基于嵌入式的智能电梯控制系统的设计与实现

嵌入式系统在智能电梯中的应用研究I目录一、设计目的与作用 (1)二、系统整体方案设计 (1)2.1 电梯控制系统控制策略、方法 (1)2.2 电梯控制系统总体结构设计 (2)2.3 电梯主控制器的功能设计 (2)三、系统硬件设计 (3)3.1 芯片DSP56F8025MFBE (3)3.2 控制器组成框图 (4)3.3 控制器的模块单元功能介绍 (4)3.3.1 整流滤波单元 (5)3.3.2 电机速度及转子位置检测单元 (5)3.3.3 逆变单元 (5)3.3.4 控制电路电源模块 (6)3.3.5 看门狗模块 (7)3.3.6 低电压复位模块 (7)3.3.7 电流检测模块 (8)3.3.8 故障报警模块 (8)3.3.9 编程与仿真接口 (9)四、系统程序设计 (1)4.1 主程序流程 (1)4.2 初始化模块 (1)4.3 中断模块 (2)4.4 开关量输入模块 (3)4.5 故障处理模块 (4)4.6 检修工作模块 (5)4.7 消防状态工作模块 (5)4.8 CAN总线接收的数据处理模块 (6)4.9 系统断电数据保存模块 (7)4.10 软件定时器模块 (8)五、系统性能测试 (9)5.1系统功能仿真测试 (9)结论 (10)I一、设计目的与作用传统的电梯控制系统各楼层与控制器之间采用以PLC为控制核心的点对点的连接方式，每个呼叫器都有一套数据线与主控器相连，当电梯楼层数比较多时，系统就会有大量的数据线需要连接，使得电梯的安装、维护比较麻烦。

特别是不同楼层数的控制系统需要有相应输入输出点数的主控制器相匹配，通用性差，给生产带来许多不便[3]。

以嵌入式微处理器为核心控制器的嵌入式系统作为计算机应用的一个崭新领域，以其简洁、高效等特点越来越多地受到人们的广泛关注。

而且在工业控制系统中已得到了广泛的应用，应用于电梯控制系统，具有很大的优越性。

二、系统整体方案设计2.1 电梯控制系统控制策略、方法随着计算机技术和网络技术的发展，电梯的分布式控制成为了可能。

将电梯的控制功能分为若干模块，由不同的控制器完成各部分特定的功能，各控制器间采用可靠的通信技术控制局域网传递信息，相互进行通信，协同工作。

本次课题研究开发的智能电梯控制系统可分为四个主要部分：2.1.1主控制器即电梯控制器。

它是电梯控制系统的主要部分，负责整个电梯的运行控制。

一般主控器和位于楼房的顶部电梯机房内的电梯动力装置曳引机构成了整个电梯控制系统的核心。

2.1.2轿厢轿厢是电梯系统中运载乘客的装置，它通过轿厢中的键盘、显示屏，使乘客与电梯建立起了相互联系。

曳引机通过钢丝牵引轿厢的上下运行，用于运送乘客。

在轿顶(轿厢的顶部)还有一个门机控制器，用于电梯的开关门动作。

2.1.3呼梯它是每一层楼的呼叫装置，给出每一楼层的呼叫请求信息，并且显示电梯当前运行状态。

此外，电梯整个系统还包括上、下限位开关，上、下限速开关，限速器，安全闸，对重，随行电缆，平层检测板，道轨和缓冲器等一系列电梯运行机械装置和安全保护设备。

2.1.4控制器之间的通信方式12主控制器、轿厢控制器和呼梯控制器之间采用现场总线之一的CAN 总线进行通信，各控制器之间只需一对双绞线通过网络拓扑结构连接即可，安装极为方便。

