電梯串行通訊系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方案

電梯工作現(xiàn)場(chǎng)往往存在大量的干擾源，電梯控制系統(tǒng)一旦因干擾而產(chǎn)生故障，很可能釀成嚴(yán)重的后果。因此，在電梯串行通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，如何增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力、提高系統(tǒng)工作的可靠性是一個(gè)不容忽視的重要內(nèi)容。

　　1 可靠性的基本概念

　　可靠性是產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)。其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。其中規(guī)定條件是指產(chǎn)品工作時(shí)所處的環(huán)境條件、維護(hù)條件、使用條件等;規(guī)定時(shí)間是指產(chǎn)品能夠正常工作的起止時(shí)間;規(guī)定功能則是指產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)的功能。衡量產(chǎn)品可靠性的常用量化指標(biāo)主要有：可靠度、失效率、平均壽命、平均維修時(shí)間和利用率等。

　　在電梯串行通訊系統(tǒng)中，故障應(yīng)當(dāng)都是可以修復(fù)的，因此其平均壽命的確切含義應(yīng)當(dāng)是平均故障間隔時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failure)。另一個(gè)重要指標(biāo)則是故障平均修復(fù)時(shí)間MTTR(Mean Time To Repair)。

　　2 保證電梯串行通訊系統(tǒng)可靠性的方法

　　2.1 提高系統(tǒng)各單元的MTBF

　　根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)的有關(guān)理論，單元越簡(jiǎn)單，可靠性就越高。因此，電梯串行通訊系統(tǒng)最好設(shè)計(jì)成集散控制系統(tǒng)，即將整個(gè)系統(tǒng)分解為多個(gè)自律性極強(qiáng)的獨(dú)立單元，每一單元都比較簡(jiǎn)單，可靠性大為提高。而且當(dāng)某一單元發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。此外，結(jié)構(gòu)上的分散也就意味著控制的分散、供電的分散、負(fù)荷的分散和干擾的分散，因此從根本上分散了影響系統(tǒng)可靠性的外部因素，從而保證系統(tǒng)能夠達(dá)到很高的MTBF。

　　目前在電梯串行通訊技術(shù)中占主導(dǎo)地位的是主從結(jié)構(gòu)的BITBUS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它采用RS-485總線，通訊結(jié)構(gòu)為命令、響應(yīng)式。其潛在的危險(xiǎn)就是采用了集中控制方式，一旦主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓，而具有多主結(jié)構(gòu)的CANBUS總線卻可以克服上述缺點(diǎn)。它可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)可以在任一時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，因此可以很方便地構(gòu)成冗余(容錯(cuò))系統(tǒng)。CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及檢錯(cuò)措施，而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重時(shí)具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，使總線上其它操作不受影響，具有很高的可靠性。因此，采用CANBUS總線很容易構(gòu)成“集中管理、分散控制”的集散控制系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見在不遠(yuǎn)的將來(lái)，CANBUS將逐漸取代BITBUS，成為電梯串行通訊系統(tǒng)中的主流產(chǎn)品。

　　另外，在硬件電路板制作時(shí)，對(duì)所用元器件應(yīng)嚴(yán)格篩選，選用具有低失效率的器件，對(duì)某些重要的元器件進(jìn)行降級(jí)使用，元件在使用前進(jìn)行老化處理使之進(jìn)行偶然失效期等，從而在元件級(jí)很大程序地保證系統(tǒng)高可靠性。

2.2 降低系統(tǒng)各單元的MTTR

　　采用CANBUS總線的電梯串行通訊系統(tǒng)由于采用了模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊功能簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，在發(fā)生故障時(shí)便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障位置，迅速更換，有利于縮短系統(tǒng)的平均維修時(shí)間MTTR，從而提高系統(tǒng)的利用率。此外，還應(yīng)開發(fā)使用在線快速排除故障的設(shè)計(jì)方法，使用硬件自診斷和故障部件的自動(dòng)隔離、自動(dòng)恢復(fù)和熱機(jī)插撥技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，通過硬件自診斷機(jī)能和測(cè)度機(jī)能檢出后，迅速進(jìn)行自我故障排除，若不能排除，則迅速報(bào)警，并將故障信息顯示于控制柜操作面板。

