基于飞思卡尔MK10N512微控制器及MQX操作系统的电梯主控系统设计
时间：2020-10-18 07:53:01 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要：本文首先简要介绍飞思卡尔MK10N512微控制器以及MQX操作系统，然后详细介绍基于它们的电梯主控系统硬件和软件设计。硬件系统设计重点介绍微控制器通信外设接口与总线接口的设计。软件系统设计从开发环境、软件架构、系统初始化、任务设计、通信设计、电梯控制运行等方面来详细论述。本文网络版地址：http：//.cn/ article/248893.htm
关键词：电梯主控系统；飞思卡尔；MK10N512；MQX操作系统
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.008
前言
随着社会的快速发展，人们对电梯的需求从最初的提供大楼上上下下的运输服务，到现在的安全、舒适、可靠的乘坐体验。这对电梯控制的要求越来越高，以前的继电器控制技术已经不能满足现在的需求。带微处理器、微控制器的嵌入式控制系统已取代继电器控制系统，成为当今电梯主流控制系统。
1 主控芯片介绍
MK10N512是飞思卡尔公司提供的超低功耗、高数据安全性、高性能的ARM Cortex-M4微控制器系列芯片。ARM Cortex-M4内核的SVCall和PendSV中断非常适用于实时操作系统的任务切换，内置的系统时钟节拍模块能够为实时操作系统提供系统时钟。
MK10N512芯片具有1.71～3.6V宽工作电压，闪存编程电压低至 1.71 V；其最高工作频率为100MHz，在此频率下的处理性能达到125DMIPS，性能满足电梯控制要求。MK10N512内置512kB Flash ROM、128kB RM内部高速存储器，更配置多功能外部总线接口FlexBus，方便扩展外部存储器以及I/O。其通讯模块包括2路CAN、5路UART、3路SPI通信模块，满足系统与外部通信及扩展需求。内置的实时时钟模块RTC，实现电梯主控系统记录故障发生时间，方便现场工程人员跟踪、解决故障。MK10N512的-40～105℃宽温度特性更是符合电梯控柜较为恶劣的使用环境。
总体来说，MK10N512是一款符合电梯控制系统要求的、高性能、低成本、可靠性高的微控制器。
2 MQX操作系统介绍
MQX是飞思卡尔半导体公司推出的应用于工业控制、汽车电子及消费电子的嵌入式实时操作系统（RTOS）。MQX采用微内核结构，具有标准的API接口、模块化架构，支持DOS文件系统、TCP/IP协议栈和USB协议栈等，在实时性、裁减性和移植性上都具有较理想的性能。
MQX为免费、开源操作系统，对飞思卡尔微控制器提供大量BSP、PSP包、范例应用支持，使用飞思卡尔微控制器的用户可免费使用MQX操作系统，特别适合于基于飞思卡尔微控制器的实时嵌入式系统的开发。
MQX包含嵌入式操作系统的基本功能和自有功能，如任务管理、中断管理、内存管理、时间管理和日志管理等。MQX以组件（component）的形式来实现其功能，MQX组件可以分为核心组件和可选组件，如图1[1]所示。
图1中心部分为核心组件，周围环绕部分为可选组件。核心组件包括初始化组件（Initialization）、RR（Round Robin轮询）&FIFO（先进先出）调度组件（Scheduling）、轻量级信号量（lightweight semaphores）、核心内存服务（C o r e m e m o r y services）等组件。可选组件包括任务管理（Task management）、格式化I/O（Formatted I/O）、中断管理（interrupts）等。
3 电梯控制系统组成
电梯控制系统由主控系统、召唤通信驱动系统、电机拖动系统以及门控系统组成，如图2所示。主控系统是电梯控制系统的核心，负责处理召唤，传输指令给电机拖动系统和门控系统，控制电梯运行和开关门，检测电梯故障等。召唤通信驱动系统负责把位于层站以及轿厢的召唤按钮信号传输给主控系统。电机拖动系统负责接收主控系统的运行指令，利用变频技术驱动电机运转。门控系统则负责接收主控系统的开关门指令，控制电梯自动开关门。电机拖动系统和门控系统同时也会把自身的运行状态信息反馈给主控系统。下面详细介绍主控系统软硬件设计。
4 主控系统硬件设计
电梯主控系统的硬件结构图如图 3所示。CAN通信模块采用TJA1040T芯片，主要与电梯的层站召唤通信电子板、轿厢操纵箱召唤通信电子板通信，通信波特率为100kbps。RS485通信模块采用MAX485EESA+芯片，提供电梯与智能大楼管理系统的通信，通信波特率最高可达57.6kpbs。RS232通信模块采用SP232ACN-L/TR芯片，用于电梯主控系统的调试。MK10N512微控制器通过FlexBus与外部存储器连接，以扩展系统所需静态SRM和掉电保持FeRM。静态SRM采用Cypress公司CY7C1049DV33 SRAM，其容量达512kB，8位数据总线；掉电保持采用Ramtron的铁电FeRAM FM28V020芯片，其容量达32kB，8位数据总线。
