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1、嵌入式系统在智能电梯中的应用研究修改课程设计报告课程名称： 嵌入式系统课程设计 专业班级： 自动化XXX班 学号（XX）学生姓名： XX 指导教师： XXX 完成时间： 2014年 6月 3日 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 湖南文理学院制 嵌入式系统在智能电梯中的应用研究一、设计题目 嵌入式系统在智能电梯中的应用研究二、设计要求嵌入式实时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。本文以嵌入式实时操作系统在一种基于CAN总线的分布式智能电梯控制系统中的应用为背景，以高性能的嵌入式微处理器为核心，采用嵌入式实时操作系统C/OS在各任务间优化地分配

2、CPU时间和系统资源，简化了软件编程，保证了系统的实时性，提高了系统的可靠性。电梯控制系统硬件上采用嵌入式微处理器作为控制核心，以现场总线作为通讯总线，各控制器之间只需一对绞线通过网络拓扑结构连接即可，安装极为方便，对于不同的楼层数的控制系统只需在现场总线中加入相应数目的呼梯控制器即可，主控器硬件软件不需做任何改动。使得电梯控制系统安装更加灵活、方便。本设计重点讨论了电梯变频驱动部分的电路设计，及应用嵌入式实时操作系统C/OS的系统程序设计。三、设计作用与目的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，

3、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。(1) 可以实现无触点逻辑线路，提高系统可靠性，降低维修费用，提高产品质量。(2) 编制控制程序灵活性大，可以适应各种不同的功能要求。(3) 可以实现故障显示，使得维修方便，减少故障时间，提高运行率，而且调速灵活，提高电梯的舒适感。(4) 使

4、得电梯控制系统体积减小，成本降低，节省能源，可靠性提高，通用性强，灵活性答，实现了复杂功能。不但可以装配用于新的电梯产品，还可以用来改造旧电梯控制系统，并能取得良好的经济效益和社会效益。(5) 便于实现电梯群控系统的管理，合理调配电梯，提高电梯运行效率，节约能源，缩短候梯时间。(6) 可以减少控制装置的占地面积。电梯控制系统硬件上采用嵌入式微处理器作为控制核心，以现场总线作为通讯总线，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，对于不同楼层数的控制系统只需在现场总线中加入相应数目的呼梯控制器即可，主控器硬件软件不需做任何改动。使得电梯控制系统安装更加灵活，方便。但是随着对

5、电梯运行速度、逻辑功能的要求越来越高，常用的8位、16位单片机已逐渐不能满足快速处理、实时响应和系统结构高效、简洁的需求。目前国内的电梯控制系统还是以PLC和8位单片机为主，软件编程采用的还是以无嵌入式实时操作系统的单任务循环的前后台编程方式，使得电梯控制系统的实时性、稳定性和软件编程的灵活性已不能满足电梯系统功能和速度的要求。随着各种高速、高集成的嵌入式处理器的飞速发展，包括嵌入式数字信号处理器(DSP)在内的嵌入式处理器广泛应用于工业控制系统，其中TMS32OCZooo系列DSP的体系结构专为实时控制和实时信号处理而设计，所配置的片内外设为电梯控制系统应用提供了理想的解决方案。对电梯控制系

6、统功能要求越高，控制程序就必然越复杂，引入嵌入式实时操作系统作为软件开发平台可以优化系统结构，提高系统可靠性、实时性和编程的灵活性，将是智能电梯控制系统开发的必需环节。四、所用设备及软件 表1 部分元件清单DSP56F8025MFBE芯片1个MC333951个LM2940T-5.01个NCV1117-3.31个TPS38241个CAT809S1个PC机1台电阻若干电容若干晶振1个反相器若干二极管若干三极管若干C/OS嵌入式实时操作系统五、系统设计方案电梯控制系统是一个相当复杂的逻辑控制系统，系统要在极短的时间内对几百个信号进行检测、处理，加上系统对安全性能要求较高，使得电梯的控制和管理相当复杂

