基于CAN總線的電梯主控系統(tǒng)

摘 要：為了升級(jí)現(xiàn)有電梯控制系統(tǒng)，給出了一種以LPC2294 為主控芯片的電梯主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。軟件上以搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS 為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電梯主控系統(tǒng)中的輸入采集、調(diào)度分配、CAN 通信、菜單輸出等任務(wù);硬件建立在LPC2294 基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了與變頻器互聯(lián)互通、編碼器脈沖反饋的采集、井道開關(guān)量的輸入輸出等。

1 引言

隨著城市化建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展，高層建筑和智能建筑大量涌現(xiàn)對(duì)電梯控制提出了許多新的要求，與此同時(shí)MCU 與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展為電梯控制系統(tǒng)不斷完善提供條件。由于現(xiàn)代電梯控制系統(tǒng)在安全性、穩(wěn)定性、人性化的要求不斷提高，對(duì)原有系統(tǒng)在通信方式和電機(jī)控制方式等方面進(jìn)行升級(jí)也顯得尤為必要。

在通信方式上，CAN 總線技術(shù)的引入改變了RS485 總線在電梯控制上只能構(gòu)造主從結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)、缺少總線仲裁與實(shí)時(shí)響應(yīng)效果不理想等方面的缺點(diǎn)，這也使得在現(xiàn)代電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，可以把一些井道開關(guān)量信號(hào)轎廂控制器來(lái)采集，然后通過CAN 通信把有效信號(hào)直接傳輸給主控系統(tǒng)，這樣就減少主控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，增加系統(tǒng)的安全性;在電機(jī)控制上，電梯控制系統(tǒng)經(jīng)歷了雙速系統(tǒng)、多段速系統(tǒng)與當(dāng)前采用的模擬量控制系統(tǒng)三個(gè)階段，使得乘客在乘坐電梯時(shí)舒適感逐步完美，電梯控制系統(tǒng)也得到了不斷改變并趨完善。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

現(xiàn)代電梯電氣系統(tǒng)由電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)組成(如圖1)。其中電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由曳引電動(dòng)機(jī)、速度反饋裝置(旋轉(zhuǎn)編碼器)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置(變頻器)和電源系統(tǒng)等部分組成;電氣控制系統(tǒng)又由電梯主控系統(tǒng)、外呼控制系統(tǒng)、轎廂顯示、門控制系統(tǒng)和外召系統(tǒng)等部分組成;安全保護(hù)系統(tǒng)由光幕、急停、門鎖、安全窗等組成。

圖1 電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電氣控制系統(tǒng)中電梯主控系統(tǒng)主要收集電梯井道限位信號(hào)和電梯外呼內(nèi)叫的呼梯信號(hào)，然后根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，與門控制系統(tǒng)和電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交互完成整個(gè)電梯的運(yùn)行控制。其在電梯的電氣控制系統(tǒng)中扮演了舉足輕重的作用。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括微控制器、CAN 通信模塊、光耦輸入、繼電器輸出、存儲(chǔ)器模塊、液晶顯示模塊、按鍵電路、電源模塊、復(fù)位模塊和JTAG模塊等。其硬件框圖如圖2 所示。

圖2 主控系統(tǒng)的模塊。

在主控系統(tǒng)中，外接了4 路CAN 總線收發(fā)器，分別連接到電梯外呼采集板、轎廂采集板、電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置(變頻器)、以及群控電梯板。主控系統(tǒng)與電梯電氣系統(tǒng)的其余子系統(tǒng)之間的通信。光耦輸入、繼電器輸出電路的功能主要是讓電梯主控系統(tǒng)采集井道限位信號(hào)和輸出井道限位;液晶顯示模塊和按鍵電路則是給電梯調(diào)試人員設(shè)計(jì)的調(diào)試接口，用來(lái)查看系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和改變系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù);而鐵電存儲(chǔ)器用來(lái)保存系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行參數(shù)。

