摘   要： 介紹了嵌入式電梯群控系統(tǒng)的設計，群控主機通過CAN總線串行通信方式實時采集各臺電梯的狀態(tài)信息，采用模糊算法處理后，將派梯命令分配給各臺電梯，實現(xiàn)8臺64層以下電梯的群控控制。

　　為了提高電梯的運行效率和服務質(zhì)量，減少乘客的候梯時間、乘梯時間并降低電梯的能量消耗，就必須用電梯群控系統(tǒng)來對其進行合理的管理和調(diào)度。

　　目前，大多數(shù)電梯公司的群控系統(tǒng)都是采用RS485總線進行通信，但RS485采用主從式的通信方式，由主機發(fā)起呼叫，對應的終端應答，因此只能采取輪詢的通信方式，實時性差，一旦主機出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將癱瘓；而CAN總線在電梯群控系統(tǒng)中卻體現(xiàn)出更多的優(yōu)勢：CAN總線通信與RS485通信相比抗干擾能力更好；可連接較多的通信節(jié)點；通信速率更高；實時性與穩(wěn)定性高，所以本文采用CAN總線來實現(xiàn)群控主機和各電梯之間的通信。

　　RS485總線是針對RS-232串口標準的局限性，人們又提出了RS-422,RS-485接口標準。RS-485/422采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號 A,B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)以ARM7為內(nèi)核，主頻達72 MHz的32 bit微處理器LPC2368作為群控主控制器，它有高達512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲器，具有在系統(tǒng)編程（ISP）和在應用編程（IAP）功能，同時LPC2368內(nèi)部集成了2個CAN控制器，CAN控制器提供了一個完整的CAN協(xié)議（遵循CAN規(guī)范V2.0 B）實現(xiàn)方案，ARM7沒有MMU,ARM720T是MMU的 ,ARM9主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列ARM9是有MMU的，ARM940T只有Memory protection unit.不是一個完整的MMU。系統(tǒng)還選用了CAN總線收發(fā)器MPC2551，它可作為CAN控制器與物理總線接口，提供對總線的差動發(fā)送和接收能力。

　　2 通信模塊設計

　　2.1 通信模塊硬件實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)采用LPC2368，ARM7-LPC2368 是一款性價比高的ARM7入門學習板。它采用機器焊接。性能穩(wěn)定可靠。 RJ45網(wǎng)絡接口，CAN總線，雙串口，一個USB2.0接口，可接MMC卡（作U盤），作USB聲卡，LCD12232接口，EEPROM存貯器AT24C16。 LPC2368的CAN控制器具有如下的特點：2個控制器和總線；支持11 bit和29 bit的標識符；雙重接收緩沖器和三態(tài)發(fā)送緩沖器；可編程的錯誤報警界限和可讀/寫訪問的錯誤計數(shù)器；仲裁丟失捕獲和錯誤代碼捕獲（帶有詳細的位位置）；單次觸發(fā)的發(fā)送（不會重復發(fā)送）；只聽模式（無應答、無活動錯誤標志）；“自身”報文的接收。

　　LPC2368內(nèi)嵌一個以太網(wǎng)控制器，支持精簡的媒體獨立接口（Reduced Media Independent Interface，RMII）和帶緩沖DMA接口（Buffered DMA Interface，BDI），可在半雙工和全雙工模式下提供10M/100Mbps的以太網(wǎng)接入。因此，LPC2368內(nèi)部實際上己經(jīng)包含了以太網(wǎng)MAC控制，但并未提供物理層接口，所以，需要外接一片物理層芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。

　　高速CAN收發(fā)器MPC2551是一個可容錯的高速CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線接口。MCP2551可為CAN協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合ISO-11898標準，包括能滿足24 V電壓要求。典型情況下，CAN系統(tǒng)上的每個節(jié)點都必須有一個器件，把CAN控制器生成的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為適合總線傳輸（差分輸出）的信號。它也為CAN控制器和CAN總線上的高壓尖峰信號之間加入了緩沖器，這些高壓尖峰信號可能是由外部器件產(chǎn)生（EMI、ESD和電氣瞬態(tài)等）。

　　本系統(tǒng)設計的電路中，2個二極管D3與D4可有效地抑制傳輸介質(zhì)的浪涌干擾，由于電梯群控系統(tǒng)中存在多個CAN通信節(jié)點，因此本電路中加入了終端電阻跳線JP3，由用戶靈活地選擇是否在該節(jié)點處加入終端通信電阻，本系統(tǒng)設計的CAN通信電路連接如圖1。

　　2.2    通信協(xié)議及通信軟件設計

　　2.2.1 CAN總線幀種類

　　CAN總線上傳輸?shù)男畔⒎Q為報文，報文傳輸按照幀結(jié)構(gòu)的不同，通?？杀硎緸槿缦?種不同類型的幀：

　　（1）數(shù)據(jù)幀：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀；

　　（2）遙控幀：用于接收單元向具有相同ID的發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的幀；

　?。?）錯誤幀：用于當檢測出錯誤時向其他單元通知錯誤的幀；

　?。?）過載幀：用于接收單元通知其尚未做好接收準備的幀；

　?。?）幀間隔：用于將數(shù)據(jù)幀及遙控幀與前面的幀分離開來的幀。

　　CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。

　　2.2.2 CAN報文格式

　　在總線中傳送的報文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式，其的不同是標識符（ID）長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。標準格式幀的組成如圖2所示 。