7、，现有国内的电梯控制系统大多数采用PLC作为电梯的控制核心，对每层楼进行点对点控制，进一步加大了电梯的复杂性，给电梯的安装、调试、以及扩展带来了许多麻烦。随着计算机硬件、软件技术和集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大的进步，突出表现为嵌入式微处理器和嵌入式微控制器技术在控制系统中的大量运用。而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，对智能电梯控制系统主控制器进行了设计。5.1、系统总体设计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

8、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。这样，系统可以实现电缆的插接化，并大大减少井道中电缆数量，减少布线工作量和维护成本。而且，可以使得系统中各个控制器有更充裕的时间用于进一步完善其自身的功能，以改善电梯的性能。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：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. 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

9、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。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。4. 控制器之间的通信方式主控制器、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

10、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。电梯控制系统总体结构框,如图1所示。图1 系统整体结构框图5.2、系统工作原理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

11、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。电梯主控系统，是一个功能繁多，运行复杂的控制系统。电梯每一步运行都要考虑到各种安全问题。总的来说，系统按运行上来说可分为正常运行、非正常运行两大框架结构，按功能上又可分为开关门、上下运行等功能部分。另外，为了保证系统安全正常的运行，及时发现安全隐患，还要对整个系统的各种参数进行自身检测，并且把电梯的一些内部参数、内部状态通过液晶屏显示出来，以便及时发现问题并进行报警。以下对电梯控制系统运行状态进行具体分析。电梯运行时，根据不同的情况，可分为正常运行、检修运行、自学习运行、消防运行等运行状态，要求各状态之间可随时互相转换。1. 正

12、常运行电梯正常运行部分是电梯运行的主要部分，他占据了整个电梯运行的大部分运行时间，按运行状态来说大致可分为平层区状态和非平层区状态。(1) 平层区状态正常运行时，电梯一旦监测到平层区标志，就要进入平层区状态，根据呼叫计算，分别决定停车、等待还是继续运行。如果电梯到达运行目的楼层，系统进入停车模式。考虑到电梯的顺利停车和启动、乘客安全、机械部分的损坏等问题，系统必须按照一定的规则停车和启动。(2) 非平层区状态非平层区状态相对于平层状态来说相对简单，主要完成电梯在运行途中系统通过CAN总线与呼梯、轿厢的通信，提出登记楼层呼叫情况，并计算电梯运行目标楼层，决定电梯运行的速度和方向，以及计算即将到达

13、的目的地是否停车等任务。2. 检修检修状态是电梯控制系统中最基本的运行部分，是电梯安装、调试必不可少的状态。检修状态只包括电梯的几个最基本功能：开门、关门、上行、下行，在电梯初次安装、调试或出现故障时，调用最基本、最简单的运行功能，以便解决其它问题。3. 自学习为了增加电梯控制系统的智能化程度，系统加入了自学习功能。因为安装电梯的楼房楼层高度不可能统一，就算有标准，也会因为施工存在误差而导致楼层高度存在差异。对于电梯控制系统来说，必须预先知道楼层的高度，以便准确、及时的改变运行速度，减速停车。一般来说，系统通过读取电梯曳引机端的脉冲编码器根据电器上下运行的行程所发出的脉冲数来得到电梯所在楼层的

14、层高。在传统的电梯控制系统中，为了取得大楼楼层的高度，安装调试的时候采用检修运行方式，手动控制电梯的上下运行，通过观察电梯主控系统的脉冲计数器所读到的数值，人工的计录下楼层的高度值。在本系统中，引入了自学功能，即自动完成楼宇高度脉冲的读取、纪录、保存，并自动检测大楼楼层数。给电梯安装调试带来了很大的方便。4. 消防电梯在运行时，如果有人把设置在系统基站的消防开关开启，电梯立刻进入消防状态。消防状态是电梯系统在楼层发生火灾的情况下，为了保护乘客的安全以及方便消防人员救火救人而设置的一种功能状态。一般来说，消防状态可以分为消防保护阶段和消防再次运行阶段。（1）消防保护阶段电梯在正常运行时，如果有消

