1、淺談“雙核”技術(shù)在電梯群控系統(tǒng)中應(yīng)用王增華（蒂森克虜伯電梯公司 上海2010/11/18）一、引言隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了眾多 高層建筑和智能建筑；特別是最近幾年中國城鎮(zhèn)一體化進(jìn) 程的加速。電梯，作為高層建筑的一種重要的交通工具， 其應(yīng)用規(guī)模日益擴(kuò)大。然而面對(duì)一些特殊建筑而言，如何 實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度和合理分配，從而改善和提高電 梯系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量和工作效率。自1975年計(jì)算機(jī)群控管理 階段以來用給定的電梯設(shè)備求得最大的運(yùn)行效率和服務(wù) 質(zhì)量將是始終不渝的追求。電梯作為一種交通服務(wù)系統(tǒng)，其控制技術(shù)也是伴隨著 電子技術(shù)的不斷發(fā)展，才取得了極大地進(jìn)步；從而也為電 梯群控技術(shù)的發(fā)展

2、奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。電梯的群控策略受制于服務(wù)對(duì)象綜合需求。不同的電 梯乘客流動(dòng)模式，相應(yīng)采用不同的電梯管理調(diào)度的策略。就 同一幢大樓而言，一天中不同時(shí)間段，如早晨、上午、中午、 下午和晚間，電梯乘客的流動(dòng)也不相同，相應(yīng)的電梯服務(wù)策 略也應(yīng)該有所區(qū)別。就當(dāng)前流行的情況而言，電梯群控的管理調(diào)度策略一般可分為:1快車(express)服務(wù)策略;2.分區(qū)(sectoring)按需 服務(wù)策略3.等間隔控制(equalized control)策略;4.計(jì)價(jià)服 務(wù)策略;5.自適應(yīng)浮動(dòng)(adapted floating)服務(wù)策略;6具有 人I智能(with Artificial Intelligence)的服

3、務(wù)策略。為 了更好的研究電梯群控技術(shù)和檢驗(yàn)群控算法設(shè)計(jì)的運(yùn)行效 果，我們首先就要從電梯群控的“大腦”著手，革除電梯行 業(yè)仍普遍采用8位或16位單片機(jī)作為主控制器的“所謂的成 本”格局。由于片內(nèi)資源和運(yùn)算能力的限制，無法在高層電 梯系統(tǒng)中使用，在群控制進(jìn)行算法運(yùn)算時(shí)往往耗時(shí)過多，不 能很好地做到實(shí)時(shí)響應(yīng)甚至?xí)r常出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。另外電 梯行業(yè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，也需要主控制器能夠接 入互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)智能化以適應(yīng)人們的各項(xiàng)需求；而原有的8 位或16位單片機(jī)已無法完整實(shí)現(xiàn)這些功能，因此十分有必要 采用目前最先進(jìn)“雙核”處理器作為主控制器來開發(fā)群控系 統(tǒng)。雖然相比8位或16位單片機(jī)，“雙核”處理器

4、的開發(fā)環(huán)境 有了很大變化，開發(fā)難度也出現(xiàn)了幾何級(jí)的增長，但如果實(shí) 現(xiàn)的話就大大提高了項(xiàng)目的含金量；此時(shí)“所謂的成本”也 將轉(zhuǎn)變成了該產(chǎn)品的升值砝碼，同時(shí)又為行業(yè)的跨越式發(fā)展 解決了高端技術(shù)上的發(fā)展瓶頸，不僅對(duì)公司、行業(yè)都將產(chǎn)生 深遠(yuǎn)影響。近年來，結(jié)構(gòu)簡單、模型擴(kuò)展性強(qiáng)并且仿真效果準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型已被廣泛應(yīng)用于電梯群控系統(tǒng)的建模，如基于有限 狀態(tài)機(jī)的電梯邏輯控制系統(tǒng)和基于Petri網(wǎng)的電梯控制系統(tǒng) 等。這些建模方法取得了較大的進(jìn)展，但隨著電梯轎廂和建 筑物樓層及傳感器數(shù)量的不斷增加，模型結(jié)構(gòu)不可避免地變 得復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)模型的程序代碼量和計(jì)算量不斷增大，這也將 會(huì)擴(kuò)大模型的系統(tǒng)誤差，降低系統(tǒng)可靠。此時(shí)