　　2.3 冗余與容錯(cuò)設(shè)計(jì)

　　容錯(cuò)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是承認(rèn)各單元發(fā)生故障的可能，進(jìn)而設(shè)法保證即使某單元發(fā)生故障，系統(tǒng)仍能正常工作。為使系統(tǒng)具有容錯(cuò)能力，必須在系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)娜哂鄦卧?，保證當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)能由冗余單元接替其工作，原單元修復(fù)后再恢復(fù)出錯(cuò)前的狀態(tài)。所以容錯(cuò)與冗余是同時(shí)使用的技術(shù)。

　　對(duì)于采用主從結(jié)構(gòu)的BITBUS總線的電梯串行通訊系統(tǒng)，如果進(jìn)行冗余容錯(cuò)就必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行冗余，這顯然很復(fù)雜且很不經(jīng)濟(jì)。而對(duì)于采用多主結(jié)構(gòu)的 CANBUS網(wǎng)絡(luò)的電梯串行通訊系統(tǒng)，由于各單元的相對(duì)獨(dú)立和相對(duì)簡(jiǎn)化，使得冗余容錯(cuò)比較容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還便于在冗余時(shí)突出重點(diǎn)(如電梯操縱箱)，減少不必要的冗余，從而使系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

　　在采用CANBUS網(wǎng)絡(luò)的電梯串行通訊系統(tǒng)中，為提高控制系統(tǒng)的可靠性，還可以設(shè)計(jì)2臺(tái)控制柜主電腦，互為備用地執(zhí)行監(jiān)控任務(wù)，好構(gòu)成雙機(jī)冗余系統(tǒng)。其中1臺(tái)作為主機(jī)投入系統(tǒng)運(yùn)行，另一臺(tái)作為備份機(jī)也處于通電狀態(tài)。當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，專用程序切換裝置便自動(dòng)地把備份機(jī)切入系統(tǒng)運(yùn)行，承擔(dān)起主機(jī)的任務(wù)。而故障排除后，原主機(jī)則轉(zhuǎn)為備份機(jī)，處于待命狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)方式對(duì)于單梯運(yùn)行可能要增加些成本，而對(duì)于并聯(lián)或群控梯，則在不增加任何硬件成本的前提下，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

　　2.4 診斷技術(shù)

　　診斷技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種檢測(cè)技術(shù)。所謂診斷，就是將測(cè)試取得的診斷信號(hào)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)相比較，或利用事先確定的征兆與故障之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)確定故障的種類和部位，進(jìn)而達(dá)到排除故障甚至預(yù)防故障的目的。

　　例如，對(duì)于電梯串行通訊系統(tǒng)中的單片機(jī)，受外界干擾時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生程序彈飛這一問題，可以設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時(shí)器來(lái)監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間稍大于主程序正常運(yùn)行1個(gè)循環(huán)的時(shí)間，而在主程序正常運(yùn)行過程中執(zhí)行1次定時(shí)器時(shí)間常數(shù)刷新操作，這樣，只要程序正常運(yùn)行，定時(shí)器就不會(huì)出現(xiàn)定時(shí)中斷，而當(dāng)程序彈飛或失常時(shí)，則因無(wú)法按時(shí)刷新定時(shí)器時(shí)間常數(shù)而導(dǎo)致定時(shí)中斷，利用定時(shí)中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)復(fù)位。

　　3 串行通訊系統(tǒng)硬件抗干擾措施

　　電梯串行通訊系統(tǒng)中的元器件由于經(jīng)過篩選和老化處理，因此可靠性很高，平均無(wú)故障間隔時(shí)間MTBF很長(zhǎng)，因此引起控制系統(tǒng)故障的原因多半不在于其本身，而在于從各種渠道進(jìn)入控制系統(tǒng)的干擾信號(hào)。電梯工作現(xiàn)場(chǎng)的干擾一般都是以脈沖的形式進(jìn)入微處理器，干擾竄入系統(tǒng)的渠道有3條：空間干擾、過程通道干擾和供電系統(tǒng)干擾。為減少系統(tǒng)的錯(cuò)誤和故障，提高系統(tǒng)的可靠性，就必須采用抗干擾措施，提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。

