升降機控制器專用通訊與數(shù)據(jù)處理模塊的設計

張 軍，李洪儒，張 茜，徐海寧，劉 箏，王曉雯

(1.沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧沈陽 110043；2.沈陽電氣傳動研究所，遼寧沈陽 110000)

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升降機控制器專用通訊與數(shù)據(jù)處理模塊的設計

張 軍1，李洪儒1，張 茜2，徐海寧1，劉 箏1，王曉雯1

(1.沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧沈陽 110043；2.沈陽電氣傳動研究所，遼寧沈陽 110000)

為了滿足升降機綜合數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及設備智能化改造的要求，設計了一種具有多種網(wǎng)絡接口的專用通訊與數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊采用AVRXMEGA系列單片機，具有RS232、RS485、CAN、以太網(wǎng)接口，可以通過電腦現(xiàn)場配置通訊端口的通訊格式與協(xié)議，因此可以適應不同的應用環(huán)境。模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)處理單元具有數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換功能以滿足不同的通訊協(xié)議。該模塊的應用，為升降機信息化的實現(xiàn)提供了必要的硬件保障，有助于設備技術(shù)水平和管理水平的提高。

升降機；數(shù)據(jù)處理；AVR；以太網(wǎng)接口；通訊；智能化設備

0 引言

伴隨著科技進步和經(jīng)濟的發(fā)展，遠程監(jiān)測技術(shù)得到了越來越多的應用。齒輪升降機是一種專供工作人員使用的升降機械，其工作狀態(tài)對于保證安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要。因此對港口機械、礦用機械等設備中升降機的運行狀態(tài)的監(jiān)控已經(jīng)成為眾多設備廠商和終端用戶的共性需求。

升降機控制器通常采用PLC作為核心控制單元。PLC的特點是：可靠性高，抗干擾性強；使用靈活，通用性好；編程簡單，維護方便，功能強大。其不足之處在于數(shù)據(jù)處理速度有限，通訊功能不強。

由于PLC在設備中主要肩負著運行和控制功能，如果同時進行較多的數(shù)據(jù)處理，勢必會影響設備的實時控制和響應時間。為了解決這一問題，設計了升降機控制器專用通訊及數(shù)據(jù)處理模塊，該模塊通過網(wǎng)絡接口電路分別與變頻器、PLC和GPRS通訊模塊相連接，接收變頻器和PLC的運行狀態(tài)和故障信息，通過運算處理后發(fā)送給GPRS通訊模塊進行信息的遠傳，然后遠程監(jiān)測平臺接收信息，實現(xiàn)對設備的遠程監(jiān)測。

1 硬件構(gòu)成與特點

本模塊的設計主要包括單片機、通訊接口、電源3個主要部分。單片機采用了在工業(yè)控制領(lǐng)域應用廣泛的AVR單片機，具有端口功能強大、外設豐富、編程維護簡便、抗干擾性強的優(yōu)點。本模塊采用的是其最新的XMEGA系列，除了集成AVR單片機一貫的優(yōu)點之外，還具有豐富而強大的通訊端口和時鐘功能，滿足了多端口通訊以及數(shù)據(jù)實時處理的要求。

通訊端口部分采用集成解決方案，RS485接口選用了帶有磁耦合隔離功能的RS485專用通訊芯片ADUM2483，內(nèi)部自帶磁耦合隔離和總線保護，通訊速度快且穩(wěn)定，抗干擾能力強。CAN總線接口采用了CAN控制器IC+隔離收發(fā)器的解決方案。目前集成有CAN總線控制器功能的單片機位數(shù)不多，選擇余地很小，因此本模塊以單片機性能和功能為優(yōu)先，采用了較為通用的"單片機+CAN控制器+隔離收發(fā)"方案。以太網(wǎng)接口部分采用了國內(nèi)新研制出的集成化以太網(wǎng)接口-超級網(wǎng)口模塊，實現(xiàn)了UART到以太網(wǎng)的透明傳輸。該超級網(wǎng)口模塊內(nèi)部集成有TCP/UDP通訊轉(zhuǎn)換功能，用戶只需要操作串口端即可，模塊參數(shù)可以通過網(wǎng)絡進行配置，現(xiàn)場安裝調(diào)試特別方便。本模塊的主要硬件構(gòu)成示意圖如圖1所示。

