基于C167CS微控制器的數(shù)字化電梯系統(tǒng)

摘要: 基于C167CS 微控制器設計了數(shù)字化電梯系統(tǒng), 該系統(tǒng)中利用多規(guī)則加權的模糊控制算法進行群控控制,以CAN總線多主方式實現(xiàn)各控制器間的串行通信。該系統(tǒng)提高了電梯的運行效率,并增強了電梯運行的實時性控制,系統(tǒng)的靈活性與可靠性得到了提高。
關鍵詞: 數(shù)字化電梯; C167CS; 模糊控制; CAN總線

1 引言

國民經濟的飛速發(fā)展, 現(xiàn)代化程度日益提高,高層建筑愈來愈多, 電梯也隨之增多, 電梯產品在人們物質文化生活中的地位得到了提高,成為重要的運輸設備之一。國內傳統(tǒng)的電梯控制一是由繼電器、接觸器構成。它不僅存在著可靠性差、成本高、故障率高等缺點,而且在層數(shù)增加時,配線變化給制造及安裝帶來諸多不變。若用微機來控制電梯具有許多優(yōu)點,進而數(shù)字化電梯控制系統(tǒng)是發(fā)展的必然。數(shù)字化最大的優(yōu)點之一是在信號的傳輸方面, 而且同時也將交換的功能聯(lián)系在一起, 視頻信號、音頻信號、計算機數(shù)據(jù)都利用0、1 二進制代碼在同一網(wǎng)絡里傳輸和交換,這種以數(shù)字化為共同語言彼此相容和溝通的特性,使各種形式的信息傳輸速度大大加快,使得整個系統(tǒng)更加有效。本文旨在開發(fā)數(shù)字化電梯系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的總體結構

本系統(tǒng)中,以C167CS微控制器為基礎,開發(fā)了數(shù)字化電梯系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的結構如圖1所示。它主要包括主控器、轎廂控制器、層站控制器、通訊模塊及廳外呼叫部分。


主控器:是指控制相應電梯運行的控制器。它負責與各轎廂控制器、層站控制器相互通訊, 并發(fā)送控制指令來控制相應電梯的運行。通過采集到的各個電梯的狀態(tài)及廳外呼叫來決定指派最優(yōu)的電梯來進行工作。主控器控制變頻器進行調速控制; 接收旋轉編碼器的輸出的脈沖信號, 作為速度反饋信號; 具有RS-232接口, 以與其它設備相聯(lián)接,以進行電梯的監(jiān)控與調試。

轎廂控制器: 它控制單個電梯的運行, 并將電梯的運行狀態(tài)及時傳送到主控器,以便主控器發(fā)送指令來控制整個系統(tǒng)的運行。

層站控制器: 采集樓層召喚信號, 控制按鈕燈的輸出,并以滾動方式顯示方向和樓層。基站的樓層控制器增設鑰匙開關、消防運行開關輸入功能,以實現(xiàn)電梯的開/ 停和消防運行,并通過CAN端口與總線相連接。

通訊模塊: 采用CAN總線多主結構,來實現(xiàn)電梯主控器、層站控制器、外呼和轎廂之間控制信號的串行通信。

廳外呼叫及顯示:在電梯的每層廳外都有呼叫選擇部分, 它代表乘客的乘梯方向(如向上或向下) ,并給予相應的LED 顯示。

系統(tǒng)工作原理: 各個轎廂控制器及層站控制器將采集到的信號發(fā)送到CAN總線, 主控器根據(jù)這些信號及相應的群控算法選擇最優(yōu)的電梯進行響應,結合專用線路上的安全信號、旋轉編碼器脈沖信號等發(fā)出選層、定向、變速和平層等指令, 控制轎廂的運行及門機的動作, 并將轎廂的位置信號發(fā)送到CAN總線上。顯示模塊則相應地進行LED顯示。在數(shù)字化電梯系統(tǒng)的設計中關鍵部分是主控器中的群控算法及CAN總線通信的實現(xiàn), 下面詳細介紹此兩部分的具體實現(xiàn)。