　　在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位 （RTR）組成的仲裁場。RTR位標明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。

　　控制場包括標識符擴展位（IDE），指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 （ro），為將來擴展使用。它的四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié)，其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查（CRC）。

　　應答場（ACK）包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡中至少有一個站能正確接收到報文。

　　報文的尾部由幀結(jié)束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)

　　2.2.3 通信協(xié)議設計

　　由于在CAN總線中，標識符（ID）的大小規(guī)定了各節(jié)點發(fā)送消息的優(yōu)先級，ID號越小，發(fā)送優(yōu)先級越高，本系統(tǒng)中規(guī)定群控主控制器優(yōu)先級，因此設為0x01，其他電梯主控制器次之，設為0x11,依次類推。

　　本系統(tǒng)消息格式采用：目的ID號+命令+數(shù)據(jù)字節(jié)1+數(shù)據(jù)字節(jié)2＋……+數(shù)據(jù)字節(jié)6的格式，在LPC2368中，存放數(shù)據(jù)的寄存器是CANRDA、CANRDB，每個寄存器是4個字節(jié)，因此一條CAN消息多可存放8個字節(jié)。本協(xié)議中，CANRDA對應目的ID號、命令、數(shù)據(jù)字節(jié)1、數(shù)據(jù)字節(jié)2；CANRDB對應數(shù)據(jù)字節(jié)3~6。

　　目的ID號確定消息的發(fā)出源，當目的ID號的內(nèi)容為0x00時，所對應的消息是一條由主控制器發(fā)出的廣播消息，各節(jié)點均接收并分析。

　　命令字節(jié)的內(nèi)容是協(xié)議的，由各命令組成，包括狀態(tài)命令、控制命令，通常與數(shù)據(jù)字節(jié)搭配使用。

　　2.2.4 通信軟件設計

　　通信模塊軟件設計，首先要初始化CAN控制器，CAN控制器初始化主要實現(xiàn)CAN工作時的參數(shù)設置，這些初始化的內(nèi)容包括：硬件使能CAN、設置CAN報警界限、設置總線波特率、設置中斷工作方式、設置CAN驗收過濾器的工作方式、設置CAN控制器的工作模式等。接收數(shù)據(jù)時，讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，同時釋放該接收緩沖區(qū)，完成一幀數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程如圖3所示。

　　3 其他模塊設計

　　3.1  液晶顯示模塊

　　液晶顯示模塊選用容量為2行16個字的液晶模塊，每個字以5×8點陣塊組成。本設計中群控主機對各電梯進行監(jiān)控，通過液晶顯示模塊可以實時顯示各個電梯的狀態(tài)，包括各電梯的群控狀態(tài)、樓層狀態(tài)、運行方向，同時對群控主機的各種參數(shù)設置也可以很清楚地在液晶模塊上顯示出來。

　　3.2  鍵盤模塊

　　鍵盤模塊采用了5個按鍵實現(xiàn)對群控參數(shù)、模式的設置，這5個按鍵分別對應為：ESC、UP、DOWN、ROTA、ENT，各按鍵作用如下：ESC為返回鍵，返回主顯示界面；UP為上翻頁鍵，該按鍵可實現(xiàn)循環(huán)上選擇菜單。在參數(shù)設置中，實現(xiàn)數(shù)字循環(huán)＋1,并實現(xiàn)ON/OFF、YES/NO、HIGH/LOW之間的切換。在參數(shù)設置中，實現(xiàn)光標移位。ENT為確認鍵，在選中某菜單（即菜單在LCD上反白顯示）后，按Enter鍵進入菜單，執(zhí)行相應功能。

　　4 群控算法設計

　　4.1 模糊控制概念

　　模糊控制是建立在模糊集合論基礎上的一種語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，它將自然語言轉(zhuǎn)化為計算機所能接受的算法語言，并模擬人的思維方法，對被控過程進行有效的確定性的控制，它利用知識獲得各種控制規(guī)則，可以很好地處理電梯系統(tǒng)的多目標性、隨機性和非線性[5]。所以本系統(tǒng)采用模糊控制理論來處理群控中電梯的調(diào)度問題。

　　4.2 群控模糊算法設計

　　為了有效地調(diào)度電梯來滿足乘梯者的要求，提高乘客的舒適度和總體服務質(zhì)量，在電梯群控研究和應用過程中，常常把減少乘客的平均候梯時間（AWT）、平均乘梯時間（ART）及能源消耗（RPC）作為評價標準，因此在算法設計上通過模糊控制調(diào)整各評價因素（候梯時間、乘梯時間、能量消耗等）的權(quán)重系數(shù)，從而確定派梯方案，進而實現(xiàn)電梯群控的高效性[6]。

　　本系統(tǒng)將AWT、ART及RPC作為電梯群控的優(yōu)化參數(shù)和評價標準，通過一個調(diào)度算法判斷出哪部電梯來響應各廳層召喚。所以構(gòu)造一個評價函數(shù)，綜合以上評價標準，評價函數(shù)如式（1）所示：

　　本系統(tǒng)實現(xiàn)了電梯群的高效穩(wěn)定運行，在密集的公共地方方便大眾快速出入，減少在公共地方的擁堵。