圖1 主要硬件構(gòu)成示意圖

2 單片機選型

本模塊采用的是AVR XMEGA64A4-AU單片機，其主要特點包括：

(1)高速低功耗單指令周期內(nèi)核，時鐘頻率可達32 MHz；

(2)指令針對C語言進行了優(yōu)化；

(3)支持1.6 V超低電壓操作；

(4)集成高精度DFLL時鐘，精度可達0.5%，滿足通訊要求，時鐘頻率可以靈活設置；

(5)7個USART串行通訊接口；

(6)7個16位定時器。

目前在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，智能儀表、變頻器、PLC、觸摸屏等設備主要采用RS485作為標準通訊方式，這就要求作為升降機控制器通訊與數(shù)據(jù)中心的本模塊具備多個串行通訊接口才能具備與多個設備進行數(shù)據(jù)交換的能力，這也是本模塊單片機選型最基本的要求。XMEGA系列單片機在串口通訊方面具備強大的優(yōu)勢，如本設計中用到的64A4集成有7個串行通訊接口，遠遠超過了普通單片機1～2個通訊端口的水平。

XMEGA系列單片機內(nèi)部集成的DFLL時鐘也很有特色。通常在串行通訊中要求波特率一致，因此要切通訊雙方的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1.5%，通常需要使用外部晶振才能達到要求。外部晶振電路容易受到溫度潮濕和震動的影響，可靠性較低，且占用PCB空間，不利于集成化。XMEGA系列單片機充分考慮到這一需求，內(nèi)部集成了32.768 kHz高精度RC振蕩器，該振蕩器出廠前已經(jīng)過校準，可以保證整個工作條件下(溫度和電源電壓變化)的精度優(yōu)于0.5%。在此時鐘為基準，通過DFLL電路產(chǎn)生高頻的時鐘信號作為單片機內(nèi)核和外設的工作時鐘，DFLL的頻率穩(wěn)定度由其基準時鐘穩(wěn)定度保證。DFLL時鐘頻率通過寄存器(倍頻數(shù))設定，可以任意設定，相當靈活。

為了提高通訊的實時性和可靠性，本模塊為每個通訊端口配置了一個定時器，用于數(shù)據(jù)通訊的時序控制。

3 網(wǎng)絡接口設計

網(wǎng)絡接口接口部分充分考慮到當前和未來網(wǎng)絡通訊的要求，預留了RS232、RS485、CAN、以太網(wǎng)接口以滿足現(xiàn)場通訊的需要。各個接口的通訊參數(shù)可以通過以太網(wǎng)接口進行配置，這些參數(shù)包括主機地址、波特率、數(shù)據(jù)格式、通訊協(xié)議等，另外還可以對端口通訊數(shù)據(jù)進行組態(tài)，能夠自定義各個端口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向。

3.1 RS232接口

RS232接口在近程(<10 m)通訊中經(jīng)常被使用，本模塊預留的RS232接口采用了SP3232EEN。該芯片的工作電壓為3.3 V，與整個單片機系統(tǒng)的工作電壓相匹配。該芯片與常用的RS232接口芯片MAX232引腳完全兼容，但是外圍電路簡單，只需要4個0.1 μF電容即可工作，并且具備相當強的總線抗干擾能力。

