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基于CAN總線的電梯群控系統的通訊接口設計與實現
  • 企業:控制網     領域:PLC /PAC/PCC/RTU     行業:電梯    
  • 點擊數:2629     發布時間:2005-10-24 18:15:51
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介紹了基于CAN總線的電梯群控系統的設計與實現方法,并給出了CAN總線通訊接口的硬件電路和軟件設計方法。



    一、引言

    在許多高層建筑中,通常都安裝了多部電梯,為了提高這些電梯的運行效率和服務質量,需要用電梯群控管理系統來對其進行合理的調度和管理。電梯群控的主要功能是調度和管理各部電梯,指定電梯服務樓層,改變原先由于電梯的單獨控制而造成的樓層分布不均,資源浪費,電梯損耗不均勻等狀況,電梯群控對于改善電梯的運行效果,具有十分重要的作用。一個電梯群控系統需要進行大量的數據交換, 如各電梯轎廂內的選層信號、應答選層的指示燈信號、顯示電梯當前位置的指示燈信號和廳外召喚信號等,這些信號隨著電梯的數量和樓層的增多而迅速增加。電梯群控系統通訊的主要特點是節點多、距離長、信號變化慢以及對抗干擾能力的要求高等。

    目前對于電梯群控系統通訊方式而言,占主導地位的是主從結構的BITBUS網絡系統的串行通訊,它采用RS-485總線, 通訊方式為命令、響應方式。主機定時向各子控制器發出查詢信號,再由各子控制器匯報各自狀態。但它存在以下不足:① 數據傳輸效率低, 而且主控制器異常繁忙;② 靈活性差,因為當子控制器出現異常時,數據將不能立即上傳,必須等待主控制器下發命令;③ 一旦主機出現故障,整個系統將癱瘓。上述幾個問題 對于實時性和安全性要求都很高的電梯控制系統來說是致命的,基于上述原因,我們提出了基于CAN總線的電梯群控系統。

    二、CAN Bus的特征

    具有多主結構的CAN Bus(Controller Area Network Bus)總線網絡與BITBUS網絡有著本質的不同。CAN即控制器局域網絡,是一種新型的總線式串行通信網絡,具有如下優點:

    ① 采用多主方式工作, 網絡上任一節點均可以在任何時刻主動向網絡上其它節點發送信息, 同時還可接收總線上的信息,通訊方式靈活, 且不分主從,從而解決了RS-485中從節點無法主動與其他節點交換數據的問題,使系統具有很大的靈活性;
 
    ② CAN網絡上的節點可分成不同的優先級, 以滿足不同的實時要求。當兩個節點同時向總線發送信息時, 優先級低的節點主動退出發送, 而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據, 大大節省總線沖突仲裁時間, 增強了網絡的實時性,更重要的是在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓;

    ③CAN的直接通信距離最大可達10km(對應速率5kbps以下),CAN的通信速率最高可達1Mbps(對應傳輸距離40 m)。CAN采用短幀傳送,每一幀的有效字節數為8個, 傳輸時間短, 受干擾概率低, 且具有極高的檢錯功能;

    ④ CAN的每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施,保證數據出錯率極低。

    三、系統組成及通訊接口電路設計
 
    基于CAN總線的電梯群控系統的控制部分由電梯主控制器、轎廂控制器、樓層控制器(多套)、群控器組成,通過CAN Bus接口連接成一個完整的通訊網絡,實時傳輸各運行參數、控制命令。電梯控制系統CAN網絡拓樸結構如圖1所示:



圖1 電梯群控系統CAN網絡拓樸結構

    電梯主控制器通過節點接口電路與CAN總線連接,它是電梯控制系統的核心,主要負責控制轎廂位置和運行, 處理各子節點發回的各種信號, 產生各種控制信號(包括與拖動系統的通訊信號, 控制各接觸器的信號和發往各子節點的各種控制信號(子節點為:各樓層控制器、轎廂控制器等)。樓層控制器負責與主控制器通信,向上發送呼梯信號,并接收機房發回的下傳信號,完成呼梯信號記憶、消號、層樓及方向顯示功能。轎廂控制器的作用主要是將內選信號傳至主控制器。

