摘 要：為了升級現有電梯控制系統，給出了一種以LPC2294 為主控芯片的電梯主控系統的設計。軟件上以搶占式多任務實時操作系統μC/OS 為平臺，實現了電梯主控系統中的輸入采集、調度分配、CAN 通信、菜單輸出等任務；硬件建立在LPC2294 基礎上，實現了與變頻器互聯互通、編碼器脈沖反饋的采集、井道開關量的輸入輸出等。

　　1 引言

　　隨著城市化建設事業飛速發展，高層建筑和智能建筑大量涌現對電梯控制提出了許多新的要求，與此同時 MCU 與現場總線技術的發展為電梯控制系統不斷完善提供條件。由于現代電梯控制系統在安全性、穩定性、人性化的要求不斷提高，對原有系統在通信方式和電機控制方式等方面進行升級也顯得尤為必要。

　　在通信方式上，CAN 總線技術的引入改變了RS485 總線在電梯控制上只能構造主從結構的通信網絡、缺少總線仲裁與實時響應效果不理想等方面的缺點，這也使得在現代電梯控制系統的設計時，可以把一些井道開關量信號轎廂控制器來采集，然后通過CAN 通信把有效信號直接傳輸給主控系統，這樣就減少主控系統的負擔，增加系統的安全性；在電機控制上，電梯控制系統經歷了雙速系統、多段速系統與當前采用的模擬量控制系統三個階段，使得乘客在乘坐電梯時舒適感逐步完美，電梯控制系統也得到了不斷改變并趨完善。

　　2 系統簡介

　　現代電梯電氣系統由電力驅動系統、電氣控制系統和安全保護系統組成（如圖1）。其中電力驅動系統由曳引電動機、速度反饋裝置（旋轉編碼器）、電動機調速裝置（變頻器）和電源系統等部分組成；電氣控制系統又由電梯主控系統、外呼控制系統、轎廂顯示、門控制系統和外召系統等部分組成；安全保護系統由光幕、急停、門鎖、安全窗等組成。

　　圖1 電梯控制系統結構圖

　　電氣控制系統中電梯主控系統主要收集電梯井道限位信號和電梯外呼內叫的呼梯信號，然后根據系統參數和系統的當前狀態，與門控制系統和電力驅動系統交互完成整個電梯的運行控制。其在電梯的電氣控制系統中扮演了舉足輕重的作用。

　　2 控制系統硬件設計

　　主控系統的硬件設計主要包括微控制器、CAN 通信模塊、光耦輸入、繼電器輸出、存儲器模塊、液晶顯示模塊、按鍵電路、電源模塊、復位模塊和JTAG模塊等。其硬件框圖如圖2 所示。

　　圖2 主控系統的模塊。

　　在主控系統中，外接了4 路CAN 總線收發器，分別連接到電梯外呼采集板、轎廂采集板、電動機調速裝置（變頻器）、以及群控電梯板。主控系統與電梯電氣系統的其余子系統之間的通信。光耦輸入、繼電器輸出電路的功能主要是讓電梯主控系統采集井道限位信號和輸出井道限位；液晶顯示模塊和按鍵電路則是給電梯調試人員設計的調試接口，用來查看系統運行參數和改變系統運行參數；而鐵電存儲器用來保存系統參數運行參數。

　　2.1 微控制器模塊

　　LPC2294 是基于一個支持在線仿真和跟蹤的16/32 位ARM7TDMI-STM CPU，并帶有16KB 的SRAM 和256 KB 板級高速Flash 存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16 位Thumb 模式將代碼規模降低超過30%，而性能的損失卻很小。

　　由于LPC2294 的144 腳封裝、極低的功耗、多個32 位定時器、8 路10 位ADC、4 路CAN、PWM 通道以及多達9 個外部中斷使它們適用于汽車、工業控制應用以及醫療系統和容錯維護總線。LPC2294 包含至少76（使用了外部存儲器）~至多112（單片）個GPIO口。由于內置了高速的串行通信接口，它們也非常適合于通信網關、協議轉換器以及其它各種類型的應用。

　　2.2 CAN 模塊電路

　　在電梯控制系統中，往往是一棟大樓中使用多臺電梯構建一個由多臺電梯組成的群控系統。在一臺電梯控制系統內部主控系統要與轎廂板、外召板之間進行通信；在各電梯之間由群控板負責收集各臺電梯運行狀態和電梯負載量然后根據相應的算法進行派梯，這樣就使得控制系統中的通信壓力較大。由于LPC2294 內部帶有4 路CAN 控制器，使得該處理器很適合應用于電梯控制系統中。

　　各路CAN模塊電路基本一致，從微控制器中CAN控制器上引出輸入/輸出引腳RD/TD 到CAN 收發器TJA1050 相應的管腳上。為了減少終端反射對系統的影響，需要在每路CAN 總線的兩最遠端各加上120Ω的終端電阻。從通信角度看，電梯控制系統的設計是以主控系統為中心的CAN 通信系統的設計，因而在主控系統在設計的時，給每條CAN 總線的CANH 和CANL 之間添加上了120Ω的終端電阻是必要的。另外由于系統中的供電采用的是24V 的標準工業用電，而這非電子元器件的承受電壓范圍，因而避免在工程施工中接線錯誤對系統致命破壞，設計的時候在CANH 和CANL 口線上添加了TVS 管。如圖3 所示。

　　圖3 CAN 模塊電路。

　　CANH 和CANL 輸出到GND 的匹配電容C1 和C2 經常被用于提高抗電磁干擾的性能。相應噪聲源的阻抗和CANH 和CANL 對地的電容組成了一個RC低通濾波器，在抗干擾的性能的問題上電容的值應該盡可能大，才能獲得低的角頻率。另一方面輸出級的整個電容負載和阻抗為數據信號建立了一個低通濾波器。因此相關的角頻率要比數據傳輸頻率高。這使電容值必須由節點的數量和數據傳輸頻率決定。當TJA1050 的輸出級阻抗大約是20Ω，總線系統有10個節點，速度是500kbit/s 則電容的值不應該超過470pF.

　　2.3 光耦輸入電路

　　在電梯電氣控制系統中主控系統為了電梯不發生安全事故，安全穩定地運行，因此要實時地從電梯安全保護系統中采集電梯井道信號。對于實時性要求非常高的輸入開關量直接通過光耦輸入到主控系統，如開/關門限位、上/下強減、上/下限位、光幕、門鎖、抱閘反饋等開關量信號。另外為了減小輸入信號對微控制器的影響，在微控制器端對這些開關量信號，采用了光耦隔離其電路原理圖如圖4 所示。

　　圖4 光耦輸入電路。

　　當然部分的對實時信號要求不是特別高的輸入信號如消防、鎖梯、直駛、滿載、超載等，可以通過轎廂板或者外召板以同樣的方式采集，然后通過CAN 總線傳遞給主控制系統。

　　2.4 繼電器輸出電路

　　在電梯的輸出模塊中，為了減小外部電路對微控制器系統的影響，采用了以2803 驅動繼電器的開關量輸出形式。如主輸出、開/關門輸出、抱閘輸出、蜂鳴器、到站鐘、電源管理、鎖梯輔助、消防基站、超載指示、上行/下行指示。對于電梯中輸出信號，與輸入信號類似可以通過CAN 總線把信號傳遞給轎廂板或者外召板，然后采用以相同繼電器輸出形式輸出。