3.2 RS485接口

RS485接口在工業(yè)上應用廣泛，目前的智能儀表絕大多數(shù)采用RS485接口。ADM2483是ADI推出的一款磁耦合隔離型的RS485收發(fā)器，內(nèi)部集成了ADI專利的icoupler(磁耦)隔離技術(shù)，功能上相當于集成了3個單通道的高速光耦和1個RS485收發(fā)器來做RS485通訊的接口隔離，其封裝占用的PCB面積卻僅有1 cm2大小。磁隔離技術(shù)屬于電壓型，所以無需外接限流電阻，前端支持3.3 V/5 V供電，大大簡化了電路和提高了性能。

3.3 CAN總線接口

CAN總線相比于RS485的優(yōu)點主要表現(xiàn)在：

(1)傳輸距離：CAN總線可達10 km(5 kbit/S)，而RS485只能到1 200 m左右，可見CAN在長距離的傳輸上擁有絕對的優(yōu)勢。

(2)總線利用率：RS485是單主多從結(jié)構(gòu)，通訊以主機呼叫-從機應答模式進行。CAN總線是多主結(jié)構(gòu)，多個節(jié)點可以同時發(fā)送，由總線根據(jù)ID號自動進行優(yōu)先級仲裁。由于省去了主機呼叫的步驟，總線利用率得以提高。

(3)錯誤檢測機制：RS485只規(guī)定了物理層，而沒有數(shù)據(jù)鏈路層，所以它對錯誤是無法識別。CAN總線有CAN控制器，可以對總線任何錯誤進行檢測，如果自身錯誤超過128個，就自動閉鎖。保護總線。

本模塊中CAN總線接口包括CAN控制器MCP2515、隔離芯片ADUM1201和CAN收發(fā)器TJA1050T，均為目前流行的芯片方案。

3.4 以太網(wǎng)接口

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的設備需要接入互聯(lián)網(wǎng)，因此要求設備具備以太網(wǎng)接口。傳統(tǒng)的ISO/OSI模型將網(wǎng)絡分為七層，而目前被廣泛接收的是TCP/IP模型，其將網(wǎng)絡分為五層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層。對應本模塊來講，需要完成前四項的硬件設計和軟件編程工作才能完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，因此本設計中采用了一款號稱"超級網(wǎng)口"的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，該模塊實現(xiàn)了串口到以太網(wǎng)的透明傳輸，用戶操作以太網(wǎng)口如同操作串口一樣容易， 大大降低了開發(fā)難度，可靠性也得到提高。

相比市場上許多成熟的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的解決方案，該轉(zhuǎn)換模塊的體積僅有普通網(wǎng)口座的2倍大小，非常容易集成到現(xiàn)有的PCB設計之中，PCB布局極為方便。轉(zhuǎn)換模塊的參數(shù)配置也很容易，將模塊連接入以太網(wǎng)以后，在網(wǎng)絡中處于同一網(wǎng)段的任意一臺電腦上運行配置軟件，即可搜索到模塊并對其參數(shù)進行配置。

4 軟件設計

本模塊的軟件部分主要包括數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)處理2部分。

4.1 數(shù)據(jù)通訊部分

數(shù)據(jù)通訊部分的功能是控制硬件接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的收發(fā)。

數(shù)據(jù)通訊部分軟件流程圖(如圖2、圖3所示)：

圖2 數(shù)據(jù)通訊部分軟件流程圖

圖3 數(shù)據(jù)通訊部分軟件流程圖

4.2 數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分程序的流程圖如圖4所示。數(shù)據(jù)處理部分的功能包括：對收到的數(shù)據(jù)進行校驗、解碼、存儲；對輸出的數(shù)據(jù)進行獲取、編碼。

圖4 數(shù)據(jù)處理部分程序流程圖

通訊端口接收到數(shù)據(jù)以后，數(shù)據(jù)暫時保存在接收緩存區(qū)。數(shù)據(jù)通訊程序設置相應的標志位通知數(shù)據(jù)處理程序，同時暫時禁止端口的通訊功能。數(shù)據(jù)處理程序查詢標志位，獲知有待處理的數(shù)據(jù)，首先對數(shù)據(jù)進行校驗，然后查詢通訊協(xié)議配置表，得到當前通訊接口的通訊協(xié)議，接下來將通訊接口緩存區(qū)的數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議約定的格式進行解碼并轉(zhuǎn)存到主存儲區(qū)中，最后復位標志位并重新啟動端口的通訊功能。