15、防呼叫，系统即处于消防保护阶段。（2）再次运行阶段电梯完成消防保护阶段后，自动进入再次运行阶段，以便消防人员和急救人员紧急使用和临时使用电梯。5. 故障检测对于电梯控制系统来说，其安全问题尤为重要。能够及时发现、解决系统的电子、机械问题，并显示相应的故障代码，指明故障情况，将对电梯故障的预防、故障出现后电梯的检修带了很大的帮助。一般来说，电梯控制系统中的故障包括控制电路的器件故障，包括元件老化、失灵、损坏等情况，还有变频器运行故障，分布式控制系统的串行通讯故障，门联锁、抱闸接触器、主接触器等机械故障等。6. 系统监控为了准确掌握电梯内部参数、了解当前运行状况，本系统采用了基于LCD液晶屏的电梯

16、监控系统。操作人员可以通过上、下、左、右、ENTER、EXIT、RESET共有七个操作键对监控系统进行操作，观察自动、检修、消防、电梯运行方向、当前速度、上、下限位等运行状态，还可以进入参数设置窗口，对电梯运行速度、换速脉冲、开关门时间、方向、速度等一系列参数进行设。六、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。由于DSP具有数据处理速度快、工作特性稳定、集成化程度高等特性，在设计中主要用来完成数据的实时处理、运算和响应，与控制系统中其它微处理器之间

17、的局域网数据通信，输入/输出(I/O)信号的处理，电源监控及数据的非易失性保存，而复杂可编程逻辑器件CPLD是应用很广泛的专用集成电路，具有集成度高、工作速度快和在线编程方便等特性，所以在系统设计中采用CPLD可以增强DSP访问外设的能力，实现可编程I/0口的扩展、片内时序逻辑电路和组合逻辑电路设计、输入缓冲、输出驱动及产生其它器件的片选信号。CPLD通过片内可编程数据交换逻辑模块发送输入端口状态信息到DSP，接收DSP发出的控制信息，对于系统中部分输入、输出逻辑关系直接在CPLD中由可编程逻辑处理模块完成。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

18、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，而复杂可编程逻辑器件CPLD采用Altera公司生产的MAX7128S。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。6.1、系统整体设计芯片DSP56F8025MFBE ：数字信号处理器(DSP)是一种适合于进行实时数字信号处理运算的微处理器，能够快速实时的完成数字信号处理、运算。全数字控制器以DSP56F800系统为核心，其具有较好的通用性。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DS

19、P56F8025MFBE。该DSP芯片系列混合了DSP 的高运算能力与MCU 的控制特性于一体，提供了许多专用于电机控制的外设接口，如PWM 模块、ADC、 Timer、 SCI、 SPI 和CAN 总线等，非常适合于数字马达控制；同时，它还有通用型的GPIO口，每条运算指令仅有25ns的高速运算速度等，所有这些特性，为整个系统的控制提供了良好的外部控制环境。DSP56800内核采用哈佛结构，包括三个可并行的工作的执行单元，六级流水线。它的MCU风格编程模式和优化指令集允许直接生成有效的、紧凑的DSP控制码。DSP568025MFBE支持从外部或内部存储器开始执行程序。并且每个指令周期可以同时

20、从内部RAM读取两个操作数，同时提供了两个中断线和最多达32路的GPIO(通用I/O)引脚。DSP568025MFBE包含DSP56800系列内核的程序和数据存储器以及用于嵌入式控制的片内外设。DSP56800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D

21、SP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。图2 DSP56F8025MFBE原理图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所示。图3 主控制器结构框图由上图可知，设计中采用交-直-交型变频电路，包括由不

22、可控二极管和电容矩阵组成的滤波整流单元和逆变单元。控制电路部分以DSP为核心组成全数字控制系统，其中包括控制电路电源模块、上电复位模块、看门狗模块、光电码盘、电流采样及故障报警等模块。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。6.2、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4所示。图 4 整流滤波单元当变频器

23、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。当电源电压达到稳定后，通过电阻分压的方式使光耦导通，继电器线圈得电，闭合短路限流电阻，从而降低系统能量损耗。6.3、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5所示，为光电码盘与DSP之间的接口电路。图5 光电码盘接口电路6.4、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

