信。

42、由于主控芯片输出的是33V 的TTL 电平，而 RS232 接口采用 EIA 电平，两个电平之间不匹配，需要进行电平转换【14 】【611 。在本设计中选用了通用电平转换芯片MAX3232，芯片工作电压 33V ，可以同时进行两组端口的电平转换。图331为RS232 接口的设计电路：本终端控制器串 E1 支持波特率 9600-115200bps，数据位 5678位，停止位 12位，支持奇偶校验。RS485 是一种常见的串行总线接口，它结构简单，成本低廉，是一种支持多节点、远距离和数据传输可靠性较高的总线标准。RS485 采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL 电平信号转换成

43、差分信号A、B 两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL 电平信号 Il卯。本设计中采用LPC2378 的UART3 作为RS485 接口，RS485 收发器选用 SP3485 ，其工作电压 33V ，工作方式为半双工，位速率 1Mbps ，最多可连接 400 个节点数。 RS-485 接口的电路连接如图332所示：图332中， DI 为SP3485 的数据输入引脚，该引脚和LPC2378 UART3的TXD3 相连：RO为SP3485 的数据输出引脚，该引脚和UART3 的RXD3 相连。 DE 为SP3485 驱动器控铝 tlgl 脚，当 DE 引脚电平为低时，输出显三态；

44、而当DE 引脚电平为高时，驱动器正常工作。 RE是SP3485 的接收器控制引脚，当RE 电平为高时，接收器呈三态：当RE电平为低时， 使能接收器。 DE 、RE分别和 LPC2378 的GPIO 口相连。通过 DE 和RE高低电平的控制，可以避免RS-485 数据总线上产生数据冲突。RS485 总线输出端的485A 、485B 上分别加 51 KQ 的上拉电阻和下拉电阻，是为了防止出现总线上所有的驱动器都被禁止， 接收器可能会输出逻辑0的情况。 总线两端的差分端口跨接120f2的匹配电阻，可起到抑制噪声以及防止出现电阻不匹配引起反射的作用。终端控制器RS-485 接121 可支持波特率 96

45、00-，l 1 5200bps，数据位 5678位，停止位 12位，支持奇偶校验。332 USB 接口设计USB(Universal Serial Bus)是由Intel 、Compaq 、IBM 、Microsoft等七家公司联合制定的串行通信标准，并成了行业标准。二十世纪初，USB2 0标准问世， USB2 0最高以 480Mbps的传输速率得到了广泛关注，在一定程度上代表了通信接口的发展趋势【USB 作为新一代通信接口，具有低成本、即插即用、兼容性好、可靠性高、易于扩展等优点，与传统的RS232 、RS485 接口相比，传输速率快很多fi列。虽然日前的电梯控制器上还少有USB 接口的设备

46、，但凭借USB 协议的优越性能，不久会有越来越多的设备采用 USB 接口通信， 特别是在需要采集视频、音频信号的电梯控制场合，所以本终端控制器也设计了USB 接口。本监控系统中的视频信号主要通过USB 接口采集、通信。一个完整的 USB 系统包括 USB 主机和 USB 设备， 所有的传输事务都是由主机发起；USB设备是能够通过 USB 端口来接收和发送数据的实体。本系统设计的USB 接口就属于USB 设备。本系统 CPU 支持 2个USB2 0全速 (12Mbps) 设备。本设计使用了LPC2378 的USB 控制器 1。USB 接口的电路连接如图333所示：图333 USB 接口电路图3，

47、33中SP0503BAH是为USB2 0高速端口提供 ESD 保护的器件。 USB 采用差分数据传输， 两根数据传输线USB D 和USB D 牛分别与 LPC2378 的U2 D 和U2 D+相连。如果要在 USB 系统中添加一个新的设备，主机和待添加的设备之间需要进行一系列复杂的操作。 主机数据线上的两个偏置电阻在没有设各接入时，确保D+ 和D为低电平。当有设备插入USB 电缆时，该设备端的电阻使主机端的D+或D为高。如果偏置电阻连接到 D+ ，说明设备是全速的(12Mbps) ；如果电阻被连接到D，则表明设备是低速的 (15Mbps) ，如图 313 4所示：图334 USB 接口端的设

48、定本终端控制器设计的USB 支持USB 全速12Mbps，32 个物理端点，支持控制、批量、中断、同步端点。333 Modem接口设计Modem 是Modulator(调制器 )与Demodulator(解调器 )的简称。对于一般的应用而言，Modem 一个最大的用处就是可以连接电话、传真181 。在终端控制器设计中就使用UARTl 技术来模拟 Modem 传输，选用 SP3238E 芯片实现电平转换。SP3238E 的工作电压为 33V，可以同时进行5路输入、 4路输出的 TTL 到RS232 电平转换。 Modem的接口电路如图 335所示。C1 7图335 Modem 接口电路本终端控制