3 C167微控制器介紹

C167 單片機是80C166 系列中的一款高性能的微處理器。CPU時鐘頻率最高可達40MHz , 片內ROM128K/256 K,片內RAM11K,尋址能力16M。采用4 級流水線,有56個中斷(16個優(yōu)先級) ,外設事件控制器PEC ,32 通道比較/ 捕捉單元,2 個通用定時器單元, 以及4 通道的PMW。多通道10位的A/D轉換口,C167的I/O 接口多達111個,其串行I/ O接口有同步/異步接口UART、高速同步接口SSC。同時擁有CAN總線通信控制器模塊, 可以支持高速串行通信協(xié)議CAN2.0B , 即支持標準(11位ID) 和擴展(29位ID) 的通信協(xié)議?？删幊掏獠靠偩€可對不同地址范圍進行不同的設置。
C167 單片機的集成度高、功能多、性能強。C167單片機的品種也比較多, 比如C167S、C167CR、C167CS等,這些單片機的I/O基本功能是相同的, 都是111根引腳, 只是片內RAM以及ROM大小有所不同。本文采用的單片機型號是C167CS, 圖2 所示為C167CS的結構圖。


C167CS 作為此C166的第三代產品, 允許使用高級語言對系統(tǒng)進行開發(fā), 擁有高達16MB的尋址空間, 11KB的內部RAM(隨機存取存儲器) 和128KB 的內部ROM(只讀存儲器) , 并且能夠對使用外部總線的各類資源進行更系統(tǒng)的管理。

4 電梯系統(tǒng)的設計

4. 1 電梯控制算法實現(xiàn)
在傳統(tǒng)的電梯群控制系統(tǒng)設計中, 通常只要滿足一個性能標準,如:最佳速度、位置和最小時間等,就實行電梯的調度,這必然存在其局限性。由于傳統(tǒng)算法的局限性,同時要滿足多個目標是很困難的。將專家知識與經驗規(guī)則運用到電梯系統(tǒng)中, 可以很好地提高電梯的性能。

由于在模糊邏輯控制系統(tǒng)中,多目標能夠較容易地被融入到系統(tǒng)設計中去, 因此考慮采用模糊控制算法進行電梯的群控控制。在設計的電梯群控系統(tǒng)里,考慮下面的目標: ①使乘客的等待時間要盡量短; ②盡量減少乘客的長候梯率; ③使每個電梯的行程盡量短; ④合理分配電梯應答,防止聚堆和忙閑不均; ⑤選擇能耗最省的方式。

在實際的電梯系統(tǒng)中, 同時考慮以下的限制條件: ①若有乘客在轎廂內,那么電梯不能響應相反的方向; ②每個電梯都有最大的承載能力, 若滿載, 則電梯需直通,不響應外部呼叫; ③每部電梯是在一個恒定的速度下運行; ④每部電梯必須響應內呼。針對以上的目標,提出了基于等待時間、乘梯時間、乘客數(shù)量、停站次數(shù)和相對距離等5個參量的加權模糊算法。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 A_n then Yis B_n
式中, R¹ , R² , . . . . . . , Rⁿ 是指n 條模糊規(guī)則,X₁ ,X₂ , . . . . . ,X_n 是指系統(tǒng)的輸入,而Y是指系統(tǒng)的輸出,A₁ ,A₂ , . . . . . . ,A_n 和B₁ ,B₂ , , . . . . . . ,B_n 是系統(tǒng)的模糊變量。
對于每個單輸入―――單輸出系統(tǒng)的輸出值,求其加權值的和, 進而得到整個系統(tǒng)的輸出值, 可以表示如下:
Y= W₁B₁ + W₂B₂ + .+ W_nB_n (1)
式中, W₂ , W₂ , ., W_n 為各條規(guī)則的權值。此模型的具體結構如圖3 所示。

對于n 部電梯,則有n 個輸出值Y₁ ,Y₂ ,. . . . . . , Y_n , 而最終系統(tǒng)選擇max(y _i) { i = 1 , 2 , . . . . . . , n} 作為輸出,即選派此電梯來響應召喚。選擇各個參量相應的隸屬度函數(shù)和輸出參量的隸屬度函數(shù)及相應的權值,經過模糊算法即可實現(xiàn)電梯的調度。

4. 2 CAN通訊的實現(xiàn)
CAN 是一種新型的總線式串行通信網(wǎng)絡,具有突出的實時性、靈活性和可靠性等優(yōu)點, 可以很好地解決通訊問題。CAN通信具有如下的特點:CAN網(wǎng)絡上的任一節(jié)點均可在任意時刻發(fā)送信息,同時接收總線上的信息,無主從之分; 網(wǎng)絡上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級,可滿足不同的實時要求, 當多點同時向總線發(fā)送報文時,優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送,而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間,增強了網(wǎng)絡的實時性; 采用短幀傳送, 每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯校驗,可靠性高,直接通信能力可達最遠10 km,速度可達1 Mbit/ s。可見,由于CAN的多主結構在實時性、靈活性、可靠性等方面具有的突出優(yōu)點, 非常適合電梯呼梯信號的通信。

