1 引言

國民經濟的飛速發展， 現代化程度日益提高，高層建筑愈來愈多， 電梯也隨之增多， 電梯產品在人們物質文化生活中的地位得到了提高，成為重要的運輸設備之一。國內傳統的電梯控制一是由繼電器、接觸器構成。它不僅存在著可靠性差、成本高、故障率高等缺點，而且在層數增加時，配線變化給制造及安裝帶來諸多不變。若用微機來控制電梯具有許多優點，進而數字化電梯控制系統是發展的必然。數字化最大的優點之一是在信號的傳輸方面， 而且同時也將交換的功能聯系在一起， 視頻信號、音頻信號、計算機數據都利用0、1 二進制代碼在同一網絡里傳輸和交換，這種以數字化為共同語言彼此相容和溝通的特性，使各種形式的信息傳輸速度大大加快，使得整個系統更加有效。本文旨在開發數字化電梯系統。

2 系統的總體結構

本系統中，以C167CS微控制器為基礎，開發了數字化電梯系統。整個系統的結構如圖1所示。它主要包括主控器、轎廂控制器、層站控制器、通訊模塊及廳外呼叫部分。

主控器：是指控制相應電梯運行的控制器。它負責與各轎廂控制器、層站控制器相互通訊， 并發送控制指令來控制相應電梯的運行。通過采集到的各個電梯的狀態及廳外呼叫來決定指派最優的電梯來進行工作。主控器控制變頻器進行調速控制; 接收旋轉編碼器的輸出的脈沖信號， 作為速度反饋信號; 具有RS-232接口， 以與其它設備相聯接，以進行電梯的監控與調試。

轎廂控制器： 它控制單個電梯的運行， 并將電梯的運行狀態及時傳送到主控器，以便主控器發送指令來控制整個系統的運行。

層站控制器： 采集樓層召喚信號， 控制按鈕燈的輸出，并以滾動方式顯示方向和樓層?；镜臉菍涌刂破髟鲈O鑰匙開關、消防運行開關輸入功能，以實現電梯的開/ 停和消防運行，并通過CAN端口與總線相連接。

通訊模塊： 采用CAN總線多主結構，來實現電梯主控器、層站控制器、外呼和轎廂之間控制信號的串行通信。

廳外呼叫及顯示：在電梯的每層廳外都有呼叫選擇部分， 它代表乘客的乘梯方向（如向上或向下） ，并給予相應的LED 顯示。

系統工作原理： 各個轎廂控制器及層站控制器將采集到的信號發送到CAN總線， 主控器根據這些信號及相應的群控算法選擇最優的電梯進行響應，結合專用線路上的安全信號、旋轉編碼器脈沖信號等發出選層、定向、變速和平層等指令， 控制轎廂的運行及門機的動作， 并將轎廂的位置信號發送到CAN總線上。顯示模塊則相應地進行LED顯示。在數字化電梯系統的設計中關鍵部分是主控器中的群控算法及CAN總線通信的實現， 下面詳細介紹此兩部分的具體實現。

3 C167微控制器介紹

C167 單片機是80C166 系列中的一款高性能的微處理器。CPU時鐘頻率最高可達40MHz ， 片內ROM128K/256 K，片內RAM11K，尋址能力16M。采用4 級流水線，有56個中斷（16個優先級） ，外設事件控制器PEC ，32 通道比較/ 捕捉單元，2 個通用定時器單元， 以及4 通道的PMW。多通道10位的A/D轉換口，C167的I/O 接口多達111個，其串行I/ O接口有同步/異步接口UART、高速同步接口SSC。同時擁有CAN總線通信控制器模塊， 可以支持高速串行通信協議CAN2.0B ， 即支持標準（11位ID） 和擴展（29位ID） 的通信協議?？?a target="_blank">編程外部總線可對不同地址范圍進行不同的設置。

C167 單片機的集成度高、功能多、性能強。C167單片機的品種也比較多， 比如C167S、C167CR、C167CS等，這些單片機的I/O基本功能是相同的， 都是111根引腳， 只是片內RAM以及ROM大小有所不同。本文采用的單片機型號是C167CS， 圖2 所示為C167CS的結構圖。

C167CS 作為此C166的第三代產品， 允許使用高級語言對系統進行開發， 擁有高達16MB的尋址空間， 11KB的內部RAM（隨機存取存儲器） 和128KB 的內部ROM（只讀存儲器） ， 并且能夠對使用外部總線的各類資源進行更系統的管理。

4 電梯系統的設計

4. 1 電梯控制算法實現

在傳統的電梯群控制系統設計中， 通常只要滿足一個性能標準，如：最佳速度、位置和最小時間等，就實行電梯的調度，這必然存在其局限性。由于傳統算法的局限性，同時要滿足多個目標是很困難的。將專家知識與經驗規則運用到電梯系統中， 可以很好地提高電梯的性能。

由于在模糊邏輯控制系統中，多目標能夠較容易地被融入到系統設計中去， 因此考慮采用模糊控制算法進行電梯的群控控制。在設計的電梯群控系統里，考慮下面的目標： ①使乘客的等待時間要盡量短; ②盡量減少乘客的長候梯率; ③使每個電梯的行程盡量短; ④合理分配電梯應答，防止聚堆和忙閑不均; ⑤選擇能耗最省的方式。

在實際的電梯系統中， 同時考慮以下的限制條件： ①若有乘客在轎廂內，那么電梯不能響應相反的方向; ②每個電梯都有最大的承載能力， 若滿載， 則電梯需直通，不響應外部呼叫; ③每部電梯是在一個恒定的速度下運行; ④每部電梯必須響應內呼。針對以上的目標，提出了基于等待時間、乘梯時間、乘客數量、停站次數和相對距離等5個參量的加權模糊算法。其方法的模型可以描述如下：

R1 ： if X1 is A1 then Yis B1

R2 ： if X2 is A2 then Yis B2

。 . 。 . 。 .

