电梯安全控制系统的设计与实现.doc

电梯安全控制系统的设计与实现独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 日 学位论文作者签名: 赵昌友 签字日期: 年 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人 授权可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名: 赵昌友 导师签名:李正平 签字日期:年月日 签字日期:年月日 学位论文作者毕业去向: 工作单位:亳州职业技术学院 电话: 邮编: 通讯地址:安徽省亳州职业技术学院电子系摘要 摘 要 随着现代城市的发展,高层建筑物的不断增加,电梯已经成为人们日常生 活中不可缺少的运载工具。近年由于电梯的使用量大幅增加,电梯事故有所上 升。电梯事故的频发,促使人们特别关注电梯的安全性能。如何提高电梯的安 全性,减少故障的发生率,即使发生了事故也能即时畅通地向外界发出求助信 息,从而能够及时得到帮助,是人们共同面临的一个需要解决的问题。 本文从实际工程出发,设计了一款电梯安全控制系统,该系统采用 的高性能位微控器,通过一系列传感器对电梯运行状 态进行实时检查;当电梯运行发生故障时,系统将通过以太网和自动报警 求助,同时采取必要措施安抚被困人员情绪。此外本系统还允许管理人员通过 以太网或实时监测电梯运行状态。 本文详细描述了电梯安全控制系统的硬件设计和软件设计。硬件部分包括 微控制器基本系统、以太网接口、通信、解码功放电路、卡存储电 路、非接触读卡电路和传感器信号处理电路的设计。 系统软件采用分层设计,模块化开发。驱动层为每个硬件模块设计了驱动 程序,包括、以太网、模块、卡、解 码和等模块的驱动程序。系统移植文件系统,用于管理卡。此 外,系统还实现了/协议栈用于联网数据通信。在驱动层和文件系统、协 议栈层的基础上,我们设计了满足电梯安全监控需求的应用程序。 关键词:电梯安全监测 ,? , . , . . : ,: . , 一 . ., , . , . . , , , , ?. . , , ,. ,. , / . 英文摘要 , . : 目 录 目 录 摘要. 目录。 第一章绪论?. .课题的研究背景?. .电梯的发展及其控制系统的特点 .电梯的结构. .存在的问题. .课题研究的意义及主要:作 .系统的设计原则?一 .论文的结构安排第二章电梯安全控制系统的硬件设计? 。硬件整体设计?。 .主要芯片介绍?。 . 主要特性及内部结构?一 .芯片 .芯片?. .电路设计? . 模块电路设计?. .以太网接口模块 . 模块 . 卡电路?。 . 读写模块? . /模块?一 . 模块? . 模块 .音频功放和通道切换电路 .串行通信接口?. . 串行存储电路? .电源模块 第三章电梯安全控制系统的软件设计. .驱动层.驱动程序。 .驱动程序。 .驱动程序? . 实时时钟驱动?. . 卡设备驱动?. . 解码驱动?. . 模块驱动? .快速以太网控制器驱动? 目录 . 驱动. .文件系统?。 . 的移植?. .初始化.获取设备状态.读扇区.? .写扇区?. . 的实现? .获取系统时间. 的应用程序接口 /协议栈?. . 协议栈的移植. . 的编程接口?. .应用程序?一 .电梯运行状态监测 .设备维护和参数设置?. .电梯异常报警处理?. .电梯运行状态的实时查询?. 第四章总结?。 .论文完成的工作.问题与展望? 参考文献?。 致谢?。 第一章绪论 第一章 绪论 随着人类城市的不断扩大和建筑技术的飞跃,一幢幢高楼拔地而起,电梯 成为高楼大厦里上下运送乘客或货物的运输设备。我国电梯行业的发展,在不 知不觉中经过了一个从无到有,从有到多,从多到精的历程。现今,中国电梯 已经形成了全世界需求量最大、增长速度最快的市场。随着人们生活水平的提 高和电子技术的发展,绿色化、低能耗、智能化、网络化的电梯一定能为人类 提供更舒服、更安全的服务。 .