基于ARM7嵌入式系統(tǒng)的電梯群控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前,大多數(shù)電梯公司的群控系統(tǒng)都是采用RS485總線進(jìn)行通信，但RS485采用主從式的通信方式,由主機(jī)發(fā)起呼叫，對應(yīng)的終端應(yīng)答，因此只能采取輪詢的通信方式，實(shí)時(shí)性差，一旦主機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓；而CAN總線在電梯群控系統(tǒng)中卻體現(xiàn)出更多的優(yōu)勢：CAN總線通信與RS485通信相比抗干擾能力更好；可連接較多的通信節(jié)點(diǎn)；通信速率更高；實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性高。

本文采用CAN總線來實(shí)現(xiàn)群控主機(jī)和各電梯之間的通信[2]。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)以ARM7為內(nèi)核，主頻達(dá)72 MHz的32 bit微處理器LPC2368作為群控主控制器,它有高達(dá)512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲器，具有在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）功能，同時(shí)LPC2368內(nèi)部集成了2個(gè)CAN控制器，CAN控制器提供了一個(gè)完整的CAN協(xié)議（遵循CAN規(guī)范V2.0 B）實(shí)現(xiàn)方案。包含這個(gè)片內(nèi)CAN控制器的微控制器用來構(gòu)建功能強(qiáng)大的局域網(wǎng)，支持極高安全級別的分布式實(shí)時(shí)控制，可以用在汽車、工業(yè)環(huán)境、高速網(wǎng)絡(luò)和低價(jià)位多路連線的應(yīng)用中。系統(tǒng)還選用了CAN總線收發(fā)器MPC2551，它可作為CAN控制器與物理總線接口，提供對總線的差動發(fā)送和接收能力。
2 通信模塊設(shè)計(jì)
2.1 通信模塊硬件實(shí)現(xiàn)
　本系統(tǒng)采用LPC2368內(nèi)部集成了的CAN控制器和高速CAN收發(fā)器MPC2551配合實(shí)現(xiàn)群控主機(jī)和各電梯之間的通信任務(wù)的，CAN模塊由2個(gè)部分組成：控制器和接收濾波器，所有的寄存器和RAM都作為32 bit的字來訪問。LPC2368的CAN控制器具有如下的特點(diǎn)：2個(gè)控制器和總線；支持11 bit和29 bit的標(biāo)識符；雙重接收緩沖器和三態(tài)發(fā)送緩沖器；可編程的錯(cuò)誤報(bào)警界限和可讀/寫訪問的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器；仲裁丟失捕獲和錯(cuò)誤代碼捕獲（帶有詳細(xì)的位位置）；單次觸發(fā)的發(fā)送（不會重復(fù)發(fā)送）；只聽模式（無應(yīng)答、無活動錯(cuò)誤標(biāo)志）；“自身”報(bào)文的接收（自接收請求）[3]。
　LPC2368的接收濾波器有如下的特點(diǎn)：快速硬件實(shí)現(xiàn)的搜索算法，支持大量的CAN標(biāo)識符；全局驗(yàn)收濾波器識別所有CAN總線的11 bit和29 bit Rx標(biāo)識符；允許11 bit和29 bit CAN標(biāo)識符的明確定義和分組定義；驗(yàn)收濾波器可以為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符提供FullCAN-style自動接收。
　高速CAN收發(fā)器MPC2551是一個(gè)可容錯(cuò)的高速CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線接口。MCP2551可為CAN協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合ISO-11898標(biāo)準(zhǔn)，包括能滿足24 V電壓要求。其工作速率高達(dá)1 Mb/s。典型情況下，CAN系統(tǒng)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須有一個(gè)器件，把CAN控制器生成的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為適合總線傳輸(差分輸出)的信號。它也為CAN控制器和CAN總線上的高壓尖峰信號之間加入了緩沖器，這些高壓尖峰信號可能是由外部器件產(chǎn)生(EMI、ESD和電氣瞬態(tài)等)。
　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路中，2個(gè)二極管D3與D4可有效地抑制傳輸介質(zhì)的浪涌干擾，由于電梯群控系統(tǒng)中存在多個(gè)CAN通信節(jié)點(diǎn)，因此本電路中加入了終端電阻跳線JP3，由用戶靈活地選擇是否在該節(jié)點(diǎn)處加入終端通信電阻，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CAN通信電路連接如圖1。

