CAN總線在電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

前言

隨著人們生活質(zhì)量的提高，智能大樓成為一種趨勢。而在智能大樓中，電梯的安全穩(wěn)定運行，是至關(guān)重要的。但是限制于資金與技術(shù)的力量，這一點很難保證。因此，對于及時發(fā)現(xiàn)電梯故障并迅速維修就顯得相當必要了。目前國內(nèi)的電梯服務(wù)水平大多仍局限于現(xiàn)場電梯出現(xiàn)了問題，通知維修中心，由維修中心派專人到現(xiàn)場勘查并排除故障。該情況存在的缺點是響應(yīng)速度慢，還需要現(xiàn)場派專人監(jiān)守。而電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)為提高電梯維保并及時做出反應(yīng)提供了有力工具。

目前國外的大型電梯企業(yè)都有了成熟的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)，但是，價位高是一項很高的阻礙，而且，他們的監(jiān)控系統(tǒng)只是針對自己的電梯開發(fā)，兼容性差。基于上述情況，我們開發(fā)了能適合不同類型電梯的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對于某個區(qū)域（一幢大樓，一群大樓，一個小區(qū)，一個城市，一個國家等）中安裝多部電梯，對這些電梯進行集中遠程監(jiān)控、管理、數(shù)據(jù)維護、統(tǒng)計、分析、故障診斷及救援。其目的是對在用電梯進行遠程數(shù)據(jù)維護，遠程故障診斷及處理，故障的早期診斷與早期排除，以及對電梯的運行性能及故障情況進行統(tǒng)計與分析，并在分析的基礎(chǔ)之上選擇合理的派梯方案。

系統(tǒng)的組成

電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)由3部分組成：數(shù)據(jù)采集卡，視頻監(jiān)控，監(jiān)控工作站組成，其總體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集卡（圖1中的CAN-232數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡）與電梯控制器中負責與監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換的電梯通訊卡通過CAN總線進行連接，布線方式采用總線式。如果總線長超過100米，那么在總線末端應(yīng)該接120歐的抑制信號反射的終端電阻。這兩個120Ω的電阻，對匹配總線阻抗起著相當重要的作用。忽略掉它們，會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信，這一點在現(xiàn)場已經(jīng)得到了驗證。數(shù)據(jù)采集卡通過RS232總線連接工作站的COM1口，與工作站進行數(shù)據(jù)通信。

圖1 系統(tǒng)的組成

攝像機安裝在監(jiān)控的電梯轎廂內(nèi)部，采集轎廂內(nèi)部的圖像。其視頻信號經(jīng)視頻線纜傳遞至視頻切換器。視頻切換器的切換由數(shù)據(jù)采集卡上的MCU控制其模擬開關(guān)來實現(xiàn)。MCU從工作站計算機的COM1口接收計算機發(fā)出的控制命令，然后根據(jù)命令控制模擬開關(guān)從多路視頻信號中進行選擇輸出。同時視頻切換器具有放大功能，延長視頻信號的傳輸距離，使工作站計算機獲得高質(zhì)量的圖像。切換器將選擇的視頻信號經(jīng)視頻線纜傳遞給視頻采集卡。視頻采集卡安裝在工作站計算機的PCI接口上，其主要作用是將攝像機的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號后傳遞給工作站計算機做進一步處理及存儲。

工作站接收數(shù)據(jù)采集卡以及視頻采集卡發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行處理并顯示電梯運行的狀態(tài)以及轎廂中的圖像，并在電梯發(fā)生故障時提供多種報警方式，同時把各種有用信息存入數(shù)據(jù)庫。這樣，用戶能夠通過工作站掌握電梯的狀態(tài)信息和電梯轎廂內(nèi)的圖像信息，并能查詢電梯的檔案信息，電梯運行的歷史事件庫，電梯曾經(jīng)發(fā)生過的故障信息，查詢電梯在歷史上某段時間內(nèi)的性能分析結(jié)果，打印報表等。

