毕业设计论文-基于嵌入式的智能电梯控制系统的设计与实现

毕业设计论文-基于嵌入式的智能电梯控制系统的设计与实现内容摘要：

多为 110个 [7]。 电梯控制系统总体结构设计 电梯控制系统总体结构 ,如图 21 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CAN总线网络呼 梯 控 制 器 N呼 梯 控 制 器 2R S 4 8 5CAN总线网络 图 21电梯控制系统结构图 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 7 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。 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 [8]。 1. 正常运行 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 8 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 [9]。 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置 [10]。 9 第 3 章 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 [11]。 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 31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。 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 DSP56F8025MFBE。 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 10 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 [12]。 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 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。 11 图 31 DSP56F8025MFBE 原理图 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 32所示。 D S P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P W M 输 出S P W M 驱 动 电 机三 相 交 流3 8 0 V 图 32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 [12]。 控制器的模块单元功能介绍 整流滤波单元 12 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 33所示。 图 33 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。 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。 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 34 所示， 为光电码盘与 DSP 之间的接口电路。 图 34 光电码盘接口电路 13 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35 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 35 逆变单元 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 5V电压，最后经过 ，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 36， 37， 38， 39所示。 14 图 36 启动开关及变压整流模块 图 37 +12V电源模块 图 38 +5V电源模 块 15 图 39 + 如图 310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 310 瞬压保护电路 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 ，内部定时器每 200ms 16 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 311所示 ， TPS3824启 图 311 看门狗模块 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 ，所以选用 CAT809S作为复位芯片。 如图 312所示。 CAT809S的复位电压为 ，当 DSP供电电压低于此值时， CAT809S将发出RESET信号，复位 DSP。 图 312 低电压复位模块 电流检测模块 17 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 313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管脚处电压输入过大时被有效的 限制 在允许的范围内。 图 313 电流检测模块 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 313所示。 18 图 314 故障报警模块 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 315所示。 图 315 编程及仿真接口 19 第 4 章 系统 程序设计 嵌入式实时操作系统。