2.2 通信協(xié)議及通信軟件設(shè)計(jì)
2.2.1 CAN總線幀種類
　 CAN總線上傳輸?shù)男畔⒎Q為報(bào)文，報(bào)文傳輸按照幀結(jié)構(gòu)的不同，通常可表示為如下5種不同類型的幀：
(1)數(shù)據(jù)幀:用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀;
(2)遙控幀：用于接收單元向具有相同ID的發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的幀;
(3)錯(cuò)誤幀：用于當(dāng)檢測出錯(cuò)誤時(shí)向其他單元通知錯(cuò)誤的幀;
(4)過載幀：用于接收單元通知其尚未做好接收準(zhǔn)備的幀;
(5)幀間隔：用于將數(shù)據(jù)幀及遙控幀與前面的幀分離開來的幀。2.2.2 CAN報(bào)文格式
在總線中傳送的報(bào)文,每幀由7部分組成，CAN協(xié)議支持2種報(bào)文格式，其唯一的不同是標(biāo)識符(ID)長度不同,標(biāo)準(zhǔn)格式為11 bit,擴(kuò)展格式為29 bit[4]。標(biāo)準(zhǔn)格式幀的組成如圖2所示 。

在標(biāo)準(zhǔn)格式中,報(bào)文的起始位稱為幀起始(SOF),然后是由11 bit標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位(RTR)組成的仲裁段。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。
　 控制段包括標(biāo)識符擴(kuò)展位(IDE),指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括1個(gè)保留位 (ro),為將來擴(kuò)展使用。它的最后4個(gè)字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)的長度(DLC)。數(shù)據(jù)段范圍為0～8個(gè)字節(jié),其后有一個(gè)檢測數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查CRC段。
　ACK段用來確認(rèn)是否正常接收，由ACK槽(ACK Slot)和ACK界定符2個(gè)位構(gòu)成。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時(shí)正確接收報(bào)文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收到報(bào)文。
　 報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位,如果這時(shí)沒有站進(jìn)行總線存取,總線將處于空閑狀態(tài)。
2.2.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
　 由于在CAN總線中，標(biāo)識符(ID)的大小規(guī)定了各節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息的優(yōu)先級，ID號越小,發(fā)送優(yōu)先級越高，本系統(tǒng)中規(guī)定群控主控制器優(yōu)先級最高,因此設(shè)為0x01，其他電梯主控制器次之，設(shè)為0x11,依次類推。
　 本系統(tǒng)消息格式采用：目的ID號+命令+數(shù)據(jù)字節(jié)1+數(shù)據(jù)字節(jié)2＋……+數(shù)據(jù)字節(jié)6的格式，在LPC2368中，存放數(shù)據(jù)的寄存器是CANRDA、CANRDB，每個(gè)寄存器是4個(gè)字節(jié)，因此一條CAN消息最多可存放8個(gè)字節(jié)。本協(xié)議中，CANRDA對應(yīng)目的ID號、命令、數(shù)據(jù)字節(jié)1、數(shù)據(jù)字節(jié)2；CANRDB對應(yīng)數(shù)據(jù)字節(jié)3~6。
　目的ID號確定消息的發(fā)出源，當(dāng)目的ID號的內(nèi)容為0x00時(shí)，所對應(yīng)的消息是一條由主控制器發(fā)出的廣播消息，各節(jié)點(diǎn)均接收并分析。
　命令字節(jié)的內(nèi)容是協(xié)議的核心，由各命令組成，包括狀態(tài)命令、控制命令，通常與數(shù)據(jù)字節(jié)搭配使用。
2.2.4 通信軟件設(shè)計(jì)
　通信模塊軟件設(shè)計(jì)，首先要初始化CAN控制器，CAN控制器初始化主要實(shí)現(xiàn)CAN工作時(shí)的參數(shù)設(shè)置，這些初始化的內(nèi)容包括：硬件使能CAN、設(shè)置CAN報(bào)警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置CAN驗(yàn)收過濾器的工作方式、設(shè)置CAN控制器的工作模式等。初始化結(jié)束之后CAN模塊就可以進(jìn)入工作狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否空閑，如果有空閑發(fā)送緩沖區(qū)則將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入該發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)，再啟動發(fā)送命令，完成一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時(shí)，讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，同時(shí)釋放該接收緩沖區(qū)，完成一幀數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程如圖3所示。

