電梯控制系統(tǒng)CAN通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)電梯控制系統(tǒng)對(duì)分布式、實(shí)時(shí)性和模塊化的特點(diǎn)要求，設(shè)計(jì)了以AT91RM9200微處理器為核心、以MCP2510為CAN控制器的CAN通信節(jié)點(diǎn)，從硬件和軟件兩方面詳細(xì)敘述了如何進(jìn)行CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，并將其成功應(yīng)用在電梯控制系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)和抗干擾能力。
關(guān)鍵詞： CAN總線； CAN控制器； 智能節(jié)點(diǎn)； 電梯控制系統(tǒng)； MCP2510

　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）是一種非常典型的實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)控制的總線結(jié)構(gòu)。它將工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)大量的傳感器、電子控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等裝置互連，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確性、快實(shí)時(shí)性的控制。CAN（Controller Area Network）總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的多主串行總線，能將掛接在其上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制的目的。CAN 總線通信具有速度快 （最高可達(dá)1 Mb/s）、傳輸距離長(zhǎng)（最遠(yuǎn)可達(dá)10 km）和干擾小等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，被廣泛應(yīng)用于交通工具、智能樓宇、醫(yī)療儀器和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制等領(lǐng)域中[1]。
　CAN總線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多個(gè)智能裝置節(jié)點(diǎn)分別連接在總線上構(gòu)成局域網(wǎng)，進(jìn)行信息傳遞用以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。設(shè)備控制器連接到CAN總線主要是通過CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器。CAN控制器主要分為兩大類：一類直接集成在微控制器（MCU）上，即用于控制的MCU本身具有用于CAN總線通信的模塊；另一類則是獨(dú)立可編程CAN控制器芯片。前者不需另外擴(kuò)展CAN口，集成度較高，但價(jià)格較昂貴；后者配置靈活，MCU的選擇范圍不受限制，獨(dú)立的CAN控制器功能也更加完善。CAN總線驅(qū)動(dòng)器提供了CAN總線控制器與物理總線之間的接口，是影響系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一[2]。本文設(shè)計(jì)了以AT91RM9200微處理器為核心、以MCP2510為CAN控制器和以PCA82C250為總線驅(qū)動(dòng)器的CAN通信節(jié)點(diǎn)，并應(yīng)用于電梯控制系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)和抗干擾能力。
1 電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　電梯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。對(duì)于一個(gè)單梯系統(tǒng)，主要包括外呼控制器、內(nèi)選控制器和主控制器。外呼控制器分布于大樓各層電梯間內(nèi)，主要負(fù)責(zé)收集和向主控制器傳送乘客目的樓層的方向（上行或下行）信息，還負(fù)責(zé)顯示目的樓層方向和當(dāng)前電梯所在樓層等信息。內(nèi)選控制器位于電梯轎廂內(nèi)，主要負(fù)責(zé)收集和向主控制器傳送乘客目的樓層號(hào)（要去第幾層）信息，還負(fù)責(zé)顯示轎廂內(nèi)所有乘客的目的樓層號(hào)和當(dāng)前電梯所在樓層等信息。主控制器匯總接收到的外呼、內(nèi)選控制器的信息，依據(jù)規(guī)則進(jìn)行邏輯調(diào)度以控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)轎廂運(yùn)行接送乘客，同時(shí)發(fā)送電梯運(yùn)行信息給各外呼、內(nèi)選控制器去顯示，此外，主控制器還兼有其他的擴(kuò)展功能。外呼控制器、內(nèi)選控制器和主控制器通過CAN總線進(jìn)行信息傳遞，它把三者連成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了單部電梯系統(tǒng)整體控制。在該控制系統(tǒng)中，外呼控制器、內(nèi)選控制器和主控制器是分別作為節(jié)點(diǎn)掛接到CAN總線上的。單部電梯的內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　與傳統(tǒng)RS-485總線“主從”的工作方式相比，CAN總線采用“多主”的工作方式，把各個(gè)控制器看成網(wǎng)絡(luò)中平等自治的節(jié)點(diǎn)，相互協(xié)調(diào)完成總的控制任務(wù)，而且這樣的結(jié)構(gòu)也有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在CAN控制器的“多主”的工作方式中，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)（取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符）采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁方式競(jìng)爭(zhēng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，CAN協(xié)議廢除了站地址編碼而對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。采取“多主”的工作方式，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能根據(jù)本身的狀態(tài)是否發(fā)生變化來自主判斷是否發(fā)送信息，這樣與RS-485只能以主站輪詢的方式進(jìn)行通信相比，可以有效地減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，增加系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[3-4]。
　對(duì)于目前建筑物中比較常見的由多個(gè)電梯組成的多梯系統(tǒng)，由于要求其能夠在調(diào)度的性能上實(shí)現(xiàn)快速、高效、穩(wěn)定、節(jié)能，因此大多嵌入了一些優(yōu)化的電梯群控調(diào)度算法用以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。這就要求在各電梯獨(dú)立運(yùn)行的基礎(chǔ)上設(shè)置一個(gè)群控器用于綜合信息結(jié)合群控算法實(shí)現(xiàn)群組控制?？梢圆捎肅AN總線將各單梯的主控制器與另外的群組控制器及監(jiān)控設(shè)備等相連組成更高一級(jí)的CAN網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。如圖1中的外部群控CAN總線。
2 主控制器在CAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
2.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
　主控制器CAN節(jié)點(diǎn)硬件上主要包括MCU、CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器，CAN通信節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖如圖2所示。其由AT91RM9200通過SPI串行外設(shè)接口連接CAN控制器MCP2510進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，MCP2510負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)再通過光電耦合器6N137連接到CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250，最后掛在CAN網(wǎng)絡(luò)上與其他CAN通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。