　　3.1 3種常見的干擾及其抑制

　　3.1.1 串模干擾

　　串模干擾是串聯(lián)于信號(hào)源回路中的干擾，也稱橫向干擾或正態(tài)干擾。產(chǎn)生串模干擾的原因有分布電容的靜電耦合，長(zhǎng)線傳輸?shù)幕ジ?，空間電磁場(chǎng)引起的磁場(chǎng)耦合以及50Hz工頻的高次諧頻干擾等。用雙絞線作為電梯串行通訊系統(tǒng)中的信號(hào)引線，不但可以降低成本，而且可以有效地抑制串模干擾。這是由于雙絞線中每個(gè)絞線環(huán)繞向的互反特征，從而使各個(gè)小環(huán)路的電磁感應(yīng)互相抵消。另外，采用低通濾波器可以有效地抑制電源高次諧波。

　　3.1.2 共模干擾

　　共模干擾是由于微處理器、放大器地和信號(hào)源地之間的電位差而產(chǎn)生的干擾，也稱為縱向干擾或共態(tài)干擾。

　　在平衡傳輸中，對(duì)于采用差動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)的接收單元而言，共模干擾不起作用;但是在不平衡傳輸結(jié)構(gòu)中，共模干擾將會(huì)轉(zhuǎn)為差模干擾而對(duì)接收單元造成影響，而且不平衡程度越大，影響就越嚴(yán)重[1]。

　　共模干擾的抑制措施主要有如下3種：變壓器隔離、光電隔離和浮地屏蔽。變壓器隔離就是利用變壓器將模擬信號(hào)電路與數(shù)字信號(hào)電路隔離開來(lái)。光電隔離是利用光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電路系統(tǒng)間的隔離。浮地屏蔽是采用浮地隔離式放大器來(lái)抑制共模干擾電壓。相比較而言,光電隔離體積小,成本低,實(shí)現(xiàn)比較容易,應(yīng)用廣泛。例如，在采用CANBUS網(wǎng)絡(luò)的電梯串行通訊系統(tǒng)中，CAN控制器PCA82C200與CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250之間加接了高速光耦芯片 6N137來(lái)實(shí)現(xiàn)光電隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力.

　　信號(hào)從6N137的輸入端引腳輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳送到光敏二極管，反向偏置的光敏管經(jīng)光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流—電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的有關(guān)輸入端，與門的另一個(gè)輸入端為使能端。當(dāng)使能端為高電平時(shí)，與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當(dāng)輸出信號(hào)電源小于觸發(fā)閥值且使能端為低時(shí)，輸出高電平，但這個(gè)邏輯高是極電集開路的，可針對(duì)接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。這樣就實(shí)現(xiàn)了CAN總線和CAN控制器之間的隔離，避免了CAN總線上的通訊干擾影響CAN控制器的工作。

　　3.1.3 長(zhǎng)線傳輸干擾

　　信號(hào)在長(zhǎng)線傳輸中會(huì)遇到3個(gè)問題：一是長(zhǎng)線傳輸易受到外界干擾，二是具有信號(hào)延時(shí)，三是高速變化的信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。采用終端或始端阻抗匹配，可以消除長(zhǎng)線傳輸中的波反射或把它抑制到最低限度，采用雙絞線作為信號(hào)線可以部分抑制外界信號(hào)干擾。

　　3.2 接地技術(shù)

　　接地是抗干擾措施中的關(guān)鍵步驟，因此對(duì)接地必須慎重處理。下面針對(duì)電梯串行通訊系統(tǒng)的特點(diǎn)并結(jié)合筆者的個(gè)人體會(huì)，給出一些接地方法。