MK10N512微控制器采用多功能外部总线接口FlexBus与外部芯片CY7C1049DV33和FM28V020相连接，如图4所示。
FlexBus接口具有5个用户可编程片选信号（FB_CS[5：0]），FB_ CS[5：0]片选信号通过片选基址寄存器FB_CSARn和片选掩码寄存器FB_CSMRn来控制。基址寄存器FB_CSARn[31：16]设置访问地址的高16位，片选掩码寄存器FB_CSMRn[31：16]用于屏蔽访问地址的低16位。基址寄存器FB_CSARn设置访问外设最大空间为216=64kbyte，配合掩码寄存器设置访问外设最大空间为232=4GByte。本设计中SRAM容量为512kbyte，位于CS0区域，故需要配合掩码寄存器一并设置，如FB_CSAR0[31：16] = 0x6000；FB_ CSMR0[31：16] = 0x0007，其区域容量为2（16+3）=512Kbyte。而FeRAM容量为32kbyte，位于C S 1区域，只需设置基址寄存器即可，如FB_ CSAR0[31：16]= 0x6010。
FlexBus接口可以连接8位、16位、32位数据总线，支持字节、字和长字操作数传输。FlexBus接口还支持Bur st传输，实现一个周期最多可以传输16 Byte。本设计采用8位数据总线，为了提高效率，采用Burst传输，实现一个周期传输4By te。M K 1 0 N 5 1 2的FB_AD31-24管脚连接存储器的数据线D 7 - D 0管脚，故数据传输采用左对齐的方式，控制寄存器FB_CSCR0设置如下：FB_CSCR0[BLS]=0b，F B _ C S C R 0 [ P S ] = 0 1 b，F B _ B S T R 0 [ P S ] = 1 b，F B _ CSCR0[BSTW]=1b。
5 主控系统软件设计
5.1 开发环境
Code Warrior Developer Studio 10.2
开发环境是飞思卡尔专门针对其微控制器的集成开发环境。它是基于eclipse框架的集成开发环境，包括项目管理器、文本编辑器、汇编器、C/C++编译器、连接器和调试器。通过安装插件的方式，可以添加MQX实时操作系统调试工具。MQX调试工具能实现监控系统内核数据、任务的运行情况和占用内存、信号量（Semaphores）和事件（Event）等的使用情况，非常便于基于MQX操作系统的程序调试。相比其他集成开发环境，Code Warrior Developer Studio 10.2对飞思卡尔公司开发的微控制器和MQX实时操作系统，能提供最新、最快、最好的支持。
5.2 软件架构
软件架构如图5所示，采用分层结构，包括PSP（Processor Service Package）、BSP（Board Service Package）、MQX内核、定时控制程序、中断控制程序、电梯控制任务和通信数据处理任务。PSP和BSP是硬件驱动层，负责初始化CPU、板上外设、总线接口、通信接口、以及提供访问硬件的接口。MQX内核是操作系统层，提供任务管理、内存管理、任务间的通信与同步、中断管理、时间管理等系统级服务及接口函数。定时控制程序及中断控制程序为系统中间层，为电梯任务与操作系统的中间控制层，是根据电梯任务的特点，调用操作系统的任务接口API实现对电梯任务的调度处理。电梯控制任务和通信数据处理任务为用户层。电梯控制任务负责根据召唤信息控制电梯的运行。通信数据处理任务负责处理电梯主制系统与调试工具、召唤系统、大楼智能控制系统的数据通信，并把通信数据传输给电梯控制任务。
5.3 系统初始化
系统上电后，首先对硬件进行初始化，即对MCU的内部寄存器和外设寄存器赋初始值，包括初始化栈指针寄存器SP的值。接着对程序定义的变量进行初始化，包括对不带初始值的变量进行清零；对有初始值的变量，把其初始值从ROM赋值到RAM；对程序定义的对象进行初始化。完成上述初始化之后，就可以对实时操作系统MQX进行初始化，创建MQX系统内存空间，初始化最基本的组件，创建IDLE空闲任务和Main_task自动运行任务，并且进入Main_task自动运行任务。至此MQX系统初始化就基本完成，接着可以开始用户任务程序初始化。Main_task任务初始化定时控制程序、中断控制程序、电梯控制任务和通信数据处理任务。Main_task任务完成用户任务初始化后，把任务运行的控制权交给定时控制程序和中断控制程序，系统开始运行电梯控制任务和通信数据处理任务。系统初始化流程如图6所示。
5.4 任务设计
由图5可知，用户任务包括通信数据处理任务和电梯控制任务。任务按优先级顺序运行，高优先级任务能够抢占低优先级任务。