49、器系统的Modem 接I：1由于是用 LPC2378 的UARTl 模拟的， 所以和串口一样，支持波特率 9600 115200bps，数据位 5678位，停止位 12位，支持奇偶校验。21 刀一 4勰药，一 3拍扣挖一冯仃烈一加擂埔3多电梯远程监控系统终端控制器硬件设计硕士论文34网络接口设计341设计方案终端控制的核心任务就是将其他接口采集到的数据统一转换为TCPIP协议的数据通过网络接口转发， 所以终端控制器网络系统设计的核心是设计网络接口，并且组成局域网。要将嵌入式设备组成局域网，需要解决两个主要问题，一是嵌入式系统怎么接入以太网，即怎么实现网络协议问题；另一个是怎样组成局域网的问题。

50、3411嵌入式系统接入以太网方案设计【19 21 】要实现嵌入式接入以太网，就要实现复杂的TCPIP协议，对嵌入式微控制器的存储器、运算速度等的要求比较高。所以嵌入式系统与以太网相结合的关键在于如何在资源有限的嵌入式系统内实现TCP IP协议。目前，实现嵌入式系统接入以太网的方案主要有以下几种：(1)专用网络 +专用网关嵌入式系统首先通过专用网络(比如 RS 485 总线等 )连接起来，然后再连到专用网关上，由该专用网关作为通信控制器，将内部专用网上的信息转换为TCPIP协议数据包，发送到以太网上实现数据传输。该方案必须依赖专用网关作为通信控制器工作，在很大程度上降低了网络整体的可靠性和实时性

51、，而且安装不够灵活、方便。(2)嵌入式微处理 +PHY 芯片该方案由嵌入式微控制器和PHY芯片 (比如RTL8019AS)组成，也叫软 TCPIP方案。一般引入商用的嵌入式实时操作系统，如VxWorks、Linux 等。这类操作系统一般都提供TCP IP协议栈，系统开发通过调用操作系统提供的API 来实现 TCP IP协议的功能。该方案软件开发周期长，对研发人员的开发能力要求较高，一般大公司采用。(3)集成了 TCP IP协议栈的片上系统(Soe) 现在有些网络微控制器芯片已经在片上集成了TCPIP协议栈了， 用户无需采用外部的硬件协议栈芯片或者自己用软件来实现TCPIP的功能了。 但是目前这

52、类芯片一般都采用低端内核， 设计出来的系统的数据传输速度比较低，要求数据传输速度比较快的系统就不能采用这种方案。(4)嵌入式微控制器 +TCPflP 硬件协议栈由嵌入式微控制器、TCPIP硬件协议栈、 PHY组成。 TCPIP协议族功能由协议栈芯片实现，嵌入式微控制器通过调用函数，就可以接收、发送相关用户数据。该方案硬件电路简单，也无需开发者自己来实现TCPIP协议，而且用硬件来实现TCPFIP 协议，比用软件实现， 能达到更快的数据传输速率。特别适合资源比较紧张或者对数据传输速度要求比较高的系统。终端控制器网络系统的设计就采用了这种接入以太网的方案，以求有更快的网络处理速度。3412网络连接

53、方案设计终端控制器的工作环境是在电梯运行现场上，受限于电梯运行现场空间等因素影响，使用交换机或集线器等网络连接设备来组建网络不方便。所以要求终端控制器有自组网功能，数套终端控制器就能连接组成局域网，不用借助网络连接设备。因而需要具备集线器或者交换机的功能，具有两个以太网接口。设计双以太网接口的另一个很重要的原因是，本系统设计的带备份通路的环网结构要求具有两个以太网接口，进行首尾相连组成物理上的环网。终端控制器网络的传输速率要求较高，因为需要传送大量的语音和视频信息，这种信息的突出特点就是数据量很大。系统需要选择一款性能优良的芯片，终端控制器设计选择的是交换机控制器芯片。通过对集线器和交换机控制

54、器芯片工作原理的比较分析可以看出，网络负载比较大的场合下，集线器控制器很容易引起网络的拥塞，交换机控制器则能凭借其优越的性能而较好的工作。本终端控制器对网络带宽的要求相对较高，通常工作在网络负载大的场合下，所以本终端控制器网络系统的设计选用了台湾RELTEK 公司生产的 RTL8305SC交换机控制器芯片。本系统设计的网络接口示意图如图341所示：图341系统网络接口示意图3413网络接口主要芯片介绍瞄之5】从上述的方案设计中可以看出，在网络接口设计中主要用到的芯片有硬件TCPIP协议栈芯片 W3150A+和以太网交换机芯片RTL8305SC。下面分别简单的介绍一下这两个芯片的主要功能及特性。