课题的研究背景 . 电梯的发展及其控制系统的特点 从年至年的年中,我国电梯生产总量及安装总量大约万台。 以前的电梯主要产品是以低速直流梯和双速梯为主,生产厂家也不会超过十家。 从改革开放至今,我国电梯产品的数量有了一个大的飞越:查阅国家质检总局 的统计结果,我们获悉截至年底,全国处于运行状态的电梯总数达到. 万台,并且每年大约以%的速度高速增长。有关行业人员预测年电梯 行业的年增速为%、%,每年电梯增加的数量超过万台,我国每年电梯 增加量已经超过全世界每年新增加电梯总数的一半,其中一定比例的电梯是用 于出口的?。 另外我国电梯产品的结构也产生了一些的变化:旧的直流式电梯已经从市 场上隐退,交流双速电梯和交流调速梯所占市场份额也逐渐减少,交流变 频变压调速电梯占市场的主导地位,控制系统已在大量采用和单片机控制 技术。 目前,电梯控制技术的核心主要掌握在美国、德国、日本等少数发达国家 手中,中国也有部分厂家进入此领域,当前电梯控制系统主要有下面几个特点: 嵌入式处理器在电梯控制系统中所占比重较大。 虽然作为电梯的控制器其具有较好稳定性,但嵌入式处理器具有运算 速度快、精确度高、存储信息量大、抗干扰能力强的特性,所以在电梯控制器电梯安全控制系统的设计与实现 中越来越受看好。沈阳蓝光集团的电梯主控板采用了集成度较高的 位双,提高了系统的运算精度和实时处理能力,主负责处理来自电 梯的信号,从负责系统实时监视和安全保护功能,这样大大提高了控制系 统对电梯运行时安全性的保障。 电梯控制系统的通迅方式多样化,已向网络控制系统发展。 在电梯控制系统中大多数公司用自已设定的总线协议,如奥的斯的电梯总 线协议,西门子的总线等,这些控制协议是根据电梯系统的特点而制定的, 具有校验和别的查错方法,总线通讯的可靠性有了很大提高。 人机能够相互交流,交互界面比较友好,以语音、汉字等方式进行交互的。 德国奔克公司生产系统可以实现用文字方式显示电梯现在状态,故 障信息等,上海新时达公司实现了用电脑或专用设备对电梯进行调试。广州日 立电梯厂家设计了一款电梯,乘客可以通过语音控制电梯到达自己想要到的楼 : ,五 数字化的要求越来越高。 数字技术不断发展,对具有特殊功能电梯的设计有一定的推动作用。全数 字识别乘客技术和智能安全控制技术,对电梯的安全管理方面有很大改观。东 芝电梯发明一种电梯控制系统,通过候梯处装有的指纹识别系统,获得乘客的 指纹数据,再进行认证,辨别是否与事先登录的乘客的指纹一致,当比对一致 时,才允许乘客进入电梯,未获认证的人员将不能使用电梯。当然有的公司可 设计一张认证卡,通过认证卡上的信息与系统储存的信息进行比对,确认乘客 是否享有使用权乜。 .电梯的结构 电梯主要由八大系统构成的,分别为曳引系统、电力拖动系统、导向系 统、门系统、轿厢、重量平衡系统、电气控制系统、安全保护系统,所有 的部件互相协调工作,才能保证电梯正常安全的运行。 图卜为电梯的结构图,曳引绳两头分别连着轿厢和对重,钢丝绳绕 在曳引轮和导向轮上,电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动,牵引力 是依靠绳与牵引轮之间的摩擦产生的,这样能够有效地对轿厢进行升降控 制,实现运输的功能。轿厢上固定的导靴能够沿着井道上安装的固定导轨 第一章绪论 往复运动,避免轿厢在运动中偏斜或摆动,常闭式制动器在电动机工作时 松闸,使电梯能够运行,当失电时能制动,使轿厢停止升降,并能在指定 层保持静止状态,这样人员和货物可以出入。轿厢是运载乘客或载荷的箱 体部件,对重是用来平衡轿厢载荷和减小电动机功率的口。 图?电梯的结构 从电梯的构造上来说,电梯的安全部件分为四个部分,安全电路、限 速器、安全钳、轿底缓冲器。简单的说,电梯如果出现故障,首先是安全 电路动作,通过控制元件将电梯停掉。如果安全回路不能正常工作,电梯 一旦失速,电梯中的限速器和安全钳将会产生动作,如果停电或电梯中的 钢丝绳全部断掉,电梯将加速下行,当速度超过额定速度的%时,限速 器就会带动安全钳产生动作,将电梯紧紧的钳在电梯导轨上。