5、利用“雙核” 處理技術(shù)將會(huì)很好地解決當(dāng)前所面臨的一些問題；當(dāng)然，想 要解決電梯群控制技術(shù)適應(yīng)未來人們的多種需求，這只是其 中電梯群控技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)而已；然而需要解決的 問題有以下幾個(gè)方面：1、群控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)架構(gòu)模式。2、電梯信號(hào)的采集方式方法及群控信息的分配。3、CAN總線的連接和傳遞方式。4、群控算法技術(shù)的建模與具體實(shí)施過程。二、群控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)在未過多了解“雙核”技術(shù)前，不得不提及電梯群控系 統(tǒng)所處的環(huán)境和硬件架構(gòu)。就目前市場上現(xiàn)有的16位處理器 來說，MIPS、POWERPC和ARM等處理器都有較強(qiáng)的外部控制 能力與一定的計(jì)算能力，而ARM系列的ARM16位微處理器市場 占

6、有率目前己達(dá)到80%左右，各種類型檔次的ARM處理器選擇 余地很大，開發(fā)資源豐富，因此選定了 ATMEL公司的工業(yè)級(jí) 處理器AT91M 40800作為主控制器，由于當(dāng)前大都系統(tǒng)采用 CAN總線搭建系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，因此單獨(dú)使用了 8位MCU P89C51 作為CAN節(jié)點(diǎn)控制器，還可以與主控制器實(shí)現(xiàn)冗余備份。最 終整個(gè)群控主板采用“雙CP U架構(gòu)”已成為可能，主CPU負(fù)責(zé) 群控算法的計(jì)算和I/O接口，副CPU則負(fù)責(zé)構(gòu)成智能CAN節(jié)點(diǎn) 及LCD顯示以及無線控制。雙CPU之間通過雙口 RAM通信，也 有部分信號(hào)通過電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后傳遞。硬件上大致可分 為三個(gè)部分：（1） IO信號(hào)與通信應(yīng)用之32位MC

7、U AT91 M40800 及周邊設(shè)備（簡稱“主微機(jī)部分”），（2） 8位MCU P89C51 及周邊設(shè)備（簡稱“副微機(jī)部分”）（3） CAN現(xiàn)場總線通信（簡 稱為“總線通信部分”），這三個(gè)方面的因素對(duì)我們的系統(tǒng) 及相關(guān)的程序設(shè)計(jì)十分重要，現(xiàn)將在硬件架構(gòu)環(huán)境結(jié)構(gòu)圖 2-1所示：在以上的雙核群控板實(shí)例圖中，主處理器與副處理器各 自的功能及協(xié)調(diào)關(guān)系已清晰地表答出來，從而也使得我們對(duì) 雙處理器運(yùn)行環(huán)境及外圍架構(gòu)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)；由于文章 篇幅的考慮；在接下來的工作中主要對(duì)主處理器的主程序、 外圍部分電路設(shè)計(jì)加以介紹。三、主處理器的外圍電路與程序從上面圖1-1例的介紹中可以知道主處理器完成的功能 包括

8、I/O處理、派梯處理和群控算法等功能；如果將其功能 細(xì)分的話還包括：主微機(jī)存儲(chǔ)、I/O處理、復(fù)位/看門狗電路、 時(shí)鐘電路、內(nèi)/外部中斷以及JTAG接口部分。在此先說一下ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)，與其他中低檔單片機(jī)不同, ARM處理器可以包含一個(gè)存儲(chǔ)管理部件。最簡單的存儲(chǔ)系統(tǒng) 使用平板式的地址映射機(jī)制，地址空間的分配方式是固定 的，系統(tǒng)中各部分使用物理地址。而一些復(fù)雜的系統(tǒng)可能包 括一種或多種下面的技術(shù)，從而提供功能更為強(qiáng)大的存儲(chǔ)系 統(tǒng)。系統(tǒng)中可能包含多種類型存儲(chǔ)器件，如FLASH, SRAM和 SDRA M等，通常嵌入式系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)在ROM/FLAS H中，這樣 系統(tǒng)斷電后程序能夠得到保存，但通常RO

