摘 要： 針對電梯控制系統(tǒng)對分布式、實(shí)時性和模塊化的特點(diǎn)要求，設(shè)計了以AT91RM9200微處理器為核心、以MCP2510為CAN控制器的CAN通信節(jié)點(diǎn)，從硬件和軟件兩方面詳細(xì)敘述了如何進(jìn)行CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計，并將其成功應(yīng)用在電梯控制系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)實(shí)時響應(yīng)和抗干擾能力。
關(guān)鍵詞： CAN總線； CAN控制器； 智能節(jié)點(diǎn)； 電梯控制系統(tǒng)； MCP2510
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）是一種非常典型的實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)控制的總線結(jié)構(gòu)。它將工業(yè)控制現(xiàn)場大量的傳感器、電子控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等裝置互連，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確性、快實(shí)時性的控制。CAN（Controller Area Network）總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的多主串行總線，能將掛接在其上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制的目的。CAN 總線通信具有速度快 （最高可達(dá)1 Mb/s）、傳輸距離長（最遠(yuǎn)可達(dá)10 km）和干擾小等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一，被廣泛應(yīng)用于交通工具、智能樓宇、醫(yī)療儀器和工業(yè)現(xiàn)場控制等領(lǐng)域中[1]。
CAN總線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多個智能裝置節(jié)點(diǎn)分別連接在總線上構(gòu)成局域網(wǎng)，進(jìn)行信息傳遞用以實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。設(shè)備控制器連接到CAN總線主要是通過CAN控制器和CAN驅(qū)動器。CAN控制器主要分為兩大類：一類直接集成在微控制器（MCU）上，即用于控制的MCU本身具有用于CAN總線通信的模塊；另一類則是獨(dú)立可編程CAN控制器芯片。前者不需另外擴(kuò)展CAN口，集成度較高，但價格較昂貴；后者配置靈活，MCU的選擇范圍不受限制，獨(dú)立的CAN控制器功能也更加完善。CAN總線驅(qū)動器提供了CAN總線控制器與物理總線之間的接口，是影響系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一[2]。本文設(shè)計了以AT91RM9200微處理器為核心、以MCP2510為CAN控制器和以PCA82C250為總線驅(qū)動器的CAN通信節(jié)點(diǎn)，并應(yīng)用于電梯控制系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)實(shí)時響應(yīng)和抗干擾能力。
1 電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電梯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。對于一個單梯系統(tǒng)，主要包括外呼控制器、內(nèi)選控制器和主控制器。外呼控制器分布于大樓各層電梯間內(nèi)，主要負(fù)責(zé)收集和向主控制器傳送乘客目的樓層的方向（上行或下行）信息，還負(fù)責(zé)顯示目的樓層方向和當(dāng)前電梯所在樓層等信息。內(nèi)選控制器位于電梯轎廂內(nèi)，主要負(fù)責(zé)收集和向主控制器傳送乘客目的樓層號（要去第幾層）信息，還負(fù)責(zé)顯示轎廂內(nèi)所有乘客的目的樓層號和當(dāng)前電梯所在樓層等信息。主控制器匯總接收到的外呼、內(nèi)選控制器的信息，依據(jù)規(guī)則進(jìn)行邏輯調(diào)度以控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)轎廂運(yùn)行接送乘客，同時發(fā)送電梯運(yùn)行信息給各外呼、內(nèi)選控制器去顯示，此外，主控制器還兼有其他的擴(kuò)展功能。外呼控制器、內(nèi)選控制器和主控制器通過CAN總線進(jìn)行信息傳遞，它把三者連成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了單部電梯系統(tǒng)整體控制。在該控制系統(tǒng)中，外呼控制器、內(nèi)選控制器和主控制器是分別作為節(jié)點(diǎn)掛接到CAN總線上的。單部電梯的內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