再假设安全 钳和限速器都坏了产生几率极小,电梯井道下也有缓冲器,减小电梯 下行时的冲击力。电梯安全控制系统的设计与实现 .存在的问题 随着电梯使用数量地不断攀升,电梯运行时发生关人、夹人、冲顶、蹲底 事故明显增多,甚至出现死人的事件时有发生,年正在使用的电梯安全问 题也愈加凸显,电梯事故造成人死亡。年国家质检总局相关负责人通 报,年全国共发生各类特种设备事故起,死亡人,其中电梯事故 起,电梯中事故大多数为控制系统出了问题,有的是出现问题没有得到即时 救助引起扩大化的结果。 据不完全统计,全国运行的电梯中每台就有台电梯存在安全隐患。下 面列举发生的几个事例。 事件一:年月日点分,北京地铁号线出口上行电梯发生 事故,事情的经过如下:当时正在上行的电梯突然向下运行,造成电梯上的乘 客成片向后倒,互相抵压,最后造成名岁男孩死亡,同时有名重伤人员, 但生命体征稳定,另外名乘客不同程度受轻伤。造成事故原因是因为固定零 件损坏,驱动运行的主机发生了偏移,驱动的链子脱落,电梯倒行的抱闸装置 失控,没能即时停止倒行,整体下滑是必然的。 事件二:年月日,事发东莞市南城鸿福广场,限乘人的电 梯乘载人却没有警报,电梯从楼坠落到负一楼,人受伤,其中人 骨折。超载的电梯应该会自动发出警报声,电梯门也应该自动打开,可一点预 警信号也没有。电梯中的超载装置一般装在电梯轿厢的底部,这样设备可以是 开关装置,也可以是连续变化的压磁装置或应变电阻式装置,不论是哪种类型 的超载装置,只要电梯超过其限制的重量,电梯就会发出报警信号,同时电梯 停止关门动作。这次事故是由于报警系统失灵造成的。 事件三:济南市高新区舜华路舜泰广场号楼安装的是奥的斯电梯, 该楼是年投入使用的,现已让该楼的办公人员头疼了年,由于害怕电梯 轿厢突然下坠,很多办公人员每天爬楼上班,一名在此工作多年的女职员告诉 媒体,乘坐电梯被困是常有的事,前不久她的一位女同事独自乘坐电梯,轿厢 突然下坠至底层后,轿厢门一直无法打开,按报警铃一直无人接听,最后向电 第一章绪论 梯内的摄像头不停挥手,希望有人见到后引起警觉,也没有反应,被关在电梯 轿厢个小时,才被别人发现,现在一直不敢坐这里的电梯了陋。这次事故的 受害者没有得到及时救出,有多方面原因:轿厢里虽有报警铃,可能报警铃响 了但值班人不在岗;通信线路不通畅;值班人员没有一直盯着看视频,造成摄 像头没能发挥其更大的价值。 .课题研究的意义及主要工作 由于现在高层楼房建设数量地不断攀升,电梯使用越来越频繁,从而电梯 出现故障次数越来越多。当电梯发生故障时,怎样才能使电梯里的人最快地安 全脱困及时向外界求救是一种安全保障的重要手段,能让外界或电梯的安全 管理部门人员即时知晓发生了故障是关键的一个问题。 现有电梯厂家在其产品中都集成了大量的传感器用于检测电梯运行状态, 在电梯出现事故时如电梯卡死也设置了简单的求助措施。然而根据我们的 调研,大多数电梯在使用过程中,这些由厂家提供的安全监测系统形同虚设。 根本发挥不了应有的作用。 导致这一现象的原因,一方面是维护人员个人素质不够、相关单位管理水 平低下,服务意识欠缺;另一方面则是由于电梯厂家的监测系统设计不够人性 化,使用不方便。比如,绝大多数电梯厂家开发的监测系统都安置在楼房顶层 的某个偏僻的房间内,这导致实际上不可能指望管理人员每日小时不问断的 守在枯燥乏味的监测设备前掌握电梯运行状况。 本课题在调研现有的电梯安全问题的前提下,应用和互联网技术,努 力克服厂家现有系统的不足,开发更具有实用价值、更加人性化、使用方便可 靠的安全监测系统。本课题设计的系统包括两大部分:电梯安全监测设备和管 理软件;作者主要负责电梯安全监测设备的开发,包括设备的整体方案设计,硬 件电路设计,芯片的选型,系统软件的设计。 当电梯出现故障时,被困人员可以通过电话向外界求救,系统自动播放 放缓被困人员紧张的心情或进行适当语音提示以便自救,当值班人员不在岗时, 系统通过向管理人员或电梯维护人员的手机发信息、打电话求助。