9、M/FLASH與SDRA M相 比，速度慢很多，而且嵌入系統(tǒng)通常把異常中斷向量表存放在RAM中，利用內(nèi)存映射機(jī)制可以解決這種需要。在系統(tǒng)加 電時(shí)，將ROM/FLASH映射位地址0,這樣可以進(jìn)行一些初始 化處理；當(dāng)初始化處理完成后將SDRAM映射為地址0，并將系 統(tǒng)程序加載到SDRAM中運(yùn)行，這樣很好地解決了嵌入式系統(tǒng) 的需要。ARM7TDM!處理器使用流水線來增加處理器指令流的 速度這樣可使幾個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行并使處理和存儲(chǔ)器系統(tǒng)連 續(xù)操作。這些情況與ARM的運(yùn)行模式、寄存方式有著必然的聯(lián)系, 首先ARM使用門的數(shù)量少，其結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集(RISC) 原理而設(shè)計(jì)的指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制，比復(fù)雜

10、指令集計(jì)算 機(jī)要簡單得多；這樣的簡化實(shí)現(xiàn)了高的指令吞吐量、出色的 實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)和小的高性價(jià)比的宏單元處理。3.1主微機(jī)AT91M40800部分AT91M40800是由ATMEL公司出品的32位MCU，它基于 ARM7TDM1處理器內(nèi)核。AT91M40800擁有高性能的32位RISC結(jié) 構(gòu)，代碼密度高，能耗低，有大量內(nèi)部空白寄存器進(jìn)行快速 異常處理，使其很理想地用于實(shí)時(shí)處理。AT91M40800通過全 可編程的外部總線接口(EBI)與外部存儲(chǔ)器包括FLASH進(jìn)行 直接聯(lián)系。8級(jí)優(yōu)先權(quán)的矢量化中斷控制器聯(lián)系外圍數(shù)據(jù)控 制器顯著改進(jìn)實(shí)時(shí)反應(yīng)。其內(nèi)部資源及外圍電路特點(diǎn)如圖 3-1所示：3.2 AT91

11、M40800外圍電路部分主微機(jī)內(nèi)部的各個(gè)模塊與地之間都接上去耦合電容，以 增加工作穩(wěn)定性，對(duì)于一些開漏輸出或者內(nèi)部含有弱上拉電 阻的引腳，則統(tǒng)一接上10K上拉電阻，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。主微 機(jī)周邊電路接法如圖3-2所示：3.3 AT91M40800處理器程序部分由于主微機(jī)AT91M40800處理器是基于ARM7TDM1處理器內(nèi) 核，所以在對(duì)AT91M40800處理器進(jìn)行系統(tǒng)初始化與語言運(yùn)行 環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮程序代碼會(huì)不會(huì)因芯片和外圍硬件的 不同而存在差別；基于我們是采用的AT91M40800處理器環(huán)境 下的運(yùn)行調(diào)試，用ARM指令作為引導(dǎo)程序代碼是不錯(cuò)的選擇, 下面就以AT9IM40800調(diào)試環(huán)境

12、下的初始化引導(dǎo)程序代碼為 例進(jìn)行扼要解釋；不過在未做此項(xiàng)工作前最好還是先了解一 下主程序設(shè)計(jì)流程圖。如圖3-3所示：由于主流程圖整體布局的實(shí)現(xiàn)，程序的設(shè)計(jì)已顯得更加 明確；至于使用何種語言編寫，那要看運(yùn)行的硬件要求及設(shè) 計(jì)者的個(gè)人喜好了。下面便是AT91M40800處理器的部分代碼 語言。首先定義代碼段名稱為reset ,屬性為READONLY AREA reset , CODE, READONLY是否進(jìn)入SEMIHOSTING調(diào)試環(huán)境IF:DEF :SEMIHOSTINGELSE： IMPORT-use_no_semihosting_s wiENDIF ;endif SEMIHOSTING1

13、.標(biāo)識(shí)整個(gè)代碼的初始入口點(diǎn)，操作系統(tǒng)通過跳轉(zhuǎn)到該入口 點(diǎn)處執(zhí)行加載該映象文件。2設(shè)置異常中斷向量表BlnitReset;resetBundefvec;Undefined InstruetionBswivec;Software InterruptBpabtvec;Prefetch AbortBdabtvec;Data AbortBrsvdvec;reservedBirgvec; reservedBfigvec;reserved各異常中斷處理程序的起始地址表:rsvdvec,irqvec,Fiqvec保留VectorT ableIdr pc, pc,#&18; Soft Rese tIdr pc,