通信数据处理任务的特点是代码量小，实时性要求高。通信数据处理任务的优先级设置高于电梯控制任务，由中断控制程序调用MQX任务调度API函数实现对其运行控制。
电梯控制任务为电梯控制应用程序的主要构成部分，特点是代码量大、占用大量的内存和CPU资源。为了使各部分程序能按要求实时运行，把电梯控制任务划分为不同周期运行的任务（详见5.6 电梯运行控制设计）。实时性要求较高的电梯运行控制处理，则运行周期短，如设定20ms的运行周期。而实时性要求较低的电梯运行状态信息处理，则运行周期长，如设定200ms的运行周期。周期任务的运行调度由定时控制程序调用MQX任务调度API函数来实现。为了保证周期任务运行的实时性，定时控制程序监控周期任务的运行时间，当其运行时间超过预先设定的超时时间，则说明CPU的负荷率过高，定时控制程序报出故障信息。
5.5 召唤通信设计
召唤通信包括轿厢召唤通信和层站召唤通信，分别使用独立的CAN端口通信来实现，如图7所示。轿厢召唤通信网络包括主门操纵箱、主门残疾人操纵箱、副门操纵箱和副门残疾人操纵箱等节点。层站召唤通信网络包括32层站召唤节点。
通信采用主从式通信方式，主控系统为主机，轿厢召唤和层站召唤为从机。主机轮询每个通信通道的所有从机。通信数据包分为共通数据和终端数据。共通数据为广播数据，网络每个通信终端都接收、处理此数据包。共通数据的内容主要是电梯运行方向、所在层楼数显数据，用于操纵箱和召唤箱显示电梯运行信息。通信终端只接收共通数据，而无需做出响应。在每个通信周期，主控系统发送完共通数据后，开始发送终端数据轮询每个终端。终端数据包括ID号信息。各终端侦听通信网络的数据，当ID号信息与本终端一致，则接收、处理并做出响应。轿厢通信网络通信时序图如图8所示，层站通信网络通信时序图如图9所示。
5.6 电梯运行控制设计
电梯运行控制任务包括信号输入/输出处理、电梯运行模式处理、召唤处理、门开关处理、电梯运行控制处理、电梯运行状态信息处理和故障处理等。信号输入/输出处理负责处理电气系统的各种操作、检测开关信号输入、召唤信号输入，以及各种电气装置的驱动输出信号。电梯运行模式是根据操作开关输入来决定电梯的运行模式，如高速正常运行模式、低速维保运行模式、消防员运行模式等。不同模式下，电梯的运行速度、开关门方式、召唤处理都不一样。召唤处理负责处理经过通信网络、信号输入处理进来的轿厢和层楼召唤信号。召唤处理根据用户服务层需求、IC卡等自动召唤需求、群控多台电梯群组对层站召唤的分配响应来处理电梯召唤。门开关处理负责根据电梯的运行状态、开关门操作信号以及门安全触板、光幕等检测信号来决定电梯开关门，并通过输入/输出处理模块把开关门指令发送给门控系统。电梯运行控制处理则是根据召唤信号，控制电梯的起动、加速、运行、减速、停车等一系列运行动作。电梯运行状态信息处理负责处理电梯层楼显示、运行状态显示、乘梯语音提示、报站钟、报站灯等内容，处理后的信息由信息输入/输出处理模块输出给各终端。故障处理负责监视电梯各部件的动作情况，如有异常，根据故障的等级控制电梯的下一步运行动作，如立即停车、或者到达最近楼层后开门，然后停止服务；故障处理同时记录故障发生的时间、电梯的运行状态信息、各输入输出口状态，方便维保人员快速处理故障，恢复电梯运行。
6 结束语
随着社会进步、信息技术的快速发展，需要电梯主控系统向智能化、网络化方向发展。电梯需要具有智能调整、智能预诊断功能，能够根据用户的需求、季节的变化来自动调整自身参数，提供更个性化的服务。主控系统在故障未发生前，诊断出电梯某些部件已经问题，及时通知维保人员维修或者更换，避免电梯发生故障而困人或者停止服务。电梯需要实现网络化，成为物联网的组成部分。电梯监督、制造厂商、保养单位可以通过电脑和手机等终端监控、查询电梯的运行情况，减少不必要的现场检查，提高运维效率。本文所述电梯主控制系统，可以通过加装传感器、检测开关来实现智能调整和智能预诊断功能，可以通过预留的RS485接口与无线通信模块连接，实现电梯网络化。
参考文献：
[1]飞思卡尔半导体公司.Freescale MQX Real-Time Operating System User’s Guide[EB/OL].4th ed.2011.12
[2]飞思卡尔半导体公司.Freescale MQX I/O Drivers Users Guide[EB/OL].10th ed.2011.12
[3]飞思卡尔半导体公司.Freescale MQX RTOS Reference Manual[EB/OL].7th ed.2011.12
[4]飞思卡尔半导体公司.K10 Sub-Family Data Sheet[EB/ OL].4th ed.2011.3
[5]飞思卡尔半导体公司.K10 Sub-Family Reference Manual[EB/OL].5th ed.2011.5
[6]毛宗源，彭汝华，尤裕祥，等.微机控制电梯[M].北京：国防工业出版社，1996
[7]叶安丽.电梯控制技术[M].北京：机械工业出版社， 2007.7
