CAN总线在电梯远程监控系统中的应用

前言

随着人们生活质量的提高，智能大楼成为一种趋势。而在智能大楼中，电梯的安全稳定运行，是至关重要的。但是限制于资金与技术的力量，这一点很难保证。因此，对于及时发现电梯故障并迅速维修就显得相当必要了。目前国内的电梯服务水平大多仍局限于现场电梯出现了问题，通知维修中心，由维修中心派专人到现场勘查并排除故障。该情况存在的缺点是响应速度慢，还需要现场派专人监守。而电梯远程监控系统为提高电梯维保并及时做出反应提供了有力工具。

目前国外的大型电梯企业都有了成熟的电梯远程监控系统，但是，价位高是一项很高的阻碍，而且，他们的监控系统只是针对自己的电梯开发，兼容性差。基于上述情况，我们开发了能适合不同类型电梯的远程监控系统，对于某个区域（一幢大楼，一群大楼，一个小区，一个城市，一个国家等）中安装多部电梯，对这些电梯进行集中远程监控、管理、数据维护、统计、分析、故障诊断及救援。其目的是对在用电梯进行远程数据维护，远程故障诊断及处理，故障的早期诊断与早期排除，以及对电梯的运行性能及故障情况进行统计与分析，并在分析的基础之上选择合理的派梯方案。

系统的组成

电梯远程监控系统由3部分组成：数据采集卡，视频监控，监控工作站组成，其总体方案结构如图1所示。数据采集卡（图1中的CAN-232数据转换卡）与电梯控制器中负责与监控系统进行数据交换的电梯通讯卡通过CAN总线进行连接，布线方式采用总线式。如果总线长超过100米，那么在总线末端应该接120欧的抑制信号反射的终端电阻。这两个120Ω的电阻，对匹配总线阻抗起着相当重要的作用。忽略掉它们，会使数据通信的抗干扰性和可靠性大大降低，甚至无法通信，这一点在现场已经得到了验证。数据采集卡通过RS232总线连接工作站的COM1口，与工作站进行数据通信。

图1 系统的组成

摄像机安装在监控的电梯轿厢内部，采集轿厢内部的图像。其视频信号经视频线缆传递至视频切换器。视频切换器的切换由数据采集卡上的MCU控制其模拟开关来实现。MCU从工作站计算机的COM1口接收计算机发出的控制命令，然后根据命令控制模拟开关从多路视频信号中进行选择输出。同时视频切换器具有放大功能，延长视频信号的传输距离，使工作站计算机获得高质量的图像。切换器将选择的视频信号经视频线缆传递给视频采集卡。视频采集卡安装在工作站计算机的PCI接口上，其主要作用是将摄像机的模拟视频信号转换为数字视频信号后传递给工作站计算机做进一步处理及存储。

工作站接收数据采集卡以及视频采集卡发送来的数据进行处理并显示电梯运行的状态以及轿厢中的图像，并在电梯发生故障时提供多种报警方式，同时把各种有用信息存入数据库。这样，用户能够通过工作站掌握电梯的状态信息和电梯轿厢内的图像信息，并能查询电梯的档案信息，电梯运行的历史事件库，电梯曾经发生过的故障信息，查询电梯在历史上某段时间内的性能分析结果，打印报表等。

CAN总线介绍

数据传输通过CAN总线，CAN(Controller Area Network)总线是一种支持分布式实时控制系统的串行通信的局域网络。由于其高性能、高可靠性、实时性好及其独特的设计，已广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。其主要特点：(1)多主总线，各节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息；(2)采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传送数据，能满足实时性要求；(3)具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能；(4)CAN总线上每帧有效字节数最多为8个，并有CRC及其它校验措施，数据出错率极低，万一某一节点出现严重错误，可自动脱离总线，总线上的其它操作不受影响；(5)通信距离远达10km(5kb/s)，通信速率最高可达到1MB/s(40m)，节点数目实际可达110个，通信介质采用双绞线，也可用光纤；（6）CAN总线只有两根导线，系统扩充时，直接将新节点挂接在总线上即可，系统易扩充，改型灵活。因此，CAN总线成为分布式计算机控制系统的理想总线。

目前，广泛流行的CAN总线器件有两类：一类是独立的CAN控制器，如SJA1000及Intel82526／82527等；另一类是带有CAN的微控制器，如P8xC592及16位微控制器87C196CA/CB等。SJA1000是一种独立控制器用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制CAN它是PHILIPS半导体PCA82C200CAN控制器BasicCAN的替代产品而且它增加了一种新的工作模式PeliCAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。SJA1000的主要新功能

