摘要: 基于C167CS 微控制器設(shè)計(jì)了數(shù)字化電梯系統(tǒng), 該系統(tǒng)中利用多規(guī)則加權(quán)的模糊控制算法進(jìn)行群控控制,以CAN總線多主方式實(shí)現(xiàn)各控制器間的串行通信。該系統(tǒng)提高了電梯的運(yùn)行效率,并增強(qiáng)了電梯運(yùn)行的實(shí)時(shí)性控制,系統(tǒng)的靈活性與可靠性得到了提高。 關(guān)鍵詞: 數(shù)字化電梯; C167CS; 模糊控制; CAN總線 1 引言     國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展, 現(xiàn)代化程度日益提高,高層建筑愈來(lái)愈多, 電梯也隨之增多, 電梯產(chǎn)品在人們物質(zhì)文化生活中的地位得到了提高,成為重要的運(yùn)輸設(shè)備之一。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的電梯控制一是由繼電器、接觸器構(gòu)成。它不僅存在著可靠性差、成本高、故障率高等缺點(diǎn),而且在層數(shù)增加時(shí),配線變化給制造及安裝帶來(lái)諸多不變。若用微機(jī)來(lái)控制電梯具有許多優(yōu)點(diǎn),進(jìn)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(diǎn)之一是在信號(hào)的傳輸方面, 而且同時(shí)也將交換的功能聯(lián)系在一起, 視頻信號(hào)、音頻信號(hào)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)都利用0、1 二進(jìn)制代碼在同一網(wǎng)絡(luò)里傳輸和交換,這種以數(shù)字化為共同語(yǔ)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(gè)系統(tǒng)更加有效。本文旨在開(kāi)發(fā)數(shù)字化電梯系統(tǒng)。 2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)     本系統(tǒng)中,以C167CS微控制器為基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)了數(shù)字化電梯系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(yīng)電梯運(yùn)行的控制器。它負(fù)責(zé)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(lái)控制相應(yīng)電梯的運(yùn)行。通過(guò)采集到的各個(gè)電梯的狀態(tài)及廳外呼叫來(lái)決定指派最優(yōu)的電梯來(lái)進(jìn)行工作。主控器控制變頻器進(jìn)行調(diào)速控制; 接收旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出的脈沖信號(hào), 作為速度反饋信號(hào); 具有RS-232接口, 以與其它設(shè)備相聯(lián)接,以進(jìn)行電梯的監(jiān)控與調(diào)試。 轎廂控制器: 它控制單個(gè)電梯的運(yùn)行, 并將電梯的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)傳送到主控器,以便主控器發(fā)送指令來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。 層站控制器: 采集樓層召喚信號(hào), 控制按鈕燈的輸出,并以滾動(dòng)方式顯示方向和樓層?；镜臉菍涌刂破髟鲈O(shè)鑰匙開(kāi)關(guān)、消防運(yùn)行開(kāi)關(guān)輸入功能,以實(shí)現(xiàn)電梯的開(kāi)/ 停和消防運(yùn)行,并通過(guò)CAN端口與總線相連接。 通訊模塊: 采用CAN總線多主結(jié)構(gòu),來(lái)實(shí)現(xiàn)電梯主控器、層站控制器、外呼和轎廂之間控制信號(hào)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(yīng)的LED 顯示。 系統(tǒng)工作原理: 各個(gè)轎廂控制器及層站控制器將采集到的信號(hào)發(fā)送到CAN總線, 主控器根據(jù)這些信號(hào)及相應(yīng)的群控算法選擇最優(yōu)的電梯進(jìn)行響應(yīng),結(jié)合專(zhuān)用線路上的安全信號(hào)、旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖信號(hào)等發(fā)出選層、定向、變速和平層等指令, 控制轎廂的運(yùn)行及門(mén)機(jī)的動(dòng)作, 并將轎廂的位置信號(hào)發(fā)送到CAN總線上。顯示模塊則相應(yīng)地進(jìn)行LED顯示。在數(shù)字化電梯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中關(guān)鍵部分是主控器中的群控算法及CAN總線通信的實(shí)現(xiàn), 下面詳細(xì)介紹此兩部分的具體實(shí)現(xiàn)。 3 C167微控制器介紹     C167 單片機(jī)是80C166 系列中的一款高性能的微處理器。CPU時(shí)鐘頻率最高可達(dá)40MHz , 片內(nèi)ROM128K/256 K,片內(nèi)RAM11K,尋址能力16M。采用4 級(jí)流水線,有56個(gè)中斷(16個(gè)優(yōu)先級(jí)) ,外設(shè)事件控制器PEC ,32 通道比較/ 捕捉單元,2 個(gè)通用定時(shí)器單元, 以及4 通道的PMW。多通道10位的A/D轉(zhuǎn)換口,C167的I/O 接口多達(dá)111個(gè),其串行I/ O接口有同步/異步接口UART、高速同步接口SSC。同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)(11位ID) 和擴(kuò)展(29位ID) 的通信協(xié)議?？删幊掏獠靠偩€可對(duì)不同地址范圍進(jìn)行不同的設(shè)置。         C167 單片機(jī)的集成度高、功能多、性能強(qiáng)。C167單片機(jī)的品種也比較多, 比如C167S、C167CR、C167CS等,這些單片機(jī)的I/O基本功能是相同的, 都是111根引腳, 只是片內(nèi)RAM以及ROM大小有所不同。本文采用的單片機(jī)型號(hào)是C167CS, 圖2 所示為C167CS的結(jié)構(gòu)圖。

