CAN總線通訊技術(shù)在岸橋升降機(jī)中的應(yīng)用

項(xiàng)福祿，孫　鵬，劉若成，宋占宇，張　軍

(1．阜新發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧阜新　123003；2．沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽　110043)

0　引言

岸橋升降機(jī)一般采用PLC+變頻器控制方式，PLC、變頻器和大部分控制元件均安裝于電氣控制箱中。各個層站和轎廂安裝有呼梯盒，用于顯示轎廂位置、運(yùn)行方向以及輸入呼梯信號。呼梯盒與電氣控制箱之間的信號傳輸需要敷設(shè)固定電纜和隨行電纜。通常升降機(jī)有效運(yùn)行高度為45 m，所需電纜總長度達(dá)到130 m．目前，呼梯盒與電氣控制箱之間的布線均采用并行方式連接，每個信號對應(yīng)電纜中的一根芯線。以常見的4層站計(jì)算，每層需要9根信號線，轎廂需要12根信號線，總計(jì)需要使用48根信號線。此種規(guī)格的隨行電纜需要向廠家定制，價格很高，同時也增加了安裝和維護(hù)的成本。另外，較長的傳輸距離，使得信號線容易竄入干擾，引起升降機(jī)的誤動作，降低了系統(tǒng)的可靠性和安全性[1]。

文中介紹了一種采用CAN總線串行網(wǎng)絡(luò)通訊的技術(shù)方案，使用2根信號線和2根電源線以串聯(lián)方式連接各個層站和轎廂節(jié)點(diǎn)，就可以完成各個呼梯盒與電氣控制箱之間的所有信號傳輸，總電纜長度降低到80 m左右，電纜要求也從48芯降低為4芯。由于CAN總線本身具有的可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，使得信號的傳輸非常穩(wěn)定可靠。通過以上的改造，不僅降低了成本，提高了生產(chǎn)效率，設(shè)備運(yùn)行的可靠性也大幅提高。

1　通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1．1通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

主體采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)PLC和呼梯盒之間的數(shù)據(jù)交換。但是由于目前常見的PLC均不具有CAN通訊接口，因此方案中設(shè)計(jì)了單獨(dú)的RS232/CAN通訊轉(zhuǎn)換模塊(以下簡稱轉(zhuǎn)換模塊)，用以實(shí)現(xiàn)RS232和CAN總線的數(shù)據(jù)交換，相當(dāng)于網(wǎng)橋的功能。由PLC、轉(zhuǎn)換模塊和各個呼梯盒構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)分為2個部分：PLC和轉(zhuǎn)換模塊處于網(wǎng)絡(luò)1，為RS232網(wǎng)絡(luò)；轉(zhuǎn)換模塊的CAN總線接口與各個呼梯盒構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)2，為CAN總線網(wǎng)絡(luò)。該方案中的通訊網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖1所示。

圖1　通訊網(wǎng)絡(luò)示意圖

1．2CAN總線簡介

CAN是Controller Area Network的縮寫(以下稱為CAN)，是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

現(xiàn)在，CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于運(yùn)輸設(shè)備、煤礦、工業(yè)過程控制、船舶、醫(yī)療設(shè)備等方面[2]。

1．3通訊協(xié)議

通訊協(xié)議包括硬件和軟件兩方面的內(nèi)容。在該方案中，應(yīng)用了RS232和CAN兩種網(wǎng)絡(luò)形式，以下進(jìn)行分別說明。

1．3．1RS232網(wǎng)絡(luò)的通訊設(shè)置

該方案的RS232網(wǎng)絡(luò)包含2個節(jié)點(diǎn)：PLC和轉(zhuǎn)換模塊，采用的是全雙工的傳輸模式。通訊波特率設(shè)置為：9600，數(shù)據(jù)格式設(shè)置為：8N1。RS232網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)每間隔100 ms定時刷新1次。