Rn ： if Xn is An then Yis Bn

式中， R1 ， R2 ， 。 . 。 . 。 . ， Rn 是指n 條模糊規則，X1 ，X2 ， 。 . 。 . 。 ，Xn 是指系統的輸入，而Y是指系統的輸出，A1 ，A2 ， 。 . 。 . 。 . ，An 和B1 ，B2 ， ， 。 . 。 . 。 . ，Bn 是系統的模糊變量。

對于每個單輸入———單輸出系統的輸出值，求其加權值的和， 進而得到整個系統的輸出值， 可以表示如下：

Y= W1B1 + W2B2 + .+ WnBn （1）

式中， W2 ， W2 ， 。， Wn 為各條規則的權值。此模型的具體結構如圖3 所示。

對于n 部電梯，則有n 個輸出值Y1 ，Y2 ，。 . 。 . 。 . ， Yn ， 而最終系統選擇max（y i） { i = 1 ， 2 ， 。 . 。 . 。 . ， n} 作為輸出，即選派此電梯來響應召喚。選擇各個參量相應的隸屬度函數和輸出參量的隸屬度函數及相應的權值，經過模糊算法即可實現電梯的調度。

4. 2 CAN通訊的實現

CAN 是一種新型的總線式串行通信網絡，具有突出的實時性、靈活性和可靠性等優點， 可以很好地解決通訊問題。CAN通信具有如下的特點：CAN網絡上的任一節點均可在任意時刻發送信息，同時接收總線上的信息，無主從之分; 網絡上的節點信息分成不同的優先級，可滿足不同的實時要求， 當多點同時向總線發送報文時，優先級較低的節點會主動退出發送，而優先級高的節點可以不受影響地繼續發送數據，大大節省了總線沖突仲裁時間，增強了網絡的實時性; 采用短幀傳送， 每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯校驗，可靠性高，直接通信能力可達最遠10 km，速度可達1 Mbit/ s。可見，由于CAN的多主結構在實時性、靈活性、可靠性等方面具有的突出優點， 非常適合電梯呼梯信號的通信。

4. 2. 1 CAN接口設計

為了實現基于CAN的數據通信， 必須將各控制器的輸入、輸出轉化為CAN標準。由于微控制器本身都帶有兩個CAN模塊，因此只需選擇CAN收發器即可。CAN總線的收發器采用 TJA1040 ，它是完全符合ISO 11898標準的控制器局域網CAN協議控制器和物理總線之間的接口， 速度可達1Mbaud。它有優秀的EMC性能，而且在不上電狀態下有理想的無源性能，它還提供低功耗管理，支持遠程喚醒。C167CS上的CAN模塊通過一條串行數據輸出線（CAN- TxD）和一條串行數據輸入線（CAN-RxD） 連接到收發器。而收發器則通過它的兩個有差動接收和發送能力的總線終端CANH和CANL連接到總線線路， 收發器使用5 V的額定電源電壓。

4. 2. 2 幀格式的形式

CAN的實際通信是由硬件來自動實施的，硬件是按信息幀格式（主要有數據信息幀和遠程信息幀） 來傳遞數據的?？偩€傳送數據按信息幀來傳送， 幀與幀之間由3個分離位來分離， 沒有信息幀時，總線則處于空閑時間。數據信息幀的格式如圖4 所示（擴展模式） 。

4. 2. 3 CAN控制實現

本系統中， 各控制節點信號傳輸時以擴展數據幀格式打包，以報文為單位進行數據傳輸。幀起始部分發送節點標識符并與其優先級相對應，其值越小，優先級越高，總線依據節點標識符進行仲裁，以協調對網絡介質的訪問。當多個節點同時向總線發送信息時， 優先權低的節點會主動退出發送， 而優先權高的節點可不受影響繼續傳輸數據。數據場中的發送數據存貯在發送緩存器的數據區中，而接收的數據則被存在接收緩存器中。

主控制器CAN節點發送的是指派相應最優電梯轎廂運行方向和周邊設備的啟動信號;接收的數據是樓層召喚、轎內信號、門系統信號及稱重信號等。樓層CAN節點發送的j 是樓層召喚信號;接收的是轎廂運行方向和相應的樓層。轎廂CAN 節點發送的是轎內信號; 接收的是轎廂運行方向和樓層信號。

在系統中，主控制器有最小的標識符，其余各控制器的優先級依重要性排列。CAN節點接收與發送數據均通過中斷執行，在進入中斷服務程序后，根據中斷標志轉入接收中斷、發送中斷、出錯中斷和喚醒中斷。各節點設置節點狀態字，主控制器定期查詢其他節點狀態字， 如發現有狀態故障， 則系統報警， 并進行相應處理并恢復，使系統返回正常工作。

5 結論

系統中的電梯群控算法采用基于多規則加權的模糊控制算法， 提高了系統的運行效率。基于CAN總線的多主結構來實現各控制器間的串行通信，使得任一控制器所采集的信號對其他控制器完全實時共享， 利于實時控制， 同時使整個系統有良好的擴展能力。串行通信的使用簡化了傳統電梯通信的信號線， 大大方便了安裝與維修， 提高了系統的穩定性。高性能微控制器的使用，也使系統的靈活性與可靠性得到了加，有良好的推廣價值。

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