　　3.2.1 電路板內(nèi)的信號(hào)地

　　電路板內(nèi)的信號(hào)地分為如下兩種情況：

　　(1)對(duì)于采用了諸如模擬放大器、模擬開關(guān)、D/A轉(zhuǎn)換器等高精度模擬器件的電路板，接地必須嚴(yán)格要求。主要有：所有模擬器件(包括可能的輸入/輸出)的接地端必須單點(diǎn)并聯(lián)接地，各地線應(yīng)盡量放寬，絕對(duì)避免串聯(lián)接地形成的環(huán)路。

　　(2)對(duì)于純數(shù)字電路的電路板，各器件可以允許多點(diǎn)接地，但地線應(yīng)盡可能粗，并盡量減少串聯(lián)接地的情況。尤其對(duì)于高頻信號(hào)器件，電路中應(yīng)采用大面積直接接地，以減少電路間的相互影響。

　　3.2.2 模擬量輸入信號(hào)與屏蔽的接地

　　(1)如果信號(hào)源不接地，差分放大電路端接地，則屏蔽體應(yīng)在放大器端接地，且接地應(yīng)保證從放大器到大地的電阻小于1W。(2)如果信號(hào)源端須接地，差分放大器端不接地，則屏蔽體應(yīng)在信號(hào)源接地。(3)如果信號(hào)源端與差分放大電路端都必須接地，則對(duì)信號(hào)必須采用變壓器或光電隔離等措施，且屏蔽體在信號(hào)源端接地。(4)如果可以選擇在信號(hào)源端或放大電路端接地，則可將信號(hào)線與屏蔽層在信號(hào)源處接地。4 串行通訊系統(tǒng)軟件的可靠性設(shè)計(jì)

　　4.1 利用軟件提高系統(tǒng)可靠性

　　電梯串行通訊系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，因此系統(tǒng)的可靠性也分硬件可靠性和軟件可靠性兩個(gè)方面。通過提高元器件的質(zhì)量，采用冗余設(shè)計(jì)，進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，增設(shè)抗干擾裝置等措施，能夠提高硬件的可靠性。但是，要讓整個(gè)系統(tǒng)得到理想的可靠性上述措施還顯不夠，還要利用軟件來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。利用軟件提高系統(tǒng)可靠性的措施主要有下面幾種。

　　4.1.1 設(shè)置自檢程序

　　系統(tǒng)開機(jī)后先對(duì)硬件進(jìn)行自檢，如硬件有故障，系統(tǒng)則停止運(yùn)行并報(bào)警。另外，各節(jié)點(diǎn)微處理器內(nèi)部設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志，程序運(yùn)行時(shí)不斷查詢這些狀態(tài)標(biāo)志，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。

　　4.1.2 指令冗余法

　　微處理器受干擾后，往往會(huì)把操作數(shù)當(dāng)操作碼來(lái)執(zhí)行，使程序的正確執(zhí)行順序被打亂且亂飛，即程序彈飛。若程序彈飛到某條單字指令上，則可自動(dòng)納入正軌;當(dāng)程序彈飛到某條雙字節(jié)指令上時(shí)，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯(cuò);當(dāng)程序彈飛到3字節(jié)指令上時(shí)，因它有2個(gè)操作數(shù)，出錯(cuò)的幾率更大。

　　因此編程時(shí)應(yīng)盡量多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)指令(NOP)，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)書寫，這便是指令冗余。指令冗余無(wú)疑會(huì)降低微處理器的工作效率，但在絕大多數(shù)情況下，微處理器還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程度。

　　4.1.3 設(shè)置軟件陷阱

　　在非程序區(qū)設(shè)置一些陷阱程序。正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)進(jìn)入非程序區(qū)，當(dāng)程序彈飛時(shí)就可能遇到這些陷阱，在陷阱處強(qiáng)令程序進(jìn)入初始狀態(tài)，避免出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。例如對(duì)于MC5-51系列單片機(jī)，可利用“LJMP #0000H”和“JB bit,aa”指令，在非程序區(qū)反復(fù)用 0200000002000000……H填滿。這樣不論程序計(jì)數(shù)器PC失控后指向哪一字節(jié)，最后都能讓程序回到復(fù)位狀態(tài)。

　　4.1.4 看門狗定時(shí)復(fù)位技術(shù)(WATCHDOG)