14、 pc,#&18;UndefHandlerIdr pc, pc,#&181;SWI HandlerIdr pc, pc,#&18 ;Prefe tchAbor tH andlerIdr pc, pc,#&18 ;Da taAborHandler5個(gè)矢量的使用SoftReset DCD SoftResetundefvec DCD UndefHandlerswivec DCD SWIHandlerpabtvec DCD PrefetchAbortHandlerdabtvec DCD DataAbortHandler3跳轉(zhuǎn)到低級(jí)初始化程序，啟動(dòng)外圍部件lnitResetBl _low_lovel_i

15、nitlow level initmvn r0,#0; RO-OxFFFFFFFFIdr r1, =PS_ BASE ;開始電源置Str r0,rl,# PS_ PCER :使能外圍時(shí)鐘Mov pc,rl4;返回4.跳轉(zhuǎn)到C代碼主程序IMPORT _mainIdr r0,=-mainbx r0,END5.其中從3到4之間的重設(shè)中斷控制器、導(dǎo)入缺省的中斷處理 程序地址、初始化存儲(chǔ)控制器，開始地址重映射、切換到用 戶模式，使能中斷等具體步驟就不在描述。3.4復(fù)位與看門狗電路就當(dāng)前處理器的復(fù)位/與看門狗電路現(xiàn)狀來看，幾乎所有 的單片機(jī)都需要復(fù)位電路，對(duì)此電路的要求就是：在單片機(jī) 上電時(shí)能可靠復(fù)位，在

16、下電時(shí)能防止程序亂飛導(dǎo)致EEPROM中 的數(shù)據(jù)被修改;另外，單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)，由于干擾等各 種因素的影，有可能出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無法 正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充分利用單片機(jī)本身的看門狗定時(shí)器(有些單片機(jī)無壽門狗定時(shí)器)外，還需外加個(gè) 看門狗電路;除此以外，有的單片機(jī)系統(tǒng)還要求在掉電瞬間 單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來，因掉電的發(fā)生往往是很隨機(jī) 的，因而此類單片機(jī)系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生 時(shí)能告知單片機(jī)；MAXIM公司推出的一款MAX706S就是能滿 足這些要求的佼佼者；下面就介紹該芯片的一些特點(diǎn)：復(fù)位輸出。系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，第(7)腳產(chǎn)生復(fù)位輸出，復(fù)

17、位脈沖寬度的典型值為200ms,低電 平有效，復(fù)位門限的典型值為465V.看門狗電路輸出。如果在1.6s內(nèi)沒有觸發(fā)該電路(即第 步無脈沖輸入)，則第(8)腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效，即第腳輸入一個(gè)低電平， 則第(7)腳產(chǎn)生復(fù)位輸出。1 .25 V時(shí)，第腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。復(fù)位與看門狗電路如圖3-4所示：MAX813L是一體積小、功耗低、性價(jià)比高的帶看門狗和電 源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片；它使用簡單、方便。它所提供的復(fù) 位信號(hào)為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號(hào)為高電平場合的單 片機(jī)系統(tǒng)的理想芯片。在實(shí)現(xiàn)雙處理器群控技術(shù)上，我們分別介紹了主處理器 的硬件環(huán)境和架構(gòu)、外圍電路以及內(nèi)核程序

18、代碼等；至于副 處理器電路設(shè)計(jì)、CAN總線的鏈接及傳遞方式、群控的建模/ 算法的實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)在此就不介紹了，可這并不說明這些內(nèi) 容可有可無，相反正是由于它的重要一時(shí)無法展開太多探 討；當(dāng)然還有本人知識(shí)淺薄的原因，可我還是會(huì)與熱愛電梯 行業(yè)的朋友們一起繼續(xù)努力拼搏，為早日實(shí)現(xiàn)中國未來電梯 的長久發(fā)展奉獻(xiàn)一點(diǎn)微薄之力。本文主要對(duì)“雙核”中的主處理器進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì) 外圍電路及內(nèi)核程序代碼也分別作了介紹；對(duì)于雙處理器群 控算法及實(shí)現(xiàn)過程、雙核群控的建模和鏈接、副處理器與主 處理器之間的資源分配等就不在此闡述，具體原因在上文皆 可查到。就目前中國電梯市場的發(fā)展?fàn)顩r來看，如若真正意 義上的“雙核”群控技術(shù)得以應(yīng)用的話，必將會(huì)為電梯行業(yè) 的長遠(yuǎn)發(fā)展帶來新的契機(jī)；