1引言
电梯运行时需要实现控制信号在层站、机房和轿厢之间传输。控制信号主要有层站呼梯、层楼显示、井道位置信号、测速信号。其中呼梯及显示信号随电梯层站数的增加成比例地增加。传统电梯大多采用点对点信号传输连接方式,该方式连线多,控制复杂,抗干扰能力差,系统难于维护。为节省通信线路,提高可靠性,串行通信已逐步应用于电梯之中。目前电梯中串行通信大多采用rs—485标准,这是在rs—422基础上发展起来的主从结构网络,其通信协议简单,价格便宜,但具有如下缺点:数据通信方式为命令响应型,数据传输率低,实时性差;链路层为sdlc协议,错误校验能力不强。主从结构网络上只能有一个主站(机房),其余均为从站(层站和轿厢),一旦主节点出现故障,整个系统将处于瘫痪状态,因而对主节点的可靠性要求很高。
本文基于控制局域网总线can,采用多主结构方式实现电梯呼梯信号的串行通信。can是一种新型的总线式串行通信网络,为多主工作方式,具有如下特点:can网络上任一节点均可在任意时刻发送信息,无主从之分;can总线采用非破坏性的总线仲裁,当多节点同时向总线发送报文(message)时,优先级低的节点主动停止数据发送(仲裁丢失),而优先级高的节点可以不受影响地继续发送数据,优先级最高的节点,其数据等待时间小于134μs;can采用短帧传送,每帧信息都有差错校验,可靠性高,直接通信距离最远可达10km,而最高传输速率可达1mbit/s。由于can的多主结构在实时性、灵活性和可靠性方面具有突出的优点,非常适合电梯呼梯信号的通信。
2系统结构原理
电梯系统结构原理如图2—1所示。电力拖动部分主要由变频器、电机、减速机及旋转编码器等装置组成。变频器接收来自机房控制器的控制信号,和旋转编码器的脉冲反馈信号一起构成变压变频速度位置闭环控制,驱动电机牵引电梯轿厢平滑准确地运行和停靠。信号控制部分主要有3种控制器:机房控制器,层站控制器,轿厢控制器,从系统结构原理图可看出各控制器不分主从,以相同的方式与总线连接,均为挂在总线上的节点。各节点都可实时向总线发送信号,并接收总线上的信号。从而实现呼梯和显示信号的串行通信。
3节点控制器设计
基于can总线多主结构,3种控制器作为总线上的控制节点,其传送和接收信号的方式类似,故选用相同的单片机和总线收发器,根据控制信号的多少和种类不同相应地增减接口电路,构成结构类似的控制器。下面以轿厢控制器为例介绍节点控制器的硬件设计,电路原理图如图3—1所示。
总线控制器和收发器分别采用philips公司的p8xc592和pca82c250。p8xc592是用coms工艺制造的具有can功能的8位单片机,其指令集与80c51完全兼容。pca82c250是can控制器与物理总线的接口,可以提供对总线的差动发送和接收功能,能以1mbps的速率工作于恶劣的电气环境下。按can总线物理层协议,采用双绞线布线。p8xc592与pca82c250,以及pca82c250与总线的联接都通过两个串行口互联。p8xc592的p16/ctx0为can发送器输出端0,crx0和crx1为can总线至控制器差分输入比较器的输入端,分别与pca82c250的txd(发送数据输入端),rxd(接收数据输出端),vref(基准电压输出端)相连。p8xc592的p0口经锁存器74ls373接两片8255扩展口,8255(1)的pa,pb,pc共24个端口分别接收轿厢24个内选信号,按下任意一个按钮,通过或非门产生负脉冲经p8xc592的int0口形成外部中断,之后p8xc592调用中断服务程序依次读入24个端口的信号。当电梯层站数多于24个时,只需增加两片8255即可使控制层站数达到48个。p8xc592通过串口p1.6/ctx0将信号传到pca82c250的txd端;p26~p27口输出方向信号,用于点亮上下方向指示灯;p2.0~p2.5接两片译码驱动器mc14495与七段码显示器相连,用以显示层楼数。8255(2)的pa、pb、pc共24个端口分别输出登记记忆信号,用于点亮相应内选记忆指示灯。机房控制器定时发送方向和层站信号,而登记记忆信号则是机房控制器收到呼梯信号后,立即向总线发送。
4多主结构通信方式
4.1用户通信协议
本设计以24层站电梯为例,采用can 2.0a标准,该协议最大优点是废除了传统的站地址编码(如rs—485,它的站地址有5位编码,因而最多只能有32个网络节点),因此can没有节点地址的概念,代之以对通信数据块进行编码,支持以数据为中心的通信模式。当电梯层站数不同时,只需要在总线上增减层站控制器的节点数,并对相应的数据帧进行适当的修改。can上的节点数主要取决于总线驱动线路,当采用pca82c250时,最多可达110个,可用于107层以下电梯的控制。