CAN總線介紹

數(shù)據(jù)傳輸通過CAN總線，CAN(Controller Area Network)總線是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信的局域網(wǎng)絡(luò)。由于其高性能、高可靠性、實時性好及其獨特的設(shè)計，已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。其主要特點：(1)多主總線，各節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點發(fā)送信息；(2)采用獨特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級高的節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足實時性要求；(3)具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；(4)CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個，并有CRC及其它校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低，萬一某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤，可自動脫離總線，總線上的其它操作不受影響；(5)通信距離遠達10km(5kb/s)，通信速率最高可達到1MB/s(40m)，節(jié)點數(shù)目實際可達110個，通信介質(zhì)采用雙絞線，也可用光纖；（6）CAN總線只有兩根導(dǎo)線，系統(tǒng)擴充時，直接將新節(jié)點掛接在總線上即可，系統(tǒng)易擴充，改型靈活。因此，CAN總線成為分布式計算機控制系統(tǒng)的理想總線。

目前，廣泛流行的CAN總線器件有兩類：一類是獨立的CAN控制器，如SJA1000及Intel82526／82527等；另一類是帶有CAN的微控制器，如P8xC592及16位微控制器87C196CA/CB等。SJA1000是一種獨立控制器用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制CAN它是PHILIPS半導(dǎo)體PCA82C200CAN控制器BasicCAN的替代產(chǎn)品而且它增加了一種新的工作模式PeliCAN，這種模式支持具有很多新特性的CAN2.0B協(xié)議。SJA1000的主要新功能

（1）標準結(jié)構(gòu)和擴展結(jié)構(gòu)信息的接收和傳送
（2）接收FIFO64字節(jié)
（3）在標準和擴展格式中都有單/雙接受過濾器含屏蔽和代碼寄存器
（4）讀/寫訪問的錯誤計數(shù)器
（5）可編程的錯誤限制報警
（6）最近一次的誤碼寄存器
（7）對每一個CAN總線錯誤的錯誤中斷
（8）由功能位定義的仲裁丟失中斷
（9）一次性發(fā)送當錯誤或仲裁丟失時不重發(fā)
（10）只聽模式，CAN總線監(jiān)聽無應(yīng)答無錯誤標志
（11）支持熱插拔，無干擾軟件驅(qū)動位速檢測
（12）硬件禁止CLKOUT輸出

數(shù)據(jù)傳輸及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

CAN-232轉(zhuǎn)換卡
這部分完成是數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、故障判斷、與工作站通訊以及控制視頻切換的功能。其中，CAN控制器選擇的是PHILIPS公司的SJA1000，收發(fā)器選用的是PAC82C250。信號隔離采用的是高速光電耦合器6N137。它接收電梯通訊卡發(fā)出的符合CAN協(xié)議格式的電梯狀態(tài)數(shù)據(jù)幀，然后將其轉(zhuǎn)換成標準的RS232格式的數(shù)據(jù)流傳送給工作站。由于各種電梯控制器的通訊協(xié)議不同，所以需要在數(shù)據(jù)傳送模塊中進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將電梯狀態(tài)信號的格式轉(zhuǎn)換成符合工作站軟件協(xié)議要求的數(shù)據(jù)格式，從而使監(jiān)控軟件可以兼容不同類型的電梯。

下面具體介紹采集卡與電梯通訊卡以及工作站的通信。

轉(zhuǎn)換卡與通訊卡通信過程
CAN總線為多主方式工作，在總線上可掛接110多個節(jié)點。因此，一塊采集卡可以連接最多110多部電梯的通訊卡。但在實際應(yīng)用中，考慮到監(jiān)控軟件的實時性，因此一部工作站監(jiān)控16部電梯，并為各部電梯賦予一個作為身份標識的站號（分別設(shè)置各部電梯的電梯通訊卡上的撥碼開關(guān)為1-16）。上位機監(jiān)控軟件每隔40ms采集一部電梯的數(shù)據(jù)，它首先發(fā)送該電梯的站號給采集卡，然后等待接收數(shù)據(jù)。采集卡接收到上位機發(fā)送來的站號，就將該站號填充到CAN幀的第一字節(jié)，并把這個只有一個數(shù)據(jù)字節(jié)的CAN幀發(fā)送到總線上去，然后等待接收該電梯發(fā)送的數(shù)據(jù)。