4. 2. 1 CAN接口設計
為了實現(xiàn)基于CAN的數(shù)據(jù)通信, 必須將各控制器的輸入、輸出轉化為CAN標準。由于微控制器本身都帶有兩個CAN模塊,因此只需選擇CAN收發(fā)器即可。CAN總線的收發(fā)器采用 TJA1040 ,它是完全符合ISO 11898標準的控制器局域網(wǎng)CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口, 速度可達1Mbaud。它有優(yōu)秀的EMC性能,而且在不上電狀態(tài)下有理想的無源性能,它還提供低功耗管理,支持遠程喚醒。C167CS上的CAN模塊通過一條串行數(shù)據(jù)輸出線(CAN- TxD)和一條串行數(shù)據(jù)輸入線(CAN-RxD) 連接到收發(fā)器。而收發(fā)器則通過它的兩個有差動接收和發(fā)送能力的總線終端CANH和CANL連接到總線線路, 收發(fā)器使用5 V的額定電源電壓。

4. 2. 2 幀格式的形式
CAN的實際通信是由硬件來自動實施的,硬件是按信息幀格式(主要有數(shù)據(jù)信息幀和遠程信息幀) 來傳遞數(shù)據(jù)的?？偩€傳送數(shù)據(jù)按信息幀來傳送, 幀與幀之間由3個分離位來分離, 沒有信息幀時,總線則處于空閑時間。數(shù)據(jù)信息幀的格式如圖4 所示(擴展模式) 。


4. 2. 3 CAN控制實現(xiàn)
本系統(tǒng)中, 各控制節(jié)點信號傳輸時以擴展數(shù)據(jù)幀格式打包,以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳輸。幀起始部分發(fā)送節(jié)點標識符并與其優(yōu)先級相對應,其值越小,優(yōu)先級越高,總線依據(jù)節(jié)點標識符進行仲裁,以協(xié)調對網(wǎng)絡介質的訪問。當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時, 優(yōu)先權低的節(jié)點會主動退出發(fā)送, 而優(yōu)先權高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)場中的發(fā)送數(shù)據(jù)存貯在發(fā)送緩存器的數(shù)據(jù)區(qū)中,而接收的數(shù)據(jù)則被存在接收緩存器中。

主控制器CAN節(jié)點發(fā)送的是指派相應最優(yōu)電梯轎廂運行方向和周邊設備的啟動信號;接收的數(shù)據(jù)是樓層召喚、轎內信號、門系統(tǒng)信號及稱重信號等。樓層CAN節(jié)點發(fā)送的j 是樓層召喚信號;接收的是轎廂運行方向和相應的樓層。轎廂CAN 節(jié)點發(fā)送的是轎內信號; 接收的是轎廂運行方向和樓層信號。

在系統(tǒng)中,主控制器有最小的標識符,其余各控制器的優(yōu)先級依重要性排列。CAN節(jié)點接收與發(fā)送數(shù)據(jù)均通過中斷執(zhí)行,在進入中斷服務程序后,根據(jù)中斷標志轉入接收中斷、發(fā)送中斷、出錯中斷和喚醒中斷。各節(jié)點設置節(jié)點狀態(tài)字,主控制器定期查詢其他節(jié)點狀態(tài)字, 如發(fā)現(xiàn)有狀態(tài)故障, 則系統(tǒng)報警, 并進行相應處理并恢復,使系統(tǒng)返回正常工作。

5 結論

系統(tǒng)中的電梯群控算法采用基于多規(guī)則加權的模糊控制算法, 提高了系統(tǒng)的運行效率?；贑AN 總線的多主結構來實現(xiàn)各控制器間的串行通信,使得任一控制器所采集的信號對其他控制器完全實時共享, 利于實時控制, 同時使整個系統(tǒng)有良好的擴展能力。串行通信的使用簡化了傳統(tǒng)電梯通信的信號線, 大大方便了安裝與維修, 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。高性能微控制器的使用,也使系統(tǒng)的靈活性與可靠性得到了加,有良好的推廣價值。