CAN 总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，具有非常好的抗干扰能力和可靠性。

通信速率可达1Mbps/40m ，直接传输距离最远可达10km/kbps 。

可挂接设备最多为110个[7]。

2.2 电梯控制系统总体结构设计电梯控制系统总体结构,如图2-1所示。

主梯控制器呼梯控制器1呼梯控制器M液晶显示及键盘控制器轿厢控制器呼梯控制器N呼梯控制器2RS485C A N 总线网络图2-1电梯控制系统结构图2.3 电梯主控制器的功能设计主控制器是整个电梯的核心。

不但要保证整个系统的稳定运行，而且要在极短的时间内对系统所有的任务进行响应。

其任务包括：接收、处理电梯的各种状态，并做出相应的动作，控制电梯的总体运行，实施对电梯驱动部分的控制，包括抱闸的松放、门机的开关、变频器低、中、高速的给出等控制。

接收轿厢控制器送来的内选信号，执行内选外呼指令，向轿厢控制器、呼梯控制器发送楼层指示信号，实施安全保护等。

为了实现电梯状态监控的需要，主控制器还加入了基于LCD 显示的电梯参数设置、监控系统。

三、系统硬件设计电梯控制系统中主控制器不仅要完成复杂的逻辑控制，还要实现数据通讯、数据处理、安全监测及实时响应的功能，根据电梯主控制器的特点，提出一种新型、高效的控制系统结构DSP+CPLD。

本设计中电梯主控制器就是采用DSP+CPLD的系统结构，基于DSP技术和CPLD技术有效结合的主导思想设计的主控制器，成功的应用在智能电梯控制系统。

数字信号处理器DSP采用Freescle 公司生产的DSP56F8025MFBE，如图3-1所示，而复杂可编程逻辑器件CPLD采用Altera公司生产的MAX7128S[16]。

本章将以DSP作为重点，详细介绍系统变频驱动部分的硬件设计。

3.1 芯片DSP56F8025MFBE本设计中，突出了控制器的高效性、通用性以及实用性。

在全数字控制器的研制中，采用核心控制芯片为DSP56F8025MFBE。

其内核包括三个并行工作的执行单元，在一个指令周期可以同时执行6条指令。

MCU编程模式以及优化的指令集允许生成有效、紧凑的DSP控制代码。

DSP56800的主要特点如下：(1)采用双哈佛结构，16位DSP处理器。

(2)在内部时钟为80M时，指令执行速度可达40MIPS。

(3)单周期16位*16位并行MAC。

(4)带扩展位的2个36位累加器。

(5)16位双向循环移位器。

(6)采用DSP特有寻址模式的并行指令集。

(7)硬件实现DO和REP循环。

(8)三条内部地址总线和一条外部地址总线。

(9)四条内部数据总线和一条外部数据总线。

(10)支持DSP和控制器函数的指令集。

(11)控制器风格的寻址模式和指令。

(12)高效的C编辑器，支持局部变量。

(13)只限制于存储器大小的子程序和中断堆栈。

(14)JTAG/ONCE调试接口。

34图3-1 DSP56F8025MFBE 原理图3.2 控制器组成框图DSP56F8025MFBE 具有数据处理速度快、工作特性稳定、集成化程度高的特性。

系统采用了模块化设计理念，组成框图如图3-2所示。

DSP故障报警模块控制电路电源模块光电码盘电流采样滤波整流单元电机编程仿真接口看门狗模块上电复位模块逆变单元PWM 输出SPWM 驱动电机三相交流380V图3-2主控制器结构框图本系统是一个有速度反馈的闭环系统，DSP 接受电机的转速及转子的位置信号，电机电流信号，通过数字算法输出SPWM ，控制电机。

同时DSP 还负责监控系统运行的状态，当系统出现，过压，过流，短路等故障时，DSP 将停止系统工作，发出声光报警[12]。

3.3 控制器的模块单元功能介绍3.3.1 整流滤波单元380V的交流电压经6个不可控的二极管全波整流后变为直流后再经电解电容进行滤波，同时为负载的直流电源之间的无功功率进行缓冲。

