基于基于CAN总线和MCU实现数字化电梯系统的应用方案

1 引言

国民经济的飞速发展， 现代化程度日益提高，高层建筑愈来愈多， 电梯也随之增多， 电梯产品在人们物质文化生活中的地位得到了提高，成为重要的运输设备之一。国内传统的电梯控制一是由继电器、接触器构成。它不仅存在着可靠性差、成本高、故障率高等缺点，而且在层数增加时，配线变化给制造及安装带来诸多不变。若用微机来控制电梯具有许多优点，进而数字化电梯控制系统是发展的必然。数字化最大的优点之一是在信号的传输方面， 而且同时也将交换的功能联系在一起， 视频信号、音频信号、计算机数据都利用0、1 二进制代码在同一网络里传输和交换，这种以数字化为共同语言彼此相容和沟通的特性，使各种形式的信息传输速度大大加快，使得整个系统更加有效。本文旨在开发数字化电梯系统。

2 系统的总体结构

本系统中，以C167CS微控制器为基础，开发了数字化电梯系统。整个系统的结构如图1所示。它主要包括主控器、轿厢控制器、层站控制器、通讯模块及厅外呼叫部分。

主控器：是指控制相应电梯运行的控制器。它负责与各轿厢控制器、层站控制器相互通讯， 并发送控制指令来控制相应电梯的运行。通过采集到的各个电梯的状态及厅外呼叫来决定指派最优的电梯来进行工作。主控器控制变频器进行调速控制; 接收旋转编码器的输出的脉冲信号， 作为速度反馈信号; 具有RS-232接口， 以与其它设备相联接，以进行电梯的监控与调试。

轿厢控制器： 它控制单个电梯的运行， 并将电梯的运行状态及时传送到主控器，以便主控器发送指令来控制整个系统的运行。

层站控制器： 采集楼层召唤信号， 控制按钮灯的输出，并以滚动方式显示方向和楼层。基站的楼层控制器增设钥匙开关、消防运行开关输入功能，以实现电梯的开/ 停和消防运行，并通过CAN端口与总线相连接。

通讯模块： 采用CAN总线多主结构，来实现电梯主控器、层站控制器、外呼和轿厢之间控制信号的串行通信。

厅外呼叫及显示：在电梯的每层厅外都有呼叫选择部分， 它代表乘客的乘梯方向（如向上或向下） ，并给予相应的LED 显示。

系统工作原理： 各个轿厢控制器及层站控制器将采集到的信号发送到CAN总线， 主控器根据这些信号及相应的群控算法选择最优的电梯进行响应，结合专用线路上的安全信号、旋转编码器脉冲信号等发出选层、定向、变速和平层等指令， 控制轿厢的运行及门机的动作， 并将轿厢的位置信号发送到CAN总线上。显示模块则相应地进行LED显示。在数字化电梯系统的设计中关键部分是主控器中的群控算法及CAN总线通信的实现， 下面详细介绍此两部分的具体实现。

3 C167微控制器介绍

C167 单片机是80C166 系列中的一款高性能的微处理器。CPU时钟频率最高可达40MHz ， 片内ROM128K/256 K，片内RAM11K，寻址能力16M。采用4 级流水线，有56个中断（16个优先级） ，外设事件控制器PEC ，32 通道比较/ 捕捉单元，2 个通用定时器单元， 以及4 通道的PMW。多通道10位的A/D转换口，C167的I/O 接口多达111个，其串行I/ O接口有同步/异步接口UART、高速同步接口SSC。同时拥有CAN总线通信控制器模块， 可以支持高速串行通信协议CAN2.0B ， 即支持标准（11位ID） 和扩展（29位ID） 的通信协议。可编程外部总线可对不同地址范围进行不同的设置。

C167 单片机的集成度高、功能多、性能强。C167单片机的品种也比较多， 比如C167S、C167CR、C167CS等，这些单片机的I/O基本功能是相同的， 都是111根引脚， 只是片内RAM以及ROM大小有所不同。本文采用的单片机型号是C167CS， 图2 所示为C167CS的结构图。

C167CS 作为此C166的第三代产品， 允许使用高级语言对系统进行开发， 拥有高达16MB的寻址空间， 11KB的内部RAM（随机存取存储器） 和128KB 的内部ROM（只读存储器） ， 并且能够对使用外部总线的各类资源进行更系统的管理。

4 电梯系统的设计

4. 1 电梯控制算法实现

在传统的电梯群控制系统设计中， 通常只要满足一个性能标准，如：最佳速度、位置和最小时间等，就实行电梯的调度，这必然存在其局限性。由于传统算法的局限性，同时要满足多个目标是很困难的。将专家知识与经验规则运用到电梯系统中， 可以很好地提高电梯的性能。

由于在模糊逻辑控制系统中，多目标能够较容易地被融入到系统设计中去， 因此考虑采用模糊控制算法进行电梯的群控控制。在设计的电梯群控系统里，考虑下面的目标： ①使乘客的等待时间要尽量短; ②尽量减少乘客的长候梯率; ③使每个电梯的行程尽量短; ④合理分配电梯应答，防止聚堆和忙闲不均; ⑤选择能耗最省的方式。

在实际的电梯系统中， 同时考虑以下的限制条件： ①若有乘客在轿厢内，那么电梯不能响应相反的方向; ②每个电梯都有最大的承载能力， 若满载， 则电梯需直通，不响应外部呼叫; ③每部电梯是在一个恒定的速度下运行; ④每部电梯必须响应内呼。针对以上的目标，提出了基于等待时间、乘梯时间、乘客数量、停站次数和相对距离等5个参量的加权模糊算法。其方法的模型可以描述如下：

R1 ： if X1 is A1 then Yis B1

R2 ： if X2 is A2 then Yis B2

。 . 。 . 。 .