同时可 以通过自身的检测系统检查电梯的安全,当发现问题时会及时反馈给维护人员。 电梯安伞控制系统的设计与实现 这样维修人员就能够第一时间了解电梯出现故障的原因及相关信息,同时安保 人员可即时到达现场,对电梯内乘客进行安慰,把电梯故障的负面影响减小到 最低,提高企业的服务质量,也可避免事故的进一步扩大。 .系统的设计原则 系统的实用性。系统的内容设计要以实际需要为出发点。如果片面追 求系统的先进性,势必造成过多的资金地投入,生产产品的功能离实际需要不 相符。因此系统的实用性是首先应遵循的设计原则。 系统的实时性。系统必须对当时所发生的各种事件做出及时恰当的反 应,尤其对于非正常的情况,必须马上向电梯管理系统发送报警或向外界求救。 系统的可靠性。如果安全控制系统发生问题,可以通过应用软件提示 工作人员以即时维护,这样设备能够正常工作。 系统的可扩展性。应用技术的不断向前发展,促进了设备功能的完备 性更加显著,因此系统的设计与实施时,应对将来扩展的实际需要有所考虑。 总而言之,系统首先要求安全稳定,这是最基本的要求。其次功能上具有一 定的先进性,以适应未来发展的需要。 .论文的结构安排 第一章绪论,主要论述基于电梯设备控制系统的研究背景及研究意义,简要 介绍论文的内容安排。 第二章电梯设备控制系统的硬件设计,主要介绍硬件芯片的选择,外围 接口的设计及控制模块的硬件设计。 第三章电梯设备控制系统的软件设计,主要阐述控制软件设计流程及各项功 能的实现等。 第四章总结,设计的总结,设计中不足,问题与发展。 第二章电梯安全控制系统的硬件设计 第二章电梯安全控制系统的硬件设计 .硬件整体设计 设备硬件采用的作为主控制芯片。管理系统通过 实现实时时钟维护,同时可利用读卡模块对维护人员进行身份 认证。总线接口作为预留接口,可以用来连接电梯厂家设置的各种传感 器,在当前设计中由于没有获得电梯厂家的传感器接口资料,没有实现。 模块用于播放储存的音乐和语音,当人员被困时,系统检测到相应的信息 后,将自动启动播放安抚音乐和求助信息。 系统通过与计算机进行串口通信,可以通过该接口对设备进行参数 设置。模块是/无线通信模块,可在/洲网络中应用, 该模块提供语音通话功能和短信收发、无线数据传输功能;在本系统中用于对 电梯运行状况远程的实时监测,同时当电梯发生故障时可与被困人员进行对话 沟通,即时了解电梯的状态。是以太网收发器,在相应控制引脚端连 接指示灯,显示该设备的工作状态,其后可接端口形成完整的以太 网接口,配合/协议栈,实现有线方式的网络通信;在条件允许的情况下, 可以实现无线、有线两种方式联网,增加系统的灵活性和健壮性。一图为硬 件系统总体设计框图拍四。 .。. 串口 一 ? 读卡模块 . 璧感器模 一 .块. ?.时钟 。?卜 电源, 土 备用电源 ?状 态指示 图?硬件总体框图 . 主要特性及内部结构 主控芯片采用公司的,是一款低功耗、 高性能的位单片机,该单片机正常运行时所需要的电源电压为.。 主要具有特性功能如下: ?是以 核心系列系统级芯片微控制器,位 中央处理单元,运行在处理器核心速度高达.兆赫。并 且主频为的速率。 ?集合通信外设,包括,和。 ?集成的位模拟数字转换器。 ?支持多达个外围设备中断请求和个软件中断请求。 ?在正常工作电压和温度范围内可读取/擦除/编程闪存, ,以及对及中的数据有保护作用。/ ?/速度总线主控快速以太网,直接访问内存 控制器,支持半或全双工的传输方式。媒体独立接口 ,连接外部 的物理收发器,多功能外部总线接口。 ?外部总线、有个双向/口、一个单向输入口、一个单向输出口及 个键盘中断。省电模式,有两种低功耗模式,一种是允许有限使用一些外设如、 等。为了降低功耗,在等待模式时,关闭和允许所有外围设备运行。 能够正常运行,能把传输到中,并能中断唤醒和处 于等待模式,而稳压器处于待机状态,外设时钟能使不运行的模块中时钟 停止,从而减小电流。时钟源选择,闭环控制的晶体或陶瓷振荡器产生的频率范围为. 到.或到。系统保护,看门狗通过的内部时钟源或总线时钟,保证处理器正常 运行。 