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3 其他模塊設(shè)計(jì)
3.1 液晶顯示模塊
　液晶顯示模塊選用容量為2行16個(gè)字的液晶模塊，每個(gè)字以5×8點(diǎn)陣塊組成。本設(shè)計(jì)中群控主機(jī)對各電梯進(jìn)行監(jiān)控，通過液晶顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)電梯的狀態(tài)，包括各電梯的群控狀態(tài)、樓層狀態(tài)、運(yùn)行方向，同時(shí)對群控主機(jī)的各種參數(shù)設(shè)置也可以很清楚地在液晶模塊上顯示出來。
3.2 鍵盤模塊
鍵盤模塊采用了5個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)對群控參數(shù)、模式的設(shè)置，這5個(gè)按鍵分別對應(yīng)為：ESC、UP、DOWN、ROTA、ENT，各按鍵作用如下：ESC為返回鍵，返回主顯示界面；UP為上翻頁鍵，該按鍵可實(shí)現(xiàn)循環(huán)上選擇菜單。在參數(shù)設(shè)置中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字循環(huán)＋1,并實(shí)現(xiàn)ON/OFF、YES/NO、HIGH/LOW之間的切換。DOWN為下翻頁鍵，該按鍵可實(shí)現(xiàn)循環(huán)下翻頁選擇菜單。在參數(shù)設(shè)置中,實(shí)現(xiàn)數(shù)字循環(huán)－1，并實(shí)現(xiàn)ON/OFF、YES/NO、HIGH/LOW之間的切換。ROTA為右方向鍵，該按鍵可循環(huán)右移。在參數(shù)設(shè)置中，實(shí)現(xiàn)光標(biāo)移位。ENT為確認(rèn)鍵，在選中某菜單(即菜單在LCD上反白顯示）后，按Enter鍵進(jìn)入菜單，執(zhí)行相應(yīng)功能。
4 群控算法設(shè)計(jì)
4.1 模糊控制概念
模糊控制是建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，它將自然語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接受的算法語言,并模擬人的思維方法,對被控過程進(jìn)行有效的確定性的控制，它利用專家知識獲得各種控制規(guī)則,可以很好地處理電梯系統(tǒng)的多目標(biāo)性、隨機(jī)性和非線性[5]。所以本系統(tǒng)采用模糊控制理論來處理群控中電梯的調(diào)度問題。
4.2 群控模糊算法設(shè)計(jì)
　為了有效地調(diào)度電梯來滿足乘梯者的要求，提高乘客的舒適度和總體服務(wù)質(zhì)量，在電梯群控研究和應(yīng)用過程中，常常把減少乘客的平均候梯時(shí)間(AWT)、平均乘梯時(shí)間(ART)及能源消耗(RPC)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此在算法設(shè)計(jì)上通過模糊控制調(diào)整各評價(jià)因素(候梯時(shí)間、乘梯時(shí)間、能量消耗等)的權(quán)重系數(shù),從而確定最佳派梯方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電梯群控的高效性[6]。
本系統(tǒng)將AWT、ART及RPC作為電梯群控的優(yōu)化參數(shù)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過一個(gè)調(diào)度算法判斷出哪部電梯來響應(yīng)各廳層召喚。所以構(gòu)造一個(gè)評價(jià)函數(shù)，綜合以上評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)函數(shù)如式(1)所示：

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電梯群的高效穩(wěn)定運(yùn)行。