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基于CAN总线的电梯群控系统的通讯接口设计与实现 |
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作者：余华 孙德宝 |
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一、引言
在许多高层建筑中，通常都安装了多部电梯，为了提高这些电梯的运行效率和服务质量，需要用电梯群控管理系统来对其进行合理的调度和管理。电梯群控的主要功能是调度和管理各部电梯，指定电梯服务楼层，改变原先由于电梯的单独控制而造成的楼层分布不均，资源浪费，电梯损耗不均匀等状况，电梯群控对于改善电梯的运行效果，具有十分重要的作用。一个电梯群控系统需要进行大量的数据交换, 如各电梯轿厢内的选层信号、应答选层的指示灯信号、显示电梯当前位置的指示灯信号和厅外召唤信号等,这些信号随着电梯的数量和楼层的增多而迅速增加。电梯群控系统通讯的主要特点是节点多、距离长、信号变化慢以及对抗干扰能力的要求高等。
目前对于电梯群控系统通讯方式而言，占主导地位的是主从结构的BITBUS网络系统的串行通讯，它采用RS-485总线, 通讯方式为命令、响应方式。主机定时向各子控制器发出查询信号,再由各子控制器汇报各自状态。但它存在以下不足：① 数据传输效率低, 而且主控制器异常繁忙；② 灵活性差，因为当子控制器出现异常时,数据将不能立即上传,必须等待主控制器下发命令；③ 一旦主机出现故障,整个系统将瘫痪。上述几个问题 对于实时性和安全性要求都很高的电梯控制系统来说是致命的，基于上述原因，我们提出了基于CAN总线的电梯群控系统。
二、CAN Bus的特征
具有多主结构的CAN Bus（Controller Area Network Bus）总线网络与BITBUS网络有着本质的不同。CAN即控制器局域网络，是一种新型的总线式串行通信网络，具有如下优点：
① 采用多主方式工作, 网络上任一节点均可以在任何时刻主动向网络上其它节点发送信息, 同时还可接收总线上的信息，通讯方式灵活, 且不分主从,从而解决了RS-485中从节点无法主动与其他节点交换数据的问题，使系统具有很大的灵活性；
② CAN网络上的节点可分成不同的优先级, 以满足不同的实时要求。当两个节点同时向总线发送信息时, 优先级低的节点主动退出发送, 而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据, 大大节省总线冲突仲裁时间, 增强了网络的实时性，更重要的是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪；
③CAN的直接通信距离最大可达10km(对应速率5kbps以下)，CAN的通信速率最高可达1Mbps(对应传输距离40 m)。CAN采用短帧传送,每一帧的有效字节数为8个, 传输时间短, 受干扰概率低, 且具有极高的检错功能；
④ CAN的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施,保证数据出错率极低。
三、系统组成及通讯接口电路设计
基于CAN总线的电梯群控系统的控制部分由电梯主控制器、轿厢控制器、楼层控制器（多套）、群控器组成，通过CAN Bus接口连接成一个完整的通讯网络，实时传输各运行参数、控制命令。电梯控制系统CAN网络拓朴结构如图1所示： 
图1 电梯群控系统CAN网络拓朴结构
电梯主控制器通过节点接口电路与CAN总线连接，它是电梯控制系统的核心，主要负责控制轿厢位置和运行, 处理各子节点发回的各种信号, 产生各种控制信号(包括与拖动系统的通讯信号, 控制各接触器的信号和发往各子节点的各种控制信号(子节点为：各楼层控制器、轿厢控制器等)。楼层控制器负责与主控制器通信，向上发送呼梯信号，并接收机房发回的下传信号，完成呼梯信号记忆、消号、层楼及方向显示功能。轿厢控制器的作用主要是将内选信号传至主控制器。
CAN Bus通讯接口是很重要的一个环节，设备的正确运行与其密切相关。图2给出了一个实际电梯控制系统的CAN Bus通讯单元电路图。电路结构为：
MCU（*P87C52X2）＋CAN控制器（SJA1000）＋CAN收发器（TJA1040T）
图2 CAN Bus通讯单元电路图
在上述电路结构中，P87C52X2芯片是PHILIPS公司生产的标准80C51内核单片机，包含8KB OTPROM、256B RAM、32个I/O口、3个16位定时/计数器、双DPTR、1个UART口，可以工作在6CLK模式下，运行速度可以是标准80C51的2倍。SJA1000芯片是一款独立CAN控制器，由PHILIPS公司设计并生产，具有优秀的EMI、EMC性能，适合用于工业环境中的控制器局域网络。而且，SJA1000是PCA82C200独立CAN控制器的升级产品，在引脚、电气上与PCA82C200控制器完全兼容，并具有更强功能的PeliCAN工作模式，主要由实现CAN总线协议部分和与微处理器接口部分电路组成，可完成CAN总线协议的物理层和数据链路层的功能，支持CAN2．0A协议及CAN2．0B协议。
目前，SJA1000被广泛用作CAN控制器。TJA1040芯片是PHILIPS公司在2002年推出的新一代高速CAN收发器，是PCA82C250/251、TJA1050的升级型号，具有非常优秀的EMC性能，在不上电状态下有理想的无源性能，提供低功耗管理，支持远程唤醒，并集成有完善的总线保护功能。TJA1040可以支持40Kbps～1Mbps高速率范围，在不需要CAN中继器的场合，通讯距离可达1.2KM远，通讯节点数目可达110个节点。TJA1040是CAN协议控制器和物理总线的接口，提供了对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。
四、通讯软件设计
CAN设计的三层结构模型为：物理层、数据链路层和应用层。网络物理层和数据链路层的功能由CAN接口器件完成，包括硬件电路和通讯协议两部分。CAN通讯协议规定了四种不同用处的网络通讯帧，即数据帧、远程帧、错误指示帧和超频帧。CAN通讯协议的实现，包括各种通讯帧的组织和发送，均是由集成在SJA1000通讯控制器中的电路实现的，因此系统的开发主要在应用层软件的设计上。应用层软件的核心部分是CPU与SJA1000通讯控制器之间的数据接收和发送程序，即CPU把待发的数据发给SJA1000通讯控制器，再由SJA1000通讯控制器发到总线上；当SJA1000通讯控制器从总线接收到数据后，CPU再把数据以走。首先，应对SJA1000中的有关控制寄存器写入控制字，进行初始化。接着，CPU即可通过SJA1000接收/发送缓存区向物理总线接收和发送数据。本系统采用中断方式实现CAN的通讯过程，其程序流程图如图3所示。
图3 程序流程图
五、结论
基于CAN总线的电梯群控技术通过在实践中的应用检验表明，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和服务质量，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 余 华, 孙德宝. 智能大厦中的电梯群控系统. 电工技术杂志，2002，（1）：37~39。
[2] 邬宽明. CAN总线原理和应用系统设计. 北京: 北京航空航天大学出版社,1996.
[3] 贾宇辉,游林儒等. 电梯楼层及CAN总线通讯设计.电气传动自动化,2004,26(2): 43~44.
[4] 苏健,张慧慧. 基于CAN总线的监控系统设计. 制造业自动化, 2003,(2): 45~46. (end)
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(8/9/2005) |
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