2.1 微控制器模塊

LPC2294 是基于一個(gè)支持在線仿真和跟蹤的16/32 位ARM7TDMI-STM CPU,并帶有16KB 的SRAM 和256 KB 板級(jí)高速Flash 存儲(chǔ)器。128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16 位Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過30%,而性能的損失卻很小。

由于LPC2294 的144 腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32 位定時(shí)器、8 路10 位ADC、4 路CAN、PWM 通道以及多達(dá)9 個(gè)外部中斷使它們適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線。LPC2294 包含至少76(使用了外部存儲(chǔ)器)~至多112(單片)個(gè)GPIO口。由于內(nèi)置了高速的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及其它各種類型的應(yīng)用。

2.2 CAN 模塊電路

在電梯控制系統(tǒng)中，往往是一棟大樓中使用多臺(tái)電梯構(gòu)建一個(gè)由多臺(tái)電梯組成的群控系統(tǒng)。在一臺(tái)電梯控制系統(tǒng)內(nèi)部主控系統(tǒng)要與轎廂板、外召板之間進(jìn)行通信;在各電梯之間由群控板負(fù)責(zé)收集各臺(tái)電梯運(yùn)行狀態(tài)和電梯負(fù)載量然后根據(jù)相應(yīng)的算法進(jìn)行派梯，這樣就使得控制系統(tǒng)中的通信壓力較大。由于LPC2294 內(nèi)部帶有4 路CAN 控制器，使得該處理器很適合應(yīng)用于電梯控制系統(tǒng)中。

各路CAN模塊電路基本一致，從微控制器中CAN控制器上引出輸入/輸出引腳RD/TD 到CAN 收發(fā)器TJA1050 相應(yīng)的管腳上。為了減少終端反射對(duì)系統(tǒng)的影響，需要在每路CAN 總線的兩最遠(yuǎn)端各加上120Ω的終端電阻。從通信角度看，電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以主控系統(tǒng)為中心的CAN 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因而在主控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)，給每條CAN 總線的CANH 和CANL 之間添加上了120Ω的終端電阻是必要的。另外由于系統(tǒng)中的供電采用的是24V 的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用電，而這非電子元器件的承受電壓范圍，因而避免在工程施工中接線錯(cuò)誤對(duì)系統(tǒng)致命破壞，設(shè)計(jì)的時(shí)候在CANH 和CANL 口線上添加了TVS 管。如圖3 所示。

圖3 CAN 模塊電路。

CANH 和CANL 輸出到GND 的匹配電容C1 和C2 經(jīng)常被用于提高抗電磁干擾的性能。相應(yīng)噪聲源的阻抗和CANH 和CANL 對(duì)地的電容組成了一個(gè)RC低通濾波器，在抗干擾的性能的問題上電容的值應(yīng)該盡可能大，才能獲得低的角頻率。另一方面輸出級(jí)的整個(gè)電容負(fù)載和阻抗為數(shù)據(jù)信號(hào)建立了一個(gè)低通濾波器。因此相關(guān)的角頻率要比數(shù)據(jù)傳輸頻率高。這使電容值必須由節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和數(shù)據(jù)傳輸頻率決定。當(dāng)TJA1050 的輸出級(jí)阻抗大約是20Ω，總線系統(tǒng)有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，速度是500kbit/s 則電容的值不應(yīng)該超過470pF.

2.3 光耦輸入電路

在電梯電氣控制系統(tǒng)中主控系統(tǒng)為了電梯不發(fā)生安全事故，安全穩(wěn)定地運(yùn)行，因此要實(shí)時(shí)地從電梯安全保護(hù)系統(tǒng)中采集電梯井道信號(hào)。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求非常高的輸入開關(guān)量直接通過光耦輸入到主控系統(tǒng)，如開/關(guān)門限位、上/下強(qiáng)減、上/下限位、光幕、門鎖、抱閘反饋等開關(guān)量信號(hào)。另外為了減小輸入信號(hào)對(duì)微控制器的影響，在微控制器端對(duì)這些開關(guān)量信號(hào)，采用了光耦隔離其電路原理圖如圖4 所示。