（1）标准结构和扩展结构信息的接收和传送
（2）接收FIFO64字节
（3）在标准和扩展格式中都有单/双接受过滤器含屏蔽和代码寄存器
（4）读/写访问的错误计数器
（5）可编程的错误限制报警
（6）最近一次的误码寄存器
（7）对每一个CAN总线错误的错误中断
（8）由功能位定义的仲裁丢失中断
（9）一次性发送当错误或仲裁丢失时不重发
（10）只听模式，CAN总线监听无应答无错误标志
（11）支持热插拔，无干扰软件驱动位速检测
（12）硬件禁止CLKOUT输出

数据传输及协议转换模块

CAN-232转换卡
这部分完成是数据采集、协议转换、故障判断、与工作站通讯以及控制视频切换的功能。其中，CAN控制器选择的是PHILIPS公司的SJA1000，收发器选用的是PAC82C250。信号隔离采用的是高速光电耦合器6N137。它接收电梯通讯卡发出的符合CAN协议格式的电梯状态数据帧，然后将其转换成标准的RS232格式的数据流传送给工作站。由于各种电梯控制器的通讯协议不同，所以需要在数据传送模块中进行协议转换，将电梯状态信号的格式转换成符合工作站软件协议要求的数据格式，从而使监控软件可以兼容不同类型的电梯。

下面具体介绍采集卡与电梯通讯卡以及工作站的通信。

转换卡与通讯卡通信过程
CAN总线为多主方式工作，在总线上可挂接110多个节点。因此，一块采集卡可以连接最多110多部电梯的通讯卡。但在实际应用中，考虑到监控软件的实时性，因此一部工作站监控16部电梯，并为各部电梯赋予一个作为身份标识的站号（分别设置各部电梯的电梯通讯卡上的拨码开关为1-16）。上位机监控软件每隔40ms采集一部电梯的数据，它首先发送该电梯的站号给采集卡，然后等待接收数据。采集卡接收到上位机发送来的站号，就将该站号填充到CAN帧的第一字节，并把这个只有一个数据字节的CAN帧发送到总线上去，然后等待接收该电梯发送的数据。

与采集卡相连接16块电梯通讯卡，在初始化时，将地址接收码与屏蔽码设置为只接收采集卡发送的数据。当通讯卡接收到采集卡发来的站号后，与自己的站号相比较，如果不同则不予理睬，如相同则发送电梯状态数据到总线上。而采集卡在初始化时设置未为接收所有通讯卡的数据，当他接收总线上的数据，确认是否是所采集的电梯发送来的数据，如果正确，则进行协议转换，将从电梯通讯卡接收来的数据转化为符合上位机要求的格式；然后根据这些状态信息，对电梯进行故障诊断，判断电梯是否正常运行，如果不正常，则判断发生了什么故障，或者可能会要发生什么故障，进行故障报警或预报警；故障判断等处理后，将故障码和其他数据一起发送给上位机，否则放弃这次操作。

在CAN总线通信中，初始化模块较为重要，是一个重点，也是难点。在初始化时，首先进入复位模式，然后对CAN控制器的寄存器配置。但在实际中发现硬复位较可靠，只要时间足够，一定能使CAN控制器进人复位状态，但此时CAN控制器的某些寄存器的值不确定。软复位正好相反，不一定能使CAN控制器进人复位状态，但一旦进人复位状态则CAN控制器的寄存器数值就为确定的复位值。在实际应用中此两种复位方法结合使用效果好。因此，在硬件电路中还设计了Watchdog电路，它同时还可以防止单片机死机或者程序出现“跑飞”现象发生。初始化程序流程图如图2所示，采集卡整体程序流程图如图3所示。

图2 CAN总线初始化模块


图3 采集卡流程图

转换卡与工作站通信过程
采集卡与工作站之间通过RS-232总线进行通讯，MCU串口波特率为19200bs，工作站监控软件采用VisualBasic和SQL，将其MSComm控件的Settings属性设置为“19200，E，8，1”。使用串口与工作站连接，从速率上可以满足远程监控系统的要求，而且可以降低成本。如果使用基于PCI总线的CAN总线适配卡，尽管可以提高通信速率，但是也增加了不少成本，况且，还要将协议转换和故障判断的任务移交给上位机，增加了上位机的负担，会影响整个系统的实时性。综合比较，还是CAN-232的性价比较高，适合本系统的使用。监控软件每隔40ms可以得出如图4的旋转角=∠AOC和俯仰角=∠COB，为了使求出的角度与COMPASS得出的角度协调，以正北为零度来进行角度调制，角度范围从0～359.9。

图4

结论

本系统结构紧凑合理，可以根据需要调整到半球任何的一个位置点。在本系统中，样机的功率为1.5Ｗ，自重2.5kg，可以负载10kg的天线（本系统的天线中0.7kg），转动速度为每秒4度。该样机在工程试验中跟踪效果比较好，通过软件来保证运行的可靠性，结果表明响应特性符合要求，精度完全满足实际需要。