    CAN Bus通訊接口是很重要的一個環節,設備的正確運行與其密切相關。圖2給出了一個實際電梯控制系統的CAN Bus通訊單元電路圖。電路結構為: 

    MCU(*P87C52X2)+CAN控制器(SJA1000)+CAN收發器(TJA1040T)



圖2 CAN Bus通訊單元電路圖

    在上述電路結構中,P87C52X2芯片是PHILIPS公司生產的標準80C51內核單片機,包含8KB OTPROM、256B RAM、32個I/O口、3個16位定時/計數器、雙DPTR、1個UART口,可以工作在6CLK模式下,運行速度可以是標準80C51的2倍。SJA1000芯片是一款獨立CAN控制器,由PHILIPS公司設計并生產,具有優秀的EMI、EMC性能,適合用于工業環境中的控制器局域網絡。而且,SJA1000是PCA82C200獨立CAN控制器的升級產品,在引腳、電氣上與PCA82C200控制器完全兼容,并具有更強功能的PeliCAN工作模式,主要由實現CAN總線協議部分和與微處理器接口部分電路組成,可完成CAN總線協議的物理層和數據鏈路層的功能,支持CAN2.0A協議及CAN2.0B協議。

    目前,SJA1000被廣泛用作CAN控制器。TJA1040芯片是PHILIPS公司在2002年推出的新一代高速CAN收發器,是PCA82C250/251、TJA1050的升級型號,具有非常優秀的EMC性能,在不上電狀態下有理想的無源性能,提供低功耗管理,支持遠程喚醒,并集成有完善的總線保護功能。TJA1040可以支持40Kbps~1Mbps高速率范圍,在不需要CAN中繼器的場合,通訊距離可達1.2KM遠,通訊節點數目可達110個節點。TJA1040是CAN協議控制器和物理總線的接口,提供了對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力。

    四、通訊軟件設計

    CAN設計的三層結構模型為:物理層、數據鏈路層和應用層。網絡物理層和數據鏈路層的功能由CAN接口器件完成,包括硬件電路和通訊協議兩部分。CAN通訊協議規定了四種不同用處的網絡通訊幀,即數據幀、遠程幀、錯誤指示幀和超頻幀。CAN通訊協議的實現,包括各種通訊幀的組織和發送,均是由集成在SJA1000通訊控制器中的電路實現的,因此系統的開發主要在應用層軟件的設計上。應用層軟件的核心部分是CPU與SJA1000通訊控制器之間的數據接收和發送程序,即CPU把待發的數據發給SJA1000通訊控制器,再由SJA1000通訊控制器發到總線上;當SJA1000通訊控制器從總線接收到數據后,CPU再把數據以走。首先,應對SJA1000中的有關控制寄存器寫入控制字,進行初始化。接著,CPU即可通過SJA1000接收/發送緩存區向物理總線接收和發送數據。本系統采用中斷方式實現CAN的通訊過程,其程序流程圖如圖3所示。



圖3 程序流程圖

    五、結論

    基于CAN總線的電梯群控技術通過在實踐中的應用檢驗表明,它可以使整個控制系統的控制信號線數從數百根減少到幾根,極大地方便了電梯的安裝和維修,提高了電梯的運行效率和服務質量,具有廣闊的應用前景。

    參考文獻

    [1] 余 華, 孫德寶. 智能大廈中的電梯群控系統. 電工技術雜志,2002,(1):37~39。

    [2] 鄔寬明. CAN總線原理和應用系統設計. 北京: 北京航空航天大學出版社,1996.

    [3] 賈宇輝,游林儒等. 電梯樓層及CAN總線通訊設計.電氣傳動自動化,2004,26(2): 43~44.

    [4] 蘇健,張慧慧. 基于CAN總線的監控系統設計. 制造業自動化, 2003,(2): 45~46.

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