數(shù)據(jù)幀格式：PLC<->轉(zhuǎn)換模塊：固定4字節(jié)(Hex)。

EE data0 data1 0D

起始符 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)補(bǔ)碼結(jié)束符

為了提高通訊的可靠性，采用雙幀校驗(yàn)的方法，即每個數(shù)據(jù)幀連續(xù)發(fā)送2次，若2次數(shù)據(jù)不一致則丟棄。另外，在每個數(shù)據(jù)幀內(nèi)還采用了補(bǔ)碼校驗(yàn)的方法，即令data1為有效數(shù)據(jù)data0的補(bǔ)碼，接收端將data1和data0相加，如果結(jié)果為零，表示數(shù)據(jù)正確。以上的校驗(yàn)方式避免了復(fù)雜的CRC校驗(yàn)計(jì)算，程序簡單實(shí)用，處理速度快，在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。

data0的8個bit定義如下：

bit76543210

含義00上下4F3F2F1F

從PLC發(fā)給轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)中，上、下、4F-1F均是顯示信號，表示運(yùn)行方向和當(dāng)前所在位置。4F即表示4層。例如，數(shù)據(jù)為0x22，其中b5和b1為1，其余為0，則表示當(dāng)前處在2層，正在向上運(yùn)行。呼梯盒中樓層顯示為“2”，運(yùn)行方向?yàn)椤吧稀薄?/p>

從轉(zhuǎn)換模塊發(fā)給PLC的數(shù)據(jù)中，只有4F-1F信號，表示按下了對應(yīng)的呼梯按鈕。

1．3．2CAN網(wǎng)絡(luò)的通訊設(shè)置

該方案中的CAN網(wǎng)絡(luò)包括6個節(jié)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換模塊和5個呼梯盒。由于數(shù)據(jù)量很小，同時對實(shí)時性要求不高，因此將波特率設(shè)置為50 k以提高可靠性(理論通訊距離為1 km以上)。CAN總線數(shù)據(jù)每間隔100 ms定時刷新1次。

CAN總線是自動仲裁的總線，低值ID具有高優(yōu)先級，據(jù)此設(shè)置各個節(jié)點(diǎn)ID為：轉(zhuǎn)換模塊為0x10；轎廂呼梯盒為0x20；其他呼梯盒為0x21-0x24。

CAN總線控制器芯片本身已經(jīng)帶有CRC校驗(yàn)功能，數(shù)據(jù)傳輸可靠性是有保證的，因此該方案中的CAN總線通訊數(shù)據(jù)均為單幀發(fā)送，有效數(shù)據(jù)為2個字節(jié)，分別為data0和data1，仍然保留補(bǔ)碼校驗(yàn)[3]。

1．4硬件構(gòu)成

1．4．1PLC的選擇

PLC是整個整個電氣控制的核心，該方案采用了CP1E型PLC．該P(yáng)LC隸屬于小型PLC之CP1系列，具有經(jīng)濟(jì)、簡單、高效的特點(diǎn)，特別適合小型控制系統(tǒng)使用，正逐步取代原有的CPM系列。相對于CPM系列，CP1系列PLC在經(jīng)濟(jì)性、指令集、PC連接、高數(shù)計(jì)數(shù)、脈沖輸出、通訊等方面均有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，是目前小型控制系統(tǒng)的理想選擇。該方案選用的是CP1E-N40DR-A型PLC，具有24點(diǎn)繼電器輸入和16點(diǎn)繼電器輸入，自帶1個RS232通訊端口，該端口支持多種數(shù)據(jù)格式。PLC開發(fā)軟件采用CX-Programmer9．34，采用梯形圖方式編寫PLC程序。

在PLC項(xiàng)目的設(shè)置選項(xiàng)中對內(nèi)置的RS232端口進(jìn)行定義，包括波特率、數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議。由于該方案中對數(shù)據(jù)傳輸速率沒有特殊要求，因此將波特率設(shè)定為常用的“9600”，數(shù)據(jù)格式設(shè)定為“8N1”，通訊模式選擇“RS232C”，設(shè)置起始碼為0xEE，結(jié)束碼為0x0D.

2　呼梯盒的設(shè)計(jì)

2．1呼梯盒的硬件設(shè)計(jì)

呼梯盒硬件框圖和原理圖如圖2所示。

圖2　呼梯盒硬件框圖和原理圖

原有的呼梯盒僅完成顯示，不具有通訊功能，因此該方案設(shè)計(jì)了一種帶有CAN總線通訊接口的呼梯盒。呼梯盒主要包括電源、單片機(jī)、CAN控制器、隔離CAN收發(fā)器、數(shù)碼管。

呼梯盒的電源部分輸入為24V直流電壓，采用K7805-500穩(wěn)壓模塊進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出5V電壓供電路使用。K7805-500是一種小體積的開關(guān)穩(wěn)壓模塊，相比常用的7805或LM2575的穩(wěn)壓芯片，具有外圍元件少、體積小、效率高、自發(fā)熱小的優(yōu)點(diǎn)。