　　WATCHDOG可這樣設(shè)置：本身獨(dú)立工作，基本不依賴于CPU，CPU在1個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)和該系統(tǒng)打1次交道，以表明系統(tǒng)工作正常并封鎖復(fù)位信號(hào)。當(dāng)CPU陷入死循環(huán)后，則因超過規(guī)定的時(shí)間間隔而啟動(dòng)復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位。此外，前面介紹的監(jiān)視跟蹤定時(shí)器也屬于一種WATCHDOG。

　　4.1.5 輸入輸出信號(hào)的抗干擾技術(shù)

　　電梯串行通訊系統(tǒng)的輸入干擾主要來(lái)自于各層呼梯按鈕和轎內(nèi)操縱按鈕，由于干擾信號(hào)一般為持續(xù)時(shí)間很短的尖脈沖，因此在滿足采樣要求的前提下，將采樣延時(shí)一定時(shí)間(一般50ms以上)，等輸入信號(hào)穩(wěn)定后再進(jìn)行取樣并輸入微處理器，即可消除輸入干擾。因?yàn)楦蓴_是隨機(jī)的，所以對(duì)于輸出干擾，編程時(shí)可以采取重復(fù)輸出的辦法加以克服。即在數(shù)據(jù)或控制信號(hào)輸出后，以最短的周期重復(fù)輸出原來(lái)的信息，這樣當(dāng)電梯控制系統(tǒng)接受到一個(gè)被干擾錯(cuò)誤信息后，還未來(lái)得及作出有效的反應(yīng)，錯(cuò)誤信息就已被糾正。當(dāng)然，如果對(duì)電梯控制系統(tǒng)的所有輸出信號(hào)都進(jìn)行重復(fù)輸出的話，難免會(huì)降低電梯控制系統(tǒng)的效率，但是，對(duì)于一些關(guān)鍵的輸出，如起動(dòng)、開閘、減速、平層、下閘、停車、開關(guān)門等命令，采用重復(fù)輸出將可大大提高電梯控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。

　　4.2 提高軟件的可靠性

　　雖然利用軟件可提高系統(tǒng)的可靠性，但是由于種種原因，軟件本身也會(huì)發(fā)生故障，因此應(yīng)采取措施，提高軟件的可靠性。

　　4.2.1 程序分段和層次結(jié)構(gòu)

　　在進(jìn)行程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將程序分成若干具有獨(dú)立功能的子程序塊。各子程序可單獨(dú)也可和其它程序一起使用，各子程序之間通過一個(gè)固定的通訊區(qū)和一些指定的單元進(jìn)行通訊。每個(gè)程序塊能分別進(jìn)行調(diào)整而不影響其它程序塊。這些各自獨(dú)立的程序塊在連接時(shí)，盡量減少程序之間的依賴關(guān)系，按層次排列，而各程序塊具有獨(dú)立功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于修改和擴(kuò)充，故障少。

　　例如，對(duì)于CANBUS通訊程序，就可分成下面3個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。①PCA82C200發(fā)送接收數(shù)據(jù)時(shí)能否產(chǎn)生中斷。調(diào)試時(shí)通過仿真器讀取 PCA82C200中斷寄存器的中斷字即可。②通訊程序能否正常執(zhí)行設(shè)定的命令。這牽涉到設(shè)定命令的具體情況，需分情況作出相應(yīng)的判斷。③通訊程序錯(cuò)誤處理能力和解決總線沖突能力的測(cè)試。這可以通過故意設(shè)置通訊錯(cuò)誤和頻繁通訊來(lái)檢驗(yàn)。

　　4.2.2 提高程序的可測(cè)試性設(shè)計(jì)

　　軟件故障具有和硬件不同的特點(diǎn)，軟件故障往往是在設(shè)計(jì)階段，由人為錯(cuò)誤或者在運(yùn)行初期輸入程序時(shí)的操作錯(cuò)誤而引起。這種存在程序中的錯(cuò)誤，必須通過反復(fù)測(cè)試才能發(fā)現(xiàn)。因此，必須進(jìn)行提高軟件可測(cè)試性設(shè)計(jì)，使軟件便于測(cè)試。