数据帧如图4—1所示,包括7个部分:帧起始,仲裁场,控制场,数据场,crc序列,ack场,帧结束。仲裁场包括有报文标识符(11位)和远程发送申请位(rtr);控制场由6位组成,后4位为数据长度码,代表数据场字节数;传输信号每一帧数据长度为16位,低字节设为控制字,高字节用d8到d15 8位编码表示具体层楼数,控制字各位高电平时有效。例如,数据场为0801h,表示轿厢内选信号第8个按钮按下,0802h表示第8层站上行呼梯信号。
4.2多主广播方式
can总线采用多主结构。总线空闲时,任意节点均可发送数据,其它节点都可接收总线上的数据,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。另外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传收方式,无须专门调度。本文用接收码寄存器,接收码屏蔽寄存器实现报文滤波,使机房控制器接收总线上的一切信息,而层站控制器只接收机房控制器发出的信号,并且使不同层站可同时接收机房控制器的数据。这一点非常有用,在机房向各层站发送方向、层楼显示信号时采用广播方式,可极大地节省传输时间,提高传输效率,增强系统的实时性和可靠性。
4.3总线仲裁方式
报文标识符用于提供传送报文和总线访问优先权信息。当多个总线控制器同时发送报文时,为避免冲突需进行仲裁。仲裁期间,每个进行发送的p8xc592都将其发送位电平与监控总线电平进行比较。如果传送的数据和检测到的相同,该节点继续发送,如果发送一个隐性位而监视到一个显性位电平,那么该节点失去仲裁,放弃总线控制权,停止传送信息,p8xc592立即变成总线上较高优先权报文的接收器,而不破坏总线上的任何信息。数据场中的发送数据存贮在发送缓存器数据区中,同时,接收数据帧的数据将被存贮在接收缓存器中。每段报文包括一个唯一的标识符和报文中描述数据类型的rtr位。标识符和rtr位一起定义该报文的总线访问优先权。仲裁期间,标识符的最高位先被发送,而rtr位最后发送。标识符和rtr位对应二进制数据最低的报文具有最高的优先权。11位可以形成2032个不同的标识符,而24层站加机房、轿厢及远程监控机,其节点数总共为27个,采用标识符确定优先权绰绰有余。
4.4差错校验方式
总线采用位校验、位填充校验、循环冗余码校验(crc)和数据帧格式校验,数据出错概率一般在10-15以下,有效地保证了数据传输的正确性和可靠性。crc场包括crc序列和crc界定符,crc序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成,适用于位数小于127的帧,接收器以与发送器相同的方法计算crc。如结果与接收到的crc序列不相同,则检测出一个错误,检测到错误的节点将发送错误标志进行标定,出错标志从应答界定符后面一位开始发送。错误报文失效,并自动进行重发送。当节点出现重大故障时,可自动关闭总线,即当某一节点出错次数大于一定数量时,可自动退出总线操作,切断该节点与总线上其他节点之间的联系,使总线上其他节点的操作不受影响,使错误节点对总线的干扰降到最低程度。除crc校验之外,can还提供了其他检测措施包括:发送自检、位填充、报文格式检查等,可使未检出的剩余错误概率为报文出错率的4.7×10-11。极大提高系统的可靠性、安全性。
4.5程序设计
机房控制器的集选控制功能程序设计已在参考文献[2]中介绍。由于can为多主结构,各节点发送和接收方式类似,下面以轿厢控制器为例,给出程序流程图并加以说明。
轿厢控制器主程序流程图如图4—2所示。初始化开中断后,控制器接收机房回传的信息,判断控制字,确定数据内容,分别调用相应的子程序实现显示。当轿厢控制器接收到内选信号,由int0口产生中断并调用中断服务程序,将8255端口数据读入p8xc592,由pca82c250在总线空闲时发送,中断服务程序流程图如图4—3所示。
5结束语
采用多主结构控制方式经对一台24层站电梯进行改造,改造前原系统电梯呼梯信号采用点对点传输连接方式,除了端站只需一进一出两根信号线外,其余每个层站都需要二进二出4根信号线,即n1=(n-2)×4+2×2,其中n1为外呼信号数,n为层站数,对应24层站电梯n1为92。相应的轿厢内选信号为n2=n×2=48,而楼层显示需两位七段码加上两个方向指示则需16根线,加起来总共需要156根。采用can总线技术改造后,由p8xc592和pca82c250芯片构成了总线智能节点控制器,仅用4根连接线实现电梯机房、外呼和轿厢之间信号的串行通信,系统结构和连线简化,运行可靠性提高。经实
际使用,故障率明显降低,运行效果良好。
[参考文献]
[1]邬宽明can总线原理和应用系统设计[m].北京:北京航空航天大学出版社1996
[2]万健如,等.adp模块与单片机串行通信实现电梯的集选控制[j].制造业自动化,20019
[3]王兰勋,等.单片机扩展串行通信口的实现[j].河北大学学报2000,(20),(1)70-72