與傳統(tǒng)RS-485總線“主從”的工作方式相比，CAN總線采用“多主”的工作方式，把各個控制器看成網(wǎng)絡(luò)中平等自治的節(jié)點(diǎn)，相互協(xié)調(diào)完成總的控制任務(wù)，而且這樣的結(jié)構(gòu)也有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在CAN控制器的“多主”的工作方式中，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)（取決于報文標(biāo)識符）采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，CAN協(xié)議廢除了站地址編碼而對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。采取“多主”的工作方式，各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能根據(jù)本身的狀態(tài)是否發(fā)生變化來自主判斷是否發(fā)送信息，這樣與RS-485只能以主站輪詢的方式進(jìn)行通信相比，可以有效地減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，減小網(wǎng)絡(luò)時延，增加系統(tǒng)的實(shí)時性[3-4]。
對于目前建筑物中比較常見的由多個電梯組成的多梯系統(tǒng)，由于要求其能夠在調(diào)度的性能上實(shí)現(xiàn)快速、高效、穩(wěn)定、節(jié)能，因此大多嵌入了一些優(yōu)化的電梯群控調(diào)度算法用以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。這就要求在各電梯獨(dú)立運(yùn)行的基礎(chǔ)上設(shè)置一個群控器用于綜合信息結(jié)合群控算法實(shí)現(xiàn)群組控制?？梢圆捎肅AN總線將各單梯的主控制器與另外的群組控制器及監(jiān)控設(shè)備等相連組成更高一級的CAN網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。如圖1中的外部群控CAN總線。
2 主控制器在CAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)計
2.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計
主控制器CAN節(jié)點(diǎn)硬件上主要包括MCU、CAN控制器和CAN驅(qū)動器，CAN通信節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖如圖2所示。其由AT91RM9200通過SPI串行外設(shè)接口連接CAN控制器MCP2510進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，MCP2510負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)再通過光電耦合器6N137連接到CAN驅(qū)動器PCA82C250，最后掛在CAN網(wǎng)絡(luò)上與其他CAN通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。
針對智能電梯控制系統(tǒng)，除了基本的運(yùn)動邏輯控制和CAN節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信外，還有很多智能功能模塊，如視頻監(jiān)控、指紋識別、語音報警和嵌入智能調(diào)度算法等，因此要嵌入操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)實(shí)時控制，這就對MCU性能提出了較高的需求，采用雙51單片機(jī)分別進(jìn)行邏輯控制和CAN節(jié)點(diǎn)通信已經(jīng)不能滿足要求。MCU選取ATMEL公司生產(chǎn)的32 bit ARM處理器AT91RM9200，它是一款性能優(yōu)良的微處理器，在180 MHz頻率下運(yùn)算速度高達(dá)200 MIPS；存儲器容量大，SRAM為16 KB，ROM為128 KB，還可以另外通過配置外部總線接口擴(kuò)展多種類型的存儲器，如SDRAM、靜態(tài)存儲器、Burst Flash、無縫連接的CompactFlash、SmartMedia及NAND Flash等，適合于對性能和價格要求苛刻的嵌入式設(shè)計。AT91RM9200是一款工業(yè)級MCU，對于工業(yè)控制非常適合，不但性能卓越，而且價格相對低廉，其集成度也很高，幾乎包含了嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的各種主流接口，特別是AT91RM9200本身含有用于CAN總線通信的SPI串口通信單元，其4路SPI接口可以并行連接4路CAN網(wǎng)絡(luò)，很適合進(jìn)行多層次電梯控制的CAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。圖1的電梯控制結(jié)構(gòu)為單梯控制和群組控制2 層CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
MCP2510是Microchip公司推出的具有SPI接口的獨(dú)立CAN控制器。它完全支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，通信速率最高可達(dá)1 Mb/s，內(nèi)含3個發(fā)送緩沖器、2個接收緩沖器、6個29 bit驗(yàn)收濾波寄存器和2個29 bit驗(yàn)收屏蔽寄存器[2]。其SPI接口時鐘頻率最高可達(dá)10 MHz，可滿足1個SPI主機(jī)接口擴(kuò)展多路CAN總線接口的需要[3]。
CAN驅(qū)動器選擇PHILIPS公司的PCA82C250，其完全符合ISO-11898標(biāo)準(zhǔn)，用以完成對物理總線差動發(fā)送和接收的功能。PCA82C250集成了CAN協(xié)議物理層的部分功能，是CAN控制器和物理總線之間的接口。它主要實(shí)現(xiàn)了差分電信號的轉(zhuǎn)換，同時具有抗共模干擾、電磁干擾、射頻干擾的電氣保護(hù)功能以及防止電池和地之間發(fā)生短路過熱保護(hù)等功能。PCA82C250可以連接110個節(jié)點(diǎn)，滿足CAN總線5 kb/s~1 Mb/s高速率通信的要求[5]。