图.列出芯片的各部内部结构【】。 第二章电梯安全控制系统的硬件设计 心棚敞绺触 忱甑 峨 恕 以越棚幻蜘雪盘 卅蛙确 ,蚋 越略 翟蝴蜘挣?舡 雌 吒 悖鼽 纳 雕嘲孵地馘衄 怖目 艇毪 靠: :超雠鼢啦 ?站柚阿 蠛 ;泣 黼 氇啊砭幽 嘲 州: 船冉盘 瓢一 施”. 弘镰 船伯融鲰 枷 睫谰.,穑窿撙 色 缸镰讯?学燃 协盘如 一弘懈.悯 ?一 如幅。.域豳; 钟幢 &慵媳:嚣 啊静臀?盘 雠堋.敞一鲋饼纵 ,? 沲嘲.妊疆覆 触 气 静龇蟹哆苏,?一 貔,蛤垃哺心 ?:” ,.描? 魏碑硒睁 琵黝臼 &譬 喀望臻, 袖刍& ”湘,】豳掣件巴瞳 啪;崩铆钳?泌柏朗 蚴詹?饪:哟 一斑竹,啦址 钒唧,啦 舡 ?也竹:地椎盥柏“ 皿忧鲰茸驻鼬 帆嗽,啦鹣 蜘?心础竹 让潴钮硼髓 十羞 产托;巩纳阮囱 匕砌矶砒口嘧 能寸岱帕疗邵喇堙啡 卯臼蝴附 旺他搿吸【聋曩 以髓锄腊 升口让踟悄望立帕心 蛾包 辩舷心蟒:艳勘孵触觉攫 孵纯愆心群,啪越既蝌 一把椒:嘞 ?艺嘲 咖嘲籀未 一“阮矸蚀撕:啪 椒?甜酗世他 ”捌蛾帅位他.色铆 砰订啦汽期咱醉盘 阱佟她髓柏桃柏糟 ,由竹簪卷魏 舯馈始断纽 岱船.婚他镪 雕融。? 孵 一?让搿,豫础蛹纳 钟笛她.隆培,昭艳臻赧 钟幽裆”始。嶂 雕氆豫:悖糟啪龋鬟 湘埔船柚?口 惜他.糟铆簖函蛘 酗自蜘 : 伯伯加 慰储竹艺啊 屹帏眦 均翻 ”,他 缁 一埔?骈屯皤馈 纽 阿矗纳.硒伯。翻 孵神瑚 毓癣: 垫 矗毒.艋伯.盘 嗽 鲥。髓.纳? 朔伯幽 姓弘 一艄匿曩匿 图. 的内部结构图 表?列举了内部结构电路图中各模块及其功能。 电梯安全控制系统的设计与实现 表 模块功能 单元 功能 测量模拟电压达位分辨率 提供单引脚测试功能接口 曲 处理器核 看门狗 调试和仿真功能 ,似主线主控以太网控制器,直接访问内 存,支持仁双工和全双工 为程序代码、常晕、变量提供贮存 / ?、? 支持标准通信协议 为设备提供控制和优先级中断 键盘中断接口 低压检测单元 为设备提供时钟选项,包括锁相环、和有慢参考时钟来 源的锁频环。 提供外设储存器和外设功能 、 位模数定时器配置时钟输入和溢出产生中断 提供堆栈和变量贮存 快速端口 实时计数器 实时时钟定时器 、 串行通讯接口,支持一和协议 、 提供引脚同步串行接口 、 定时器和模块、用于多种定时器运行、脉冲宽度 调制。 内部电压调节器 外部品振输入 系统集成模块 .芯片 是单端口/,以太网物理层收发器。其引脚图如图., 下面对一部分引脚作些说明,、为差动驱动输出端口,在?运作 模式时,可用来作为接收输入端口。、为差动驱动接收端口,在? 运作模式时,可用来作为发送输入端口,这些引脚需要接入.电压电源才能 保证其正常运作阳。 引脚为能产生 时钟输出端: 在模式,该引脚提供的 时钟输出。在模式下,该引脚可提供的时钟输出,这也允许其它设 备来使用。 第二章电梯安全控制系统的硬件设计 寒 望 气每跽 肇?鬻:.。 鼍磁?。 喾搿善矗鼍? 置 鼍 一 尊弓一 窖 ?酎?玎 口? 啊讲棚睡一 芒一 ?删岍.?一 ,?曩嗽. 垤 疆啼秣 脚纠 挂 ? ,峰、?盛 竹 口: ? 一 托 图? 引脚图 其中引脚用来接指示灯,在模式的情况下,当灯是亮点状态时, 显示链路是好的。链接/的指示灯:在模式和模式,这个引脚指示传送 和接收的活动,当链路是好的情况下,会以闪烁形式指明发送器或接收器 处于活动状态。 引脚连到速度指示灯上,当该灯亮时,表示传送速度为/,当灯 不亮时,表示速度为/。 引脚为活动指示灯:在模式中,此引脚上连接的亮时,表示处于 发送或接收状态。在模式中,该引脚默认情况下是用来检测故障。在模式 中,当亮时,表示芯片收发器处于全双工状态。 引脚接初始端,处于低电平至少 处于初始状态。其内 部寄存器将初始化。 为了保障正常工作,将和.的两相电容并联接到 的地方,另外接一个.电容再连接到引脚和电梯安全控制系统的设计与实现 引脚,作为电源反馈输出,如图?所示。 图电源反馈图 图?