如图3-3所示。

图 3-3 整流滤波单元当变频器刚合上电源的瞬间由电容组成的滤波电路充电电流较大，过大的冲击电流极易损坏电源的整流模块，因此为保护整流桥在变频器刚接通电源的一段时间里电路串联一个限流电阻，使瞬间的充电电流被限制在允许的范围内。

3.3.2 电机速度及转子位置检测单元系统使用光电码盘检测电机的速度及转子的位置信息反馈给DSP，DSP再通过相应的算法控制电机的运行。

如图3-4所示，为光电码盘与DSP之间的接口电路。

图3-4光电码盘接口电路3.3.3 逆变单元系统选用freescale公司的MC33395作为逆变单元的驱动芯片，按DSP输入的不同模式控制6个功率开关的导通与关闭，实现对电机的SPWM调节。

如图3-5所示。

在工作过程中，当MC333955检测到过电流或过电压时可以通过VT2关闭供电，从而禁止了SPWM的输出，保护系统安全。

3.3.4 控制电路电源模块系统的控制回路电压可以通过外接220V生活电压的方式给定。

当电梯启动时，VT1导通，Q1导通，经过变压器变压整流桥整流的输入电压被接入，首先经过78S12后输出稳定的12V电压，接着经过LM2940T-5.0后输出稳定的5V电压，最后经过NCV1117-3.3输出稳定的3.3V电压，连续使用3块串行稳压电源为控制电路提供不同的供电电压，以满足使用要求。

图 3-6 启动开关及变压整流模块如图3-7所示，在电压接入78L12 +12稳压模块之前，回路中还加入了由R6和D4组成的顺压保护电路，其中R6作为限流电阻防止D4被过强的释能电流烧穿。

D4为TVS管即瞬态稳压二极管，当输入的电压过高时，TVS会瞬时导通将过高的能量释放，同时将输出电压限制在安全范围内，从而有6效的防止了12V稳压块因瞬间过压烧毁，提高控制器的可靠性。

图 3-7 瞬压保护电路3.3.5 看门狗模块为提高控制系统的安全性，防止程序在运行过程中出现错误，在外围电路中加入看门狗模块，但程序运行错误时，看门狗模块可以将CPU复位，使芯片恢复正常工作，设计中所选用看门狗芯片为T动电压2.63V，内部定时器每200ms发出一次复位信号。

因此当程序运行错误时，在200ms内未能将其内部定时器清零，则TPS3824将发出RESET信号复位DSP，从而有效的防止死机的情形发生。

PS3824，如图3-11所示，TPS3824启图 3-11 看门狗模块3.3.6 低电压复位模块在系统上断电过程中电源部分可能出现过电压过低的情况，此时DSP可能在非正常电压工作时产生错误，为防止类似情形产生，系统中加入低电压压复位模块。

因为DSP供电电压为3.3V，所以选用CAT809S作为复位芯片。

如图3-12所示。

CAT809S的复位电压为2.93V，当DSP供电电压低于此值时，CAT809S将发出RESET信号，复位DSP。

7图 3-12 低电压复位模块3.3.7 电流检测模块电流检测模块用于检测这个系统运行过程中的电流情况。

系统可以根据电流情况调整电机的速度，电梯内风扇的开关，还可以有效的防止过电流的发生，保障系统安全。

如图3-13所示。

图 3-13 电流检测模块3.3.8 故障报警模块当系统出项故障时，DSP在完成系统停机保护的同时，输出GPIO端口将发出高电平，Q2三极管导通，故障灯与响铃同时得电，发出声光报警提示用户。

如图3-13所示。

8图 3-14 故障报警模块3.3.9 编程与仿真接口可以通过串行接口RS232进行通讯及仿真，方便了嵌入式程序的编辑与调试。

如图3-15所示图 3-15 编程及仿真接口四、系统程序设计4.1 主程序流程电梯控制系统控制策略与方法以流程图表示，如图4-1所示。