為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，在CAN控制器MCP2510與CAN驅(qū)動器PCA82C250之間加入了光電耦合器6N137進(jìn)行隔離。為了進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性，PCA82C250的CANH和CANL與地之間并聯(lián)2個30 pF的電容來濾除總線上高頻干擾；CAN總線接入端與地之間分別反接1個二級管，可以在總線電壓發(fā)生瞬變干擾時起保護(hù)作用。
2.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計
電梯主控器的軟件設(shè)計主要分為驅(qū)動程序和應(yīng)用程序兩部分。主控制器主要有CAN總線、以太網(wǎng)、RS232、數(shù)字量輸入輸出和人機(jī)接口5個模塊。在主控制器MCU上添加實(shí)時操作系統(tǒng)ARMlinux可以有效地進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度，滿足智能電梯多功能模塊實(shí)時的需求。在驅(qū)動程序方面，重點(diǎn)對AT91RM9200的相關(guān)功能寄存器、外圍器件MCP2510的工作方式和通信方式及其寄存器進(jìn)行配置，然后編寫調(diào)試各模塊驅(qū)動程序；在應(yīng)用程序方面，將在深入研究電梯工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計方法，編寫電梯控制系統(tǒng)的基本邏輯程序和智能模塊應(yīng)用程序。
在整個電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計中，CAN總線起著進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的作用。這里著重介紹主控制器的CAN總線模塊的節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計。
從圖2可以看出，MCU對CAN控制器MCP2510的控制是通過SPI串口來完成的，MCU向CAN控制器MCP2510寫SPI命令，可以對其進(jìn)行初始化配置，讀寫報文幀。
下面先介紹一下針對MCP2510定義的一些較重要SPI控制命令，如表1所示[4]。
?。?）節(jié)點(diǎn)初始化
節(jié)點(diǎn)的初始化包括AT91RM9200的SPI初始化和MCP2510的初始化。SPI初始化包括PIO口配置、時鐘配置、中斷配置、工作模式配置和MCP2510片選分配；MCP2510的初始化包括對各個控制寄存器的初值和波特率的設(shè)定，根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的節(jié)點(diǎn)標(biāo)志為兩個接收緩沖區(qū)配置屏蔽寄存器和濾波寄存器。
?。?）報文發(fā)送
報文的發(fā)送是在MCU的控制下通過SPI口對MCP2510進(jìn)行操作完成的。節(jié)點(diǎn)MCU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照CAN通信的幀定義進(jìn)行封裝，調(diào)用SPI寫控制命令將數(shù)據(jù)寫入MCP2510指定地址起始的發(fā)送緩沖區(qū)寄存器中（TXBn，n=1、2、3），然后調(diào)用SPI位修改控制命令將MCP2510相應(yīng)的發(fā)送緩沖控制寄存器TXBnCTRL的TXREQ位置1，啟動發(fā)送過程。發(fā)送結(jié)束后TXREQ位自動清零。返回等待繼續(xù)發(fā)送或接收CAN報文幀。
?。?）報文接收
報文的接收也是在MCU的控制下通過SPI口對MCP2510進(jìn)行操作完成的。首先，節(jié)點(diǎn)MCU查詢標(biāo)識位t（初始t=0，表示MCP2510沒有收到符合本節(jié)點(diǎn)屏蔽濾波的有效報文幀）以檢測MCP2510是否接收到來自CAN總線的報文幀，如果t=0，返回繼續(xù)檢測；如果t=1，則表示MCP2510已經(jīng)收到符合本節(jié)點(diǎn)屏蔽濾波的有效報文幀。由t=0變?yōu)閠=1是因?yàn)槿绻鸐CP2510的某一緩沖區(qū)RXBm（m=1，2）收到有效報文幀后，MCP2510的中斷標(biāo)志寄存器CANINTF的相應(yīng)位RXmIF會自動置1，產(chǎn)生相應(yīng)的中斷，進(jìn)入中斷處理程序，則MCU開始調(diào)用SPI讀控制命令將此時已經(jīng)存放在接收緩沖區(qū)的CAN報文幀讀到MCU的內(nèi)存中。待確定接收完畢后，清零引起中斷的中斷標(biāo)志位RXmIF。返回等待繼續(xù)接收或發(fā)送CAN報文幀。
?。?）中斷處理程序
MCP2515收到CAN報文幀后，產(chǎn)生中斷并將INT引腳置低。AT91RM9200響應(yīng)外部中斷，并調(diào)用與外部中斷相對應(yīng)的中斷處理例程。
本文利用CAN總線通信具有速度快、傳輸距離長和干擾小的特點(diǎn)，介紹了實(shí)現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)各組成控制器的通信問題，詳細(xì)敘述了如何從硬件和軟件兩方面實(shí)現(xiàn)CAN總線的節(jié)點(diǎn)設(shè)計。可以看出，在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計中用CAN總線解決通信問題是不錯的選擇，其有很好的推廣價值。
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