    C167CS 作為此C166的第三代產(chǎn)品, 允許使用高級(jí)語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā), 擁有高達(dá)16MB的尋址空間, 11KB的內(nèi)部RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器) 和128KB 的內(nèi)部ROM(只讀存儲(chǔ)器) , 并且能夠?qū)κ褂猛獠靠偩€的各類(lèi)資源進(jìn)行更系統(tǒng)的管理。 4 電梯系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4. 1 電梯控制算法實(shí)現(xiàn)     在傳統(tǒng)的電梯群控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中, 通常只要滿足一個(gè)性能標(biāo)準(zhǔn),如:最佳速度、位置和最小時(shí)間等,就實(shí)行電梯的調(diào)度,這必然存在其局限性。由于傳統(tǒng)算法的局限性,同時(shí)要滿足多個(gè)目標(biāo)是很困難的。將專(zhuān)家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)規(guī)則運(yùn)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(biāo)能夠較容易地被融入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中去, 因此考慮采用模糊控制算法進(jìn)行電梯的群控控制。在設(shè)計(jì)的電梯群控系統(tǒng)里,考慮下面的目標(biāo): ①使乘客的等待時(shí)間要盡量短; ②盡量減少乘客的長(zhǎng)候梯率; ③使每個(gè)電梯的行程盡量短; ④合理分配電梯應(yīng)答,防止聚堆和忙閑不均; ⑤選擇能耗最省的方式。     在實(shí)際的電梯系統(tǒng)中, 同時(shí)考慮以下的限制條件: ①若有乘客在轎廂內(nèi),那么電梯不能響應(yīng)相反的方向; ②每個(gè)電梯都有最大的承載能力, 若滿載, 則電梯需直通,不響應(yīng)外部呼叫; ③每部電梯是在一個(gè)恒定的速度下運(yùn)行; ④每部電梯必須響應(yīng)內(nèi)呼。針對(duì)以上的目標(biāo),提出了基于等待時(shí)間、乘梯時(shí)間、乘客數(shù)量、停站次數(shù)和相對(duì)距離等5個(gè)參量的加權(quán)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 條模糊規(guī)則,X1 ,X2 , . . . . . ,Xn 是指系統(tǒng)的輸入,而Y是指系統(tǒng)的輸出,A1 ,A2 , . . . . . . ,An 和B1 ,B2 , , . . . . . . ,Bn 是系統(tǒng)的模糊變量。 對(duì)于每個(gè)單輸入———單輸出系統(tǒng)的輸出值,求其加權(quán)值的和, 進(jìn)而得到整個(gè)系統(tǒng)的輸出值, 可以表示如下: Y= W1B1   W2B2   .  WnBn (1) 式中, W2 , W2 , ., Wn 為各條規(guī)則的權(quán)值。此模型的具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

    對(duì)于n 部電梯,則有n 個(gè)輸出值Y1 ,Y2 ,. . . . . . , Yn , 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(lái)響應(yīng)召喚。選擇各個(gè)參量相應(yīng)的隸屬度函數(shù)和輸出參量的隸屬度函數(shù)及相應(yīng)的權(quán)值,經(jīng)過(guò)模糊算法即可實(shí)現(xiàn)電梯的調(diào)度。 4. 2 CAN通訊的實(shí)現(xiàn)     CAN 是一種新型的總線式串行通信網(wǎng)絡(luò),具有突出的實(shí)時(shí)性、靈活性和可靠性等優(yōu)點(diǎn), 可以很好地解決通訊問(wèn)題。CAN通信具有如下的特點(diǎn):CAN網(wǎng)絡(luò)上的任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻發(fā)送信息,同時(shí)接收總線上的信息,無(wú)主從之分; 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí),可滿足不同的實(shí)時(shí)要求, 當(dāng)多點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送報(bào)文時(shí),優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送,而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)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(shí)間,增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性; 采用短幀傳送, 每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)校驗(yàn),可靠性高,直接通信能力可達(dá)最遠(yuǎn)10 km,速度可達(dá)1 Mbit/ s。可見(jiàn),由于CAN的多主結(jié)構(gòu)在實(shí)時(shí)性、靈活性、可靠性等方面具有的突出優(yōu)點(diǎn), 非常適合電梯呼梯信號(hào)的通信。 4. 2. 1 CAN接口設(shè)計(jì)     為了實(shí)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(zhuǎn)化為CAN標(biāo)準(zhǔn)。由于微控制器本身都帶有兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(wú)源性能,它還提供低功耗管理,支持遠(yuǎn)程喚醒。C167CS上的CAN模塊通過(guò)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(guò)它的兩個(gè)有差動(dòng)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(shí)際通信是由硬件來(lái)自動(dòng)實(shí)施的,硬件是按信息幀格式(主要有數(shù)據(jù)信息幀和遠(yuǎn)程信息幀) 來(lái)傳遞數(shù)據(jù)的?？偩€傳送數(shù)據(jù)按信息幀來(lái)傳送, 幀與幀之間由3個(gè)分離位來(lái)分離, 沒(méi)有信息幀時(shí),總線則處于空閑時(shí)間。數(shù)據(jù)信息幀的格式如圖4 所示(擴(kuò)展模式) 。

4. 2. 3 CAN控制實(shí)現(xiàn)     本系統(tǒng)中, 各控制節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸時(shí)以擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀格式打包,以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。幀起始部分發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符并與其優(yōu)先