當模塊需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先根據(jù)需要層主存儲區(qū)中去除數(shù)據(jù)，再查詢通訊協(xié)議配置表，得到當前通訊接口的通訊協(xié)議，接下來按照通訊協(xié)議對數(shù)據(jù)進行編碼并保存到端口的發(fā)送緩存區(qū)中，最后設置發(fā)送標志位，交由數(shù)據(jù)通訊程序來處理。

為了提高適用性，本模塊內(nèi)部預置了常用的串行通訊協(xié)議，只需要通過參數(shù)配置為各個端口選擇其中的一種即可。

5 應用情況

本設計在天津港、欽州港等帶GPRS通訊功能的齒輪升降機智能控制器及遠程監(jiān)測平臺系統(tǒng)項目中得到了配套應用，經(jīng)過項目現(xiàn)場一年多的實際運行，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。遠程監(jiān)控中心通過無線網(wǎng)絡和沈陽儀表院自主開發(fā)的監(jiān)測平臺軟件實現(xiàn)了對升降機運行狀態(tài)的異地實施監(jiān)測，不僅有利于及時發(fā)現(xiàn)并排除故障，有效提高了升降機的運行效率，而且產(chǎn)品的安全性能也得到了極大提升。

6 結(jié)束語

本設計研制的專用通訊及數(shù)據(jù)處理模塊，配合PLC可編程控制器及GPRS通訊模塊，實現(xiàn)了對于變頻器等現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)的采集及通訊功能。通過專用模塊的采用降低了PLC的工作負擔，提高了控制系統(tǒng)的實時響應速度，也提高了設備的運行可靠性。

本設計不僅豐富了齒輪升降機智能控制器的規(guī)格，提升了產(chǎn)品性能，而且通過給振華集團的配套提升了國產(chǎn)起重設備的技術(shù)水平，為我國起重設備占領(lǐng)更大的市場提供了科學可行的技術(shù)方案。

[1] 宋躍，楊雷，雷瑞庭，等.基于ARM9與LINUX的RS485總線的通信接口設計．儀表技術(shù)與傳感器，2014(5):35-37.

[2] 朱文杰,王廣龍,高鳳岐,等.基于Cortex-M3的Ethernet-CAN總線轉(zhuǎn)換器．儀表技術(shù)與傳感器，2013(10):16-19.

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Design of Communication and Data Processing Module for Elevator Controller

ZHANG Jun1，LI Hong-ru1，ZHANG Xi2，XU Hai-ning1，LIU Zheng1，WANG Xiao-wen1

(1.Shenyang Academy of Instrumentation Science Co.Ltd.,Shenyang 110043,China;2.Shenyang Institute of Electric Drive,Shenyang 110000,China)

In order to meet the requirements of the elevator comprehensive data and information management system of data acquisition and intelligent equipment transformation,a multiple network interface dedicated communication and data processing module was designed.This module used AVRXMEGA series microcontroller,with RS232,RS485,can,Ethernet interface,can configurate communication port of the communication format and protocol,thus is able to be adapted to different application environment.The data processing unit in the module has data format conversion function to meet different communication protocols.The application of this module provides the necessary hardware support for the realization of the elevator information.It is helpful to improve the technical level and management level.

elevator；data processing；AVR；Ethernet interface；communication；intelligent equipment

2015-07-13

TP273

A

1002-1841(2015)12-0129-03

張軍 (1972— )，高級工程師，學士，主要研究領(lǐng)域為智能儀器儀表與工業(yè)自動化。E-mail：syhbzj@163.com