基于飛思卡爾MK10N512微控制器及MQX操作系統(tǒng)的電梯主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：本文首先簡(jiǎn)要介紹飛思卡爾MK10N512微控制器以及MQX操作系統(tǒng)，然后詳細(xì)介紹基于它們的電梯主控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)介紹微控制器通信外設(shè)接口與總線接口的設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)從開發(fā)環(huán)境、軟件架構(gòu)、系統(tǒng)初始化、任務(wù)設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)、電梯控制運(yùn)行等方面來詳細(xì)論述。

　　前言

　　隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)電梯的需求從最初的提供大樓上上下下的運(yùn)輸服務(wù)，到現(xiàn)在的安全、舒適、可靠的乘坐體驗(yàn)。這對(duì)電梯控制的要求越來越高，以前的繼電器控制技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的需求。帶微處理器、微控制器的嵌入式控制系統(tǒng)已取代繼電器控制系統(tǒng)，成為當(dāng)今電梯主流控制系統(tǒng)。

　　1 主控芯片介紹

　　MK10N512是飛思卡爾公司提供的超低功耗、高數(shù)據(jù)安全性、高性能的ARM Cortex-M4微控制器系列芯片。ARM Cortex-M4內(nèi)核的SVCall和PendSV中斷非常適用于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的任務(wù)切換，內(nèi)置的系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍模塊能夠?yàn)閷?shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供系統(tǒng)時(shí)鐘。

　　MK10N512芯片具有1.71~3.6V寬工作電壓，閃存編程電壓低至 1.71 V;其最高工作頻率為100MHz，在此頻率下的處理性能達(dá)到125DMIPS，性能滿足電梯控制要求。MK10N512內(nèi)置512kB Flash ROM、128kB RAM內(nèi)部高速存儲(chǔ)器，更配置多功能外部總線接口FlexBus，方便擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器以及I/O。其通訊模塊包括2路CAN、5路UART、3路SPI通信模塊，滿足系統(tǒng)與外部通信及擴(kuò)展需求。內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊RTC，實(shí)現(xiàn)電梯主控系統(tǒng)記錄故障發(fā)生時(shí)間，方便現(xiàn)場(chǎng)工程人員跟蹤、解決故障。MK10N512的-40~105℃寬溫度特性更是符合電梯控柜較為惡劣的使用環(huán)境。

　　總體來說，MK10N512是一款符合電梯控制系統(tǒng)要求的、高性能、低成本、可靠性高的微控制器。

　　2 MQX操作系統(tǒng)介紹

　　MQX是飛思卡爾半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車電子及消費(fèi)電子的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。MQX采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，具有標(biāo)準(zhǔn)的API接口、模塊化架構(gòu)，支持DOS文件系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧和USB協(xié)議棧等，在實(shí)時(shí)性、裁減性和移植性上都具有較理想的性能。

　　MQX為免費(fèi)、開源操作系統(tǒng)，對(duì)飛思卡爾微控制器提供大量BSP、PSP包、范例應(yīng)用支持，使用飛思卡爾微控制器的用戶可免費(fèi)使用MQX操作系統(tǒng)，特別適合于基于飛思卡爾微控制器的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

　　MQX包含嵌入式操作系統(tǒng)的基本功能和自有功能，如任務(wù)管理、中斷管理、內(nèi)存管理、時(shí)間管理和日志管理等。MQX以組件(component)的形式來實(shí)現(xiàn)其功能，MQX組件可以分為核心組件和可選組件，如圖1^[1]所示。

　　圖1中心部分為核心組件，周圍環(huán)繞部分為可選組件。核心組件包括初始化組件(Initialization)、RR(Round Robin輪詢)&FIFO(先進(jìn)先出)調(diào)度組件(Scheduling)、輕量級(jí)信號(hào)量(lightweight semaphores)、核心內(nèi)存服務(wù)(Core memory services)等組件。可選組件包括任務(wù)管理(Task management)、格式化I/O(Formatted I/O)、中斷管理(interrupts)等。

　　3 電梯控制系統(tǒng)組成

　　電梯控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、召喚通信驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)以及門控系統(tǒng)組成，如圖2所示。主控系統(tǒng)是電梯控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理召喚，傳輸指令給電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)和門控系統(tǒng)，控制電梯運(yùn)行和開關(guān)門，檢測(cè)電梯故障等。召喚通信驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)把位于層站以及轎廂的召喚按鈕信號(hào)傳輸給主控系統(tǒng)。電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收主控系統(tǒng)的運(yùn)行指令，利用變頻技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。門控系統(tǒng)則負(fù)責(zé)接收主控系統(tǒng)的開關(guān)門指令，控制電梯自動(dòng)開關(guān)門。電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)和門控系統(tǒng)同時(shí)也會(huì)把自身的運(yùn)行狀態(tài)信息反饋給主控系統(tǒng)。下面詳細(xì)介紹主控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。