Rn ： if Xn is An then Yis Bn

式中， R1 ， R2 ， 。 . 。 . 。 . ， Rn 是指n 条模糊规则，X1 ，X2 ， 。 . 。 . 。 ，Xn 是指系统的输入，而Y是指系统的输出，A1 ，A2 ， 。 . 。 . 。 . ，An 和B1 ，B2 ， ， 。 . 。 . 。 . ，Bn 是系统的模糊变量。

对于每个单输入———单输出系统的输出值，求其加权值的和， 进而得到整个系统的输出值， 可以表示如下：

Y= W1B1 + W2B2 + .+ WnBn （1）

式中， W2 ， W2 ， 。， Wn 为各条规则的权值。此模型的具体结构如图3 所示。

对于n 部电梯，则有n 个输出值Y1 ，Y2 ，。 . 。 . 。 . ， Yn ， 而最终系统选择max（y i） { i = 1 ， 2 ， 。 . 。 . 。 . ， n} 作为输出，即选派此电梯来响应召唤。选择各个参量相应的隶属度函数和输出参量的隶属度函数及相应的权值，经过模糊算法即可实现电梯的调度。

4. 2 CAN通讯的实现

CAN 是一种新型的总线式串行通信网络，具有突出的实时性、灵活性和可靠性等优点， 可以很好地解决通讯问题。CAN通信具有如下的特点：CAN网络上的任一节点均可在任意时刻发送信息，同时接收总线上的信息，无主从之分; 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 当多点同时向总线发送报文时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级高的节点可以不受影响地继续发送数据，大大节省了总线冲突仲裁时间，增强了网络的实时性; 采用短帧传送， 每帧信息都有CRC校验及其他检错校验，可靠性高，直接通信能力可达最远10 km，速度可达1 Mbit/ s。可见，由于CAN的多主结构在实时性、灵活性、可靠性等方面具有的突出优点， 非常适合电梯呼梯信号的通信。

4. 2. 1 CAN接口设计

为了实现基于CAN的数据通信， 必须将各控制器的输入、输出转化为CAN标准。由于微控制器本身都带有两个CAN模块，因此只需选择CAN收发器即可。CAN总线的收发器采用 TJA1040 ，它是完全符合ISO 11898标准的控制器局域网CAN协议控制器和物理总线之间的接口， 速度可达1Mbaud。它有优秀的EMC性能，而且在不上电状态下有理想的无源性能，它还提供低功耗管理，支持远程唤醒。C167CS上的CAN模块通过一条串行数据输出线（CAN- TxD）和一条串行数据输入线（CAN-RxD） 连接到收发器。而收发器则通过它的两个有差动接收和发送能力的总线终端CANH和CANL连接到总线线路， 收发器使用5 V的额定电源电压。

4. 2. 2 帧格式的形式

CAN的实际通信是由硬件来自动实施的，硬件是按信息帧格式（主要有数据信息帧和远程信息帧） 来传递数据的。总线传送数据按信息帧来传送， 帧与帧之间由3个分离位来分离， 没有信息帧时，总线则处于空闲时间。数据信息帧的格式如图4 所示（扩展模式） 。

4. 2. 3 CAN控制实现

本系统中， 各控制节点信号传输时以扩展数据帧格式打包，以报文为单位进行数据传输。帧起始部分发送节点标识符并与其优先级相对应，其值越小，优先级越高，总线依据节点标识符进行仲裁，以协调对网络介质的访问。当多个节点同时向总线发送信息时， 优先权低的节点会主动退出发送， 而优先权高的节点可不受影响继续传输数据。数据场中的发送数据存贮在发送缓存器的数据区中，而接收的数据则被存在接收缓存器中。

主控制器CAN节点发送的是指派相应最优电梯轿厢运行方向和周边设备的启动信号;接收的数据是楼层召唤、轿内信号、门系统信号及称重信号等。楼层CAN节点发送的j 是楼层召唤信号;接收的是轿厢运行方向和相应的楼层。轿厢CAN 节点发送的是轿内信号; 接收的是轿厢运行方向和楼层信号。

在系统中，主控制器有最小的标识符，其余各控制器的优先级依重要性排列。CAN节点接收与发送数据均通过中断执行，在进入中断服务程序后，根据中断标志转入接收中断、发送中断、出错中断和唤醒中断。各节点设置节点状态字，主控制器定期查询其他节点状态字， 如发现有状态故障， 则系统报警， 并进行相应处理并恢复，使系统返回正常工作。

5 结论

系统中的电梯群控算法采用基于多规则加权的模糊控制算法， 提高了系统的运行效率。基于CAN总线的多主结构来实现各控制器间的串行通信，使得任一控制器所采集的信号对其他控制器完全实时共享， 利于实时控制， 同时使整个系统有良好的扩展能力。串行通信的使用简化了传统电梯通信的信号线， 大大方便了安装与维修， 提高了系统的稳定性。高性能微控制器的使用，也使系统的灵活性与可靠性得到了加，有良好的推广价值。

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