为芯片在电路中连接示意图,该芯片支持个不同的以太 网协议,因此列入自动协商,确保了高性能协议将被选中的基础上链接伙伴的 能力,具有自动协商功能,可以通过内部寄存器的访问或使用?, 和引脚控制 。 图? 芯片的厩用图 状态灯显示芯片工作情况,芯片正常工作时需要的时钟触发,一 端口是常见的双绞线以太网端口,根据传输的速率不同通常分为?端口 和端口两大类。 . 芯片 是一个编码器和音频解码器。该芯片内部有一个处理器核 ?,其性能强,还可作为工作数据存储器用,另外有能为客户提供.的 数据和的指令。有串行的控制和数据接口,四个常规用途的输 出与输入端口,一个将并行输入变为串行输出的芯片,一个高品质可变采样 率的和立体声,还有一个耳机放大器和地线缓冲器。还通过一个串 第二章电梯安全控制系统的硬件设计 行接口接收输入比特流,这样它可以作为一个系统的从机。输入的比特流将被解 码。该芯片具有解码功能,另外还有其他应用的地方,例如在用户中、 音效处理中等等。 蚰衄 曩咖 噱 默 恋 酊咀? 哝田 舢 习匿,瓤 盯 /卜叮【 灯口咩 仰, ? 仔柏 噼们 ,衄【 邢, 岫 图? 模块结构 图为模块结构图及引脚图。为了进一步了解其功能,表格歹举 了的电气参数范围,并且对每个引脚功能和参数范围进行了详细说明,在 设计电路时作为参考?。 表 电气参数 参数名称 符号 最小值 最大值 单位符号 一. . 模拟电源 一. . 数字电源 /电源 . . ? 所有数字口输出电流 . .不能超过. 所有数字口输入电压? 操作温度 . ? 存储温度 删 输入时钟频率. 内部时钟频率 为了进步熟悉该芯片的功能,以一封装为例,对每个管脚标号、功 能详细说明,如表?。电梯安全控制系统的设计与实现 表? 管脚功能 管脚名称 管脚类型 管脚功能 同相差分话筒输入,自偏压 反相差分话筒输入,自偏压 低电平有效,异步复位端 、 、 、 、 处理器核与/地、 处理器核电源、 /电源 处理器核电源数据请求,输入总线 / 通用/,串行数据总线时钟 /通/串行数据总线数据 ,数据片选端/字节同步 、 、 /电源 时钟压控振荡器输出 品振输出 品振输入 片选输入,低电平有效、 处理器核电源 接收口,不用时接 发送口 串行总线的时钟串行输入 串行输出、? 处理器核电源 保留做测试,连接至 /通用/,使用下拉电 阻 通用/、佩 模拟地,低噪声参考地 、 、 模拟电源 右声道输出 左声道输出 、 、 模拟地 公共地缓冲器基准滤波电容、 线路输入 第二章电梯安全控制系统的硬件设计 .电路设计: . 模块电路设计 睨 ? ? 口 图? 模块电路 如?图所示,为了单片机的正常运行,需要在、引脚间加载一个振 荡器,晶体产生的频率为。另外,芯片的、和引 脚都必须连接到地线上,、引脚一起接到.的电源上。电源所 整变而产生.电压电源,要经过电感和电容组成滤波的作用,然后输出的电 源作为主芯片的供电电源羽。 图? 芯片电梯安伞控制系统的设计与实现 图为芯片的引脚图,该芯片右上方的引脚信号输 出端连接到收发器相对应的引脚上,实现以太网接入功能。 接口分别连接卡、 解码芯片和芯片上。 引脚为复位端,通过电阻和电容和按钮开关构成的阻容复位电路, . 实现对的上电复位和手工复位。 逻辑上的连揍 图调试电路 图?为调试电路接口,连接方式如图,使用标准的针 接口,实际上只占用一个引脚,比等的调试接口占用资源更 少。是根据飞思卡尔的制作资料为基础,参考清华大学实物 而设计制作的开源工具,原理图和制作方法对外开放。用户通过接口 可以完成基本的调试功能,例如:设置断点、读写内存、读写寄存器、下载程序、 单步执行程序、运行程序、停止程序运行等。在宿主机方需要专门的驱动程序, 并且在宿主机和目标机之间需要用专门的仿真器进行连接引。 .以太网接口模块 以太网是当今局域网采用的最通用的通信协议标准,在互联设备之间以 ?的速度传输信息包,双绞线电缆 .以太网由于其低成本、 高可靠性以及的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。