基于CAN總線的電梯群控系統的通訊接口設計與實現
來源：本站 發布時間：2014-02-21 17:30:49 點擊次 在許多高層建筑中，通常都安裝了多部電梯，為了提高這些電梯的運行效率和服務質量，需要用電梯群控管理系統來對其進行合理的調度和管理。電梯群控的主要功能是調度和管理各部電梯，指定電梯服務樓層，改變原先由于電梯的單獨控制而造成的樓層分布不均，資源浪費，電梯損耗不均勻等狀況，電梯群控對于改善電梯的運行效果，具有十分重要的作用。一個電梯群控系統需要進行大量的數據交換, 如各電梯轎廂內的選層信號、應答選層的指示燈信號、顯示電梯當前位置的指示燈信號和廳外召喚信號等,這些信號隨著電梯的數量和樓層的增多而迅速增加。電梯群控系統通訊的主要特點是節點多、距離長、信號變化慢以及對抗干擾能力的要求高等。 目前對于電梯群控系統通訊方式而言，占主導地位的是主從結構的BITBUS網絡系統的串行通訊，它采用RS-485總線, 通訊方式為命令、響應方式。主機定時向各子控制器發出查詢信號,再由各子控制器匯報各自狀態。
但它存在以下不足：① 數據傳輸效率低, 而且主控制器異常繁忙；② 靈活性差，因為當子控制器出現異常時,數據將不能立即上傳,必須等待主控制器下發命令；③ 一旦主機出現故障,整個系統將癱瘓。上述幾個問題 對于實時性和安全性要求都很高的電梯控制系統來說是致命的，基于上述原因，我們提出了基于CAN總線的電梯群控系統。
二、CAN Bus的特征 具有多主結構的CAN Bus（Controller Area Network Bus）總線網絡與BITBUS網絡有著本質的不同。CAN即控制器局域網絡，是一種新型的總線式串行通信網絡，具有如下優點： ① 采用多主方式工作, 網絡上任一節點均可以在任何時刻主動向網絡上其它節點發送信息, 同時還可接收總線上的信息，通訊方式靈活, 且不分主從,從而解決了RS-485中從節點無法主動與其他節點交換數據的問題，使系統具有很大的靈活性； ② CAN網絡上的節點可分成不同的優先級, 以滿足不同的實時要求。當兩個節點同時向總線發送信息時, 優先級低的節點主動退出發送, 而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據, 大大節省總線沖突仲裁時間, 增強了網絡的實時性，更重要的是在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓； ③CAN的直接通信距離最大可達10km(對應速率5kbps以下)，CAN的通信速率最高可達1Mbps(對應傳輸距離40 m)。CAN采用短幀傳送,每一幀的有效字節數為8個, 傳輸時間短, 受干擾概率低, 且具有極高的檢錯功能； ④ CAN的每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施,保證數據出錯率極低。
三、系統組成及通訊接口電路設計 基于CAN總線的電梯群控系統的控制部分由電梯主控制器、轎廂控制器、樓層控制器（多套）、群控器組成，通過CAN Bus接口連接成一個完整的通訊網絡，實時傳輸各運行參數、控制命令。電梯控制系統CAN網絡拓樸結構如圖1所示： 圖1 電梯群控系統CAN網絡拓樸結構 電梯主控制器通過節點接口電路與CAN總線連接，它是電梯控制系統的核心，主要負責控制轎廂位置和運行, 處理各子節點發回的各種信號, 產生各種控制信號(包括與拖動系統的通訊信號, 控制各接觸器的信號和發往各子節點的各種控制信號(子節點為：各樓層控制器、轎廂控制器等)。樓層控制器負責與主控制器通信，向上發送呼梯信號，并接收機房發回的下傳信號，完成呼梯信號記憶、消號、層樓及方向顯示功能。轎廂控制器的作用主要是將內選信號傳至主控制器。 CAN Bus通訊接口是很重要的一個環節，設備的正確運行與其密切相關。圖2給出了一個實際電梯控制系統的CAN Bus通訊單元電路圖。電路結構為： MCU（*P87C52X2）＋CAN控制器（SJA1000）＋CAN收發器（TJA1040T） 圖2 CAN Bus通訊單元電路圖 在上述電路結構中，P87C52X2芯片是PHILIPS公司生產的標準80C51內核單片機，包含8KB OTPROM、256B RAM、32個I/O口、3個16位定時/計數器、雙DPTR、1個UART口，可以工作在6CLK模式下，運行速度可以是標準80C51的2倍。SJA1000芯片是一款獨立CAN控制器，由PHILIPS公司設計并生產，具有優秀的EMI、EMC性能，適合用于工業環境中的控制器局域網絡。而且，SJA1000是PCA82C200獨立CAN控制器的升級產品，在引腳、電氣上與PCA82C200控制器完全兼容，并具有更強功能的PeliCAN工作模式，主要由實現CAN總線協議部分和與微處理器接口部分電路組成，可完成CAN總線協議的物理層和數據鏈路層的功能，支持CAN2．0A協議及CAN2．0B協議。 目前，SJA1000被廣泛用作CAN控制器。TJA1040芯片是PHILIPS公司在2002年推出的新一代高速CAN收發器，是PCA82C250/251、TJA1050的升級型號，具有非常優秀的EMC性能，在不上電狀態下有理想的無源性能，提供低功耗管理，支持遠程喚醒，并集成有完善的總線保護功能。TJA1040可以支持40Kbps～1Mbps高速率范圍，在不需要CAN中繼器的場合，通訊距離可達1.2KM遠，通訊節點數目可達110個節點。TJA1040是CAN協議控制器和物理總線的接口，提供了對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力。 四、通訊軟件設計 CAN設計的三層結構模型為：物理層、數據鏈路層和應用層。網絡物理層和數據鏈路層的功能由CAN接口器件完成，包括硬件電路和通訊協議兩部分。CAN通訊協議規定了四種不同用處的網絡通訊幀，即數據幀、遠程幀、錯誤指示幀和超頻幀。CAN通訊協議的實現，包括各種通訊幀的組織和發送，均是由集成在SJA1000通訊控制器中的電路實現的，因此系統的開發主要在應用層軟件的設計上。應用層軟件的核心部分是CPU與SJA1000通訊控制器之間的數據接收和發送程序，即CPU把待發的數據發給SJA1000通訊控制器，再由SJA1000通訊控制器發到總線上；當SJA1000通訊控制器從總線接收到數據后，CPU再把數據以走。首先，應對SJA1000中的有關控制寄存器寫入控制字，進行初始化。接著，CPU即可通過SJA1000接收/發送緩存區向物理總線接收和發送數據。本系統采用中斷方式實現CAN的通訊過程，其程序流程圖如圖3所示。 圖3 程序流程圖 五、結論 基于CAN總線的電梯群控技術通過在實踐中的應用檢驗表明，它可以使整個控制系統的控制信號線數從數百根減少到幾根，極大地方便了電梯的安裝和維修，提高了電梯的運行效率和服務質量，具有廣闊的應用前景。
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