24、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6所示。在工作过程中，当MC33395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。图6 逆变单元6.5、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。如图7，8，9

25、，10所示。图 7 启动开关及变压整流模块图 8 +12V电源模块图 9 +5V电源模块图 10 +3.3V电源模块如图10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 11 瞬压保护电路6.6、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

26、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。如图12所示。图 12 看门狗模块6.7、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13所示。CAT809S的复位电压为2.93V，当DSP供电电压低于此值

27、时，CAT809S将发出RESET信号，复位DSP。图 13 低电压复位模块6.8、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14所示。电流检测模块采用正向运算放大器组成的电压放大电路，输入端的电压被滤波并放大11倍后送入DSP的AD采样通道，DSP将实际中的模拟量通过AD模块转换成相应的数字量，最后通过计算，判断获得希望的控制模式。由于DSP的管脚耐压值有限，电压经运算放大器放大后，可能超出正常范围，所以在DSP的管脚输入端接有二极管限幅电路，使得当DSP管脚处电压输入过

28、大时被有效的限制在允许的范围内。图 14 电流检测模块6.9、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15所示。图 15 故障报警模块6.10、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16所示。图16 编程及仿真接口七、系统软件设计嵌入式实时操作系统(Embedded RealTime Operating System)是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统(包括硬、软件系统)极为重要的组成部分，通常包括与

29、硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。7.1、主程序流程设计本设计将重点运用C/OS嵌入式实时操作系统作为软件开发平台，进行应用系统软件的设计。电梯控制系统控制策略与方法以流程图表示，如图17所示 图 17 主程序流程图 7.2、初始化模块初始化模块是电梯控制系统初始运行部分，负责初始化系统的各种参数，根据情况把电梯设置成一种初始上电运行状态。初始化模块包括：(1) DSP系统初始化函数SYS_INIT()。完成DSP系统的配置寄存器和接口模块时钟控制。主要包括系统控制和状态寄存器、中断优先级和中断向量表、外设中断扩展控制器、中断向量、CPU中断寄

30、存器、外设中断寄存器等。(2) 定时器初始化函数EVB_init()。DSP有四个通用定时器，选择定时器3做为整个软件程序定时的基准。完成定时器内外时钟的选择，设置可编程定标器的初值，选择计数时钟频率，计数模式等，并向操作系统时钟节拍函数OSTimeTick()提供基本计时单位。完成初始化各个定时标志的初始化的工作。(3) 光电编码器初始化函数EVA_init()。选择定时器2作为光电编码器输入脉冲处理的基本时钟信号。完成正交编码信号计数模式，计数方向等。(4) I/O初始化函数I几init()。在电梯上电的的初始状态，系统的I/O状态是随机的，这样对电梯造成的极大的危险。I/O初始化主要是根

31、据初始情况设置I/O口的输入输出状态，是电梯达到一个比较稳定、安全的状态。(5) 复杂可编程逻辑器件(CPLD)接口初始化函数Cpld_Init()。数字信号处理器(DSP)通过数据总线向CPLD输出初始状态数据，完成CPLD初始化。(6) CAN控制器的初始化CAN_init()。对DSp320LF2407中的CAN控制段中的寄存器进行初始化，设置CAN控制器的波特率、各个邮箱的功，接收屏蔽码等。(7) 串行通信接口初始化函数SCI_init()。主控制器与液晶显示模块采用串行通信接口进行通讯。完成串行通信口可编程的数据格式、波特率的设置等。(8) 串行外设接口初始化函数SPI_init()。主控制器采用串行外设接口 (SPI)对串行EEPR伽管理，用于系统断电后非易失数据保存。初始化函数完成完成串行外设接口可编程的数据格式、波特率的设置等。内存初始化函数Meomory_Init()。完成内存中变量及标志的初始化。(9) 嵌入式实时操作系统C/OS操作系统初始化函数OSinit()。完成初始C/OS所有变量和数据结构。7.3、中断模块电梯控制系统中断模块包括两部分：定时器模块和CAN总线数据接收模块。操作系统在中断服务程序中所