直扩的无线 以太网可达 ,许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行 通信,开放性最好。本系统用主芯片配合以太网收发器,实现有线的 联网方式。 第二章电梯安全控制系统的硬件设计 胡 、口 图一 的接口电路 图.为 以太网收发器电路。内部集成的快速以太网控制器 与收发器连接, 配合 构成完整的以太网接口电路。 是中山汉仁 公司生产的集成有网络变压器的接口,是国内应用比较广泛的 一款产品。 图辅电路 上图一以太网接口电路的一些辅助电路,三个灯为指示作用,表示 电路所处的状态,在模式情况下,发光灯为指示;发光 电梯安全控制系统的设计与实现 灯为状态指示;发光灯作网络传输速度指示的,当亮时 表示传输速度为/,不亮时表示传输的速度为 /,晶体产生 的振荡源,为芯片正常工作提供时钟钔。 . 模块 管理系统需要维护系统时间,我们采用公司的实时时钟, 外接的备用.钮扣电池,在系统断电的情况下仍然维护系统的时钟运行。 是低功耗的实时时钟/只历芯片,它可以提供精确到秒的计时功能, 有一个可编程的中断输出和时钟输出,所有数据和地址通过总线进行串行 传递。可在.?.电压范围内正常工作,在.状态下工作电流 /副。 仅为.,总线传输速率为 刀 一 ?丰却广卜 尸? 图一实时时钟接口电路 电路图?中端口、为振荡器输入和输出,是串行时钟输 入端、为串行数据输出与输入端。 通过总线可以方便的设置,并可以在任何时刻读取当前 时钟,当管理人员刷卡使用或者检修设备的时候,通过读取的时 钟,实现了记录系统操作时间的作用。时钟与的接口电路如图 一所示。 . 卡电路 图?为卡接口电路,卡有个触点,在模式下,为数据线, 为电源线,为时钟线,为电源,电源地线,为数据输入点,为片选低 电平有效,数据传输采用方式,供电为.,引脚 用于卡检测 第二章电梯安全控制系统的硬件设计 用的,用于写保护的。上面三个分支电路为指示作用的,通过发光二极管显 示状态。 图. 卡接口电路 系统支持一路卡捅槽,可以支持以下的卡实现系统运行数据的 大容量存储。根据卡规范,卡可以支持两种模式:模式和模式; 其中模式传输速度较快,但需要硬件支持专门的控制器口引。模式虽 然传输速度较慢,但只需要支持即可,非常方便。考虑到 本身没有集成卡控制器,我们在本设计中采用了模式。 . 读写模块 图.读卡模块 是非接触式射频读卡模块,是北京方圆科技公司开发的 产品,该产品可扩展/,部分可设为漏极开路,推换等,很容易嵌入到系统 中去。该模块支持系列非接触卡;采用标准接口或 接口与主控通信。在本设计中我们选择了方式,当有卡接近时该模块 电梯安全控制系统的设计与实现 时,读卡模块会自动寻卡,则通过接口读取卡卡号。图一 是该模块的接口电路图。图中、为天线接口,、为通信接 口,与的控制器连接。作为有无卡指示用的,在本设计中 作为的外部中断信号,当有卡片接近时,该引脚被拉低,这个下降 沿触发的中断,在中断服务程序中读卡钉。 . /模块 如电路图?所示。本系统有八个输入端口,用于连接个传感器检测电 梯运行状态。这个传感器中有个是的开关信号,另两个是 的开关 信号。输入端口连接着传感器,反应电梯的运行状态是靠传感器实现监测的, 电梯中的传感器较多,如位移传感器、压力传感器、温度传感器和光电传感器 等【引。控制器根据接收到的信号作出不同动作反应和发出不同的信号请求。 红外线感应器,一边门装发射极,一边门装接收极,当中间光束被挡时, 接收极收不到发射过来的光束,就会反应到控制器再反应到电梯主板,门将被 打开,从而避免发生门夹人事件。传感器收到信息,一切行动都是由程序作出 控制的。其中、的端口并联个电阻,用于电流较大的通路中。 ?扣 :苎垆;譬,?一一.。刍至 ?霰口一 嵋 ?葚 ?旷一 ?沪一 ?啊卜一 ?蕊忙 。二。等“一。 ?/,一 。兰 秽 。鼍:兰 一 ?