與采集卡相連接16塊電梯通訊卡，在初始化時，將地址接收碼與屏蔽碼設(shè)置為只接收采集卡發(fā)送的數(shù)據(jù)。當通訊卡接收到采集卡發(fā)來的站號后，與自己的站號相比較，如果不同則不予理睬，如相同則發(fā)送電梯狀態(tài)數(shù)據(jù)到總線上。而采集卡在初始化時設(shè)置未為接收所有通訊卡的數(shù)據(jù)，當他接收總線上的數(shù)據(jù)，確認是否是所采集的電梯發(fā)送來的數(shù)據(jù)，如果正確，則進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將從電梯通訊卡接收來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合上位機要求的格式；然后根據(jù)這些狀態(tài)信息，對電梯進行故障診斷，判斷電梯是否正常運行，如果不正常，則判斷發(fā)生了什么故障，或者可能會要發(fā)生什么故障，進行故障報警或預(yù)報警；故障判斷等處理后，將故障碼和其他數(shù)據(jù)一起發(fā)送給上位機，否則放棄這次操作。

在CAN總線通信中，初始化模塊較為重要，是一個重點，也是難點。在初始化時，首先進入復(fù)位模式，然后對CAN控制器的寄存器配置。但在實際中發(fā)現(xiàn)硬復(fù)位較可靠，只要時間足夠，一定能使CAN控制器進人復(fù)位狀態(tài)，但此時CAN控制器的某些寄存器的值不確定。軟復(fù)位正好相反，不一定能使CAN控制器進人復(fù)位狀態(tài)，但一旦進人復(fù)位狀態(tài)則CAN控制器的寄存器數(shù)值就為確定的復(fù)位值。在實際應(yīng)用中此兩種復(fù)位方法結(jié)合使用效果好。因此，在硬件電路中還設(shè)計了Watchdog電路，它同時還可以防止單片機死機或者程序出現(xiàn)“跑飛”現(xiàn)象發(fā)生。初始化程序流程圖如圖2所示，采集卡整體程序流程圖如圖3所示。

圖2 CAN總線初始化模塊


圖3 采集卡流程圖

轉(zhuǎn)換卡與工作站通信過程
采集卡與工作站之間通過RS-232總線進行通訊，MCU串口波特率為19200bs，工作站監(jiān)控軟件采用VisualBasic和SQL，將其MSComm控件的Settings屬性設(shè)置為“19200，E，8，1”。使用串口與工作站連接，從速率上可以滿足遠程監(jiān)控系統(tǒng)的要求，而且可以降低成本。如果使用基于PCI總線的CAN總線適配卡，盡管可以提高通信速率，但是也增加了不少成本，況且，還要將協(xié)議轉(zhuǎn)換和故障判斷的任務(wù)移交給上位機，增加了上位機的負擔，會影響整個系統(tǒng)的實時性。綜合比較，還是CAN-232的性價比較高，適合本系統(tǒng)的使用。監(jiān)控軟件每隔40ms可以得出如圖4的旋轉(zhuǎn)角=∠AOC和俯仰角=∠COB，為了使求出的角度與COMPASS得出的角度協(xié)調(diào)，以正北為零度來進行角度調(diào)制，角度范圍從0～359.9。

圖4

結(jié)論

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊合理，可以根據(jù)需要調(diào)整到半球任何的一個位置點。在本系統(tǒng)中，樣機的功率為1.5Ｗ，自重2.5kg，可以負載10kg的天線（本系統(tǒng)的天線中0.7kg），轉(zhuǎn)動速度為每秒4度。該樣機在工程試驗中跟蹤效果比較好，通過軟件來保證運行的可靠性，結(jié)果表明響應(yīng)特性符合要求，精度完全滿足實際需要。