55、(1)W3 150A+ WIZnet 公司硬件协议栈芯片W3150A+是以大规模集成电路方式硬件化通信协议栈，提供一种简单、 经济的高速连接互联网上各种数字设备的解决方案。实现方式是以硬件化TCPIP栈来完成。它提供一个既快且简易的渠道来实现以太网的功能。应用此大规模集成化的芯片于系统中可完全卸载网络协议所需的负荷，减轻软件开发的工作量。W3150A+ 实现 TCPIP栈中的 TCP，UDP ，ICMP ，Pv4 ，ARP ，IGMP 以及 PPPoE 协议， 另加连接以太网协议中的数据控制及MAC 协议。芯片内含 16KB 收发缓冲存储器。对MCU 接1：3采用多种连接方式，对物理层衔接则应

56、用标准MII 接El 。W3150A+ 主要由4部分组成，它们分别是：第一部分是 MCU 接口。 W3150A+ 提供直接总线接口和间接总线接口，W3150A+ 还提供SPI 总线接口。 适合与类似 8051 单片机的总线连接， 也非常适合与只有IO 口而没有总线接口的单片机连接。第二部分是 TCP IP协议栈。 W3150A+ 已经完全固化了从MAC 层、网络层到传输层所需要的协议，因而用户无需了解这些协议的具体实现方法和实现代码。第三部分是接收和发送缓冲区。单片机通过以太网与网络上其它主机进行通信的数据是通过这些缓冲区来交换的。第四部分是以太网物理层接EI(MII 接口)。W3150A+可

57、以与 RTL8201无缝连接，实现10 100BaseT以太网物理接口。芯片结构如图 342所示：图342 W3150A+结构(2)RTL8305SC简介RTL8305SC是台湾的 RELTEK 公司生产的二层交换网络芯片，具有5个网络接口。其中每个接 El 含有一个 MAC 层和一个物理层收发器，提供10 100M 传输速率的自动协商和识别功能 (完全兼容 IEEE802 3802 3u 的自动协商识别功能)， 支持 UTP方式，并且在光纤模式下提供流量控制功能。它集成高效的SRAM 作为收发分组的缓冲区，提供广播帧过滤功能，还提供了微控制器接El：SMI(Serial Management

58、 Interface)接lZl ，允许微控制器通过该接口设置内部寄存器和诊断内部错误。RTL8305SC的5个以太网接 IXl(PORT0一PORT4) 分为三个部分：组X、组 Y和PORT4 。用户可以根据需要将PORT0-,PORT3灵活地划分为组 X和组Y，每组的工作模式相互独立。而第5 N(PORT4) 贝IJ 是一个功能强大的接口，支持一个外部的MAC 接口，可以根据需要配置成为物理层模式 (PHY)MII 接121 、物理层模式 (PHY)SNI 接口及 MAC 模式MII 接口三种，以实现与路由器、个人数据助理(PNA)及VDSL 发送设备直接相接。也可以直接工作在U11P 方式

59、。 RTL8305SC内部寄存器有三种设置方式：第一种是仅用外部配置引脚，这种方法能够实现普通交换功能。用户根据需要在上电前设置好外部配置引脚的状态，上电时 RTL8305SC根据外部配置引脚的状态自动设置内部寄存器。第二种是使用外部配置引脚并结合串行EEPROM 自动加载，即 RTL8305SC中的几个基本功能寄存器r(register0- register5)是根据外部配置引脚的状态自动设置的，而其它用于更复杂功能的寄存器是通过串行 EEPROM 进行自动加载的。第三种方式是使用外部配置引脚并结合微控制器通过 SMI 口进行设置。本终端控制器网络系统设计只需要使用交换机的基本功能，故采用第

60、一种设置方式，即仅使用外部配置引脚配置。RTL8305SC内部结构如图 343 所示。图343 RTL8305SC芯片内部结构342 ARM 与协议栈芯片电路连接3421 W3150A+与微控制器的三种接法W3150A+ 与微控制器 (MCU) 有三种不同的连接方法，具体见表341。3多电梯远程监控系统终端控制器硬件设计硕士论文的。终端控制器网络的处理速度要求较高，所以本设计就是采用直接总线的方式连接表341 W3 150A+与MCU 连接方法连接方法连接线优点不足直接总线方式使用15根地址线、 8根数据线、 3根网络处理较快，数据读取操作简单需要较多的连接线控制线与微控制器相连间接总线方式使