一 噩孓 地二彭四一、 一舀屯 誓 图. /电路 称重传感器,是将电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上,再以合适方式搭成 电桥,这样将压力转变成电信号。采用应变桥式传感器,四点称重,轿底缓冲 块只起到连接作用,四个传感器对重量进行加法运算,能克服电梯偏载时称重 不准的弊端。电梯运行时向控制系统提供载重、位置、换向、速度等各种信号, 控制系统根据这些信号,对电梯的运行有了更多的安全的保障。 温度传感器是数字温度计,通过一条口线连接到中央微处理器,且第二章电梯安全控制系统的硬件设计 不需要外接电源,通过温度转换可从数据线本身获取能量,另外多个传感器可 连在一条总线上,因为每一个温度传感器都有其独特的序号,这样可 利用多个温度传感器感测不同设备或机器的温度,同时进行过程监测和控制, 当感测来的温度超越一定限定时,控制系统会果断采取断电保护措施,使电梯 停运,并且同时可发出报警信号【。 图中运用了光电耦合器,因为对于开关电路,要求控制电路和开关电 路之间要有很好的电隔离,这对于一般的电子开关来说是很难做到的,但采用 光电耦合器就很容易完成这样的任务,光电耦合器具是一种半导体光电器件, 由于它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与输出 等特点,已经被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中,它可以代 替继电器、变压器、斩波器等,主要用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻 辑电路、过流保护、长线传输、高压控制及电平匹配等九。 .?模块 图? 电路 图.为解码电路图,采用音频解码器,其、引脚分别 接到的右声输出端和左声输出端。、接到模拟地线上,、 、直接接到数字地线上。数字地和模拟地之间通过磁珠隔离。如 果不使用引脚,左右声道输出必须增加的隔直电容,如果用地缓 电梯安全控制系统的设计与实现 冲器作耳机的公共电压,这样,音频输出不需要接较大的隔直电容, 大小就可以了。如果不使用玎通用串行数据总线,端必须接, 必须悬空,不允许在端接任何负载。 . 模块 是网络上开发应用的一种新型的分组数据技术。优点明显:永远 在线、能够自动切换和高速度传送等。因此对提升移动数据通信的服务有了很 大帮助,使移动梦网服务更丰富、功能更强大、给客户的生活和工作带来更多 方便和实惠。上网速度约为,最高理论值为.乜?。 萨 图? 模块乜路 /网络的无线通信模块。该模块可 是支持 提供语音通话功能、短消息收发和无线联网功能。模块内部集成嵌入式 /协议栈,大大简化了软件开发工作。图为模块电路图,图 左上方标明与卡上相对应引脚,模块需要卡配合才能正常工作, 支持标准指令集。例如表示连接建立,表示 服务建立,表示服务打开等等。另外该模块的可 操作环境温度最高可扩展,可靠性较强恤。第二章电梯安全控制系统的硬件设计 ?翱 二二 :.上:嬲. 。认. “ 一 兰 卜 图. 卡接口电路 图?所示卡接口电路,可以支持标准中国移动手机卡。 图. 模块启动和关闭控制电路 图所示是模块的启动和关闭控制电路,分别由一个三极管控 制。通过来控制三极管从而实现模块的启动和关闭。 .音频功放和通道切换电路 为了使电梯内与电梯外能够进行有效的对话和沟通,如图.音频电路必 不可少。电梯安全控制系统的设计与实现 图音频电路 是一座连接音频功率放大器桥梁,从引脚经过电容将信号通过电 梯内扬声器输出。能提供平均功率为左右,由电源电压进行供电, 适合于低功率便携式系统,其内部有热关断保护机制,可以通过配置电 阻,实现高达的增益乜引。 图切换电路 继电器用于切换音频通道,图为切换电路的一部分。在本系统设第二章电梯安全控制系统的硬件设计 计中,需要通过设置在电梯内扬声器输出的音频信号有两类。第一类为模 块的语音通话信号;第二类为解码芯片输出的音乐信号。 的控制一个三极管来控制继电器通断,从而实现音频信号切换的功能。 .串行通信接口 串行通信接口有两类:和接口,图?是接