單片機(jī)采用STM8S103F3P6單片機(jī)，具有640字節(jié)真正的EEPROM，可永久保存設(shè)置數(shù)據(jù)；1k數(shù)據(jù)RAM、豐富的外設(shè)功能和靈活的時鐘配置令程序編寫游刃有余。先進(jìn)的3級流水線哈佛結(jié)構(gòu)內(nèi)核和擴(kuò)展指令集，使得運(yùn)行速度遙遙領(lǐng)先與傳統(tǒng)的51內(nèi)核的單片機(jī)。該單片機(jī)還具有時鐘安全檢測機(jī)制和2種獨(dú)立硬件看門狗，且具有強(qiáng)健的IO設(shè)計(jì)，因此特別適合于在工業(yè)強(qiáng)干擾環(huán)境下使用。

CAN控制器采用的是Microchip的MCP2515，該芯片具有高速SPI接口和單片機(jī)高速交換數(shù)據(jù)，內(nèi)部帶有報文濾波功能，可以設(shè)定為只接收指定ID范圍的數(shù)據(jù)，有助于節(jié)省單片機(jī)的開銷。該芯片還具有2個接收緩沖區(qū)和3個發(fā)送緩沖區(qū)，具有一定的報文管理能力。

CTM1050是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，這些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平并且具有DC 2500V的隔離功能及ESD保護(hù)作用。該芯片符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，因此，它可以和其他遵從ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN收發(fā)器產(chǎn)品互操作。

2．2呼梯盒的軟件設(shè)計(jì)

呼梯盒軟件處理流程如圖3所示。

圖3　呼梯盒軟件流程圖

3　CAN/RS232通訊轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

3．1通訊轉(zhuǎn)換模塊的硬件設(shè)計(jì)

CAN/RS232通訊轉(zhuǎn)換模塊主要包括電源、單片機(jī)、RS232接口、CAN接口幾個部分。其中，電源部分、單片機(jī)和CAN接口部分采用和呼梯盒一樣的技術(shù)方案，上文已有敘述，下面僅介紹RS232接口部分。

RS232接口部分考慮到通訊距離很近，不超過50 cm，因此不做電源隔離。該部分采用SP232EEN作為收發(fā)器，該芯片完全滿足RS232和V．28串行協(xié)議，所具有的ESD增強(qiáng)性能使得這些器件可以承受±15 kV的人體放電模式(Human Body Model)和IEC1000-4-2氣隙放電模式，該器件與其他公司的RS232接口IC的的管腳互相兼容，同時兼容通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該系列的器件承襲了BiCMOS設(shè)計(jì)特性，可實(shí)現(xiàn)低功耗操作，而不影響其它特性。

3．2通訊轉(zhuǎn)換模塊的軟件流程圖

通訊轉(zhuǎn)換模塊的軟件流程圖如圖4所示。

圖4　通訊轉(zhuǎn)換模塊軟件流程圖

4　結(jié)束語

采用文中的方案進(jìn)行改造以后，升降機(jī)的單臺材料和安裝成本降低了近萬元，通過實(shí)際現(xiàn)場跟蹤測試，發(fā)現(xiàn)信號傳輸穩(wěn)定完整，CAN總線技術(shù)的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。根據(jù)用戶的反饋，目前經(jīng)過改造的升降機(jī)的工作穩(wěn)定，干擾問題未曾出現(xiàn)，硬件故障率也顯著降低，用戶對此方案非常認(rèn)同。

該方案將傳統(tǒng)的升降機(jī)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提高了我國岸橋升降機(jī)的技術(shù)水平，給產(chǎn)品帶來了獨(dú)特的競爭優(yōu)勢，也為未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張軍，李知遠(yuǎn)，李鴻儒，等．基于光電編碼器的齒輪升降機(jī)智能控制器的設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2013(12)：122-124．

[2]何凱，吳健，黃友銳，等．基于CAN總線和ZigBee的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2013(12)：64-66；69．

[3]高紅玉，徐建城，曾成奇．基于ARM的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)．電子技術(shù)應(yīng)用，2005，31(4)：24-26．

[4]GB 7588—2003電梯制造與安裝安全規(guī)范．