基于飛思卡爾MK10N512微控制器及MQX操作系統的電梯主控系統設計

摘要：本文首先簡要介紹飛思卡爾MK10N512微控制器以及MQX操作系統，然后詳細介紹基于它們的電梯主控系統硬件和軟件設計。硬件系統設計重點介紹微控制器通信外設接口與總線接口的設計。軟件系統設計從開發環境、軟件架構、系統初始化、任務設計、通信設計、電梯控制運行等方面來詳細論述。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/248893.htm

關鍵詞：電梯主控系統；飛思卡爾；MK10N512；MQX操作系統

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.008

前言

隨著社會的快速發展，人們對電梯的需求從最初的提供大樓上上下下的運輸服務，到現在的安全、舒適、可靠的乘坐體驗。這對電梯控制的要求越來越高，以前的繼電器控制技術已經不能滿足現在的需求。帶微處理器、微控制器的嵌入式控制系統已取代繼電器控制系統，成為當今電梯主流控制系統。

1 主控芯片介紹

MK10N512是飛思卡爾公司提供的超低功耗、高數據安全性、高性能的ARM Cortex-M4微控制器系列芯片。ARM Cortex-M4內核的SVCall和PendSV中斷非常適用于實時操作系統的任務切換，內置的系統時鐘節拍模塊能夠為實時操作系統提供系統時鐘。

MK10N512芯片具有1.71～3.6V寬工作電壓，閃存編程電壓低至 1.71 V；其最高工作頻率為100MHz，在此頻率下的處理性能達到125DMIPS，性能滿足電梯控制要求。MK10N512內置512kB Flash ROM、128kB RM內部高速存儲器，更配置多功能外部總線接口FlexBus，方便擴展外部存儲器以及I/O。其通訊模塊包括2路CAN、5路UART、3路SPI通信模塊，滿足系統與外部通信及擴展需求。內置的實時時鐘模塊RTC，實現電梯主控系統記錄故障發生時間，方便現場工程人員跟蹤、解決故障。MK10N512的-40～105℃寬溫度特性更是符合電梯控柜較為惡劣的使用環境。

總體來說，MK10N512是一款符合電梯控制系統要求的、高性能、低成本、可靠性高的微控制器。

2 MQX操作系統介紹

MQX是飛思卡爾半導體公司推出的應用于工業控制、汽車電子及消費電子的嵌入式實時操作系統（RTOS）。MQX采用微內核結構，具有標準的API接口、模塊化架構，支持DOS文件系統、TCP/IP協議棧和USB協議棧等，在實時性、裁減性和移植性上都具有較理想的性能。

MQX為免費、開源操作系統，對飛思卡爾微控制器提供大量BSP、PSP包、范例應用支持，使用飛思卡爾微控制器的用戶可免費使用MQX操作系統，特別適合于基于飛思卡爾微控制器的實時嵌入式系統的開發。

MQX包含嵌入式操作系統的基本功能和自有功能，如任務管理、中斷管理、內存管理、時間管理和日志管理等。MQX以組件（component）的形式來實現其功能，MQX組件可以分為核心組件和可選組件，如圖1[1]所示。

圖1中心部分為核心組件，周圍環繞部分為可選組件。核心組件包括初始化組件（Initialization）、RR（Round Robin輪詢）FIFO（先進先出）調度組件（Scheduling）、輕量級信號量（lightweight semaphores）、核心內存服務（C o r e m e m o r y services）等組件。可選組件包括任務管理（Task management）、格式化I/O（Formatted I/O）、中斷管理（interrupts）等。

3 電梯控制系統組成

電梯控制系統由主控系統、召喚通信驅動系統、電機拖動系統以及門控系統組成，如圖2所示。主控系統是電梯控制系統的核心，負責處理召喚，傳輸指令給電機拖動系統和門控系統，控制電梯運行和開關門，檢測電梯故障等。召喚通信驅動系統負責把位于層站以及轎廂的召喚按鈕信號傳輸給主控系統。電機拖動系統負責接收主控系統的運行指令，利用變頻技術驅動電機運轉。門控系統則負責接收主控系統的開關門指令，控制電梯自動開關門。電機拖動系統和門控系統同時也會把自身的運行狀態信息反饋給主控系統。下面詳細介紹主控系統軟硬件設計。

4 主控系統硬件設計

電梯主控系統的硬件結構圖如圖 3所示。CAN通信模塊采用TJA1040T芯片，主要與電梯的層站召喚通信電子板、轎廂操縱箱召喚通信電子板通信，通信波特率為100kbps。RS485通信模塊采用MAX485EESA+芯片，提供電梯與智能大樓管理系統的通信，通信波特率最高可達57.6kpbs。RS232通信模塊采用SP232ACN-L/TR芯片，用于電梯主控系統的調試。MK10N512微控制器通過FlexBus與外部存儲器連接，以擴展系統所需靜態SRM和掉電保持FeRM。靜態SRM采用Cypress公司CY7C1049DV33 SRAM，其容量達512kB，8位數據總線；掉電保持采用Ramtron的鐵電FeRAM FM28V020芯片，其容量達32kB，8位數據總線。

MK10N512微控制器采用多功能外部總線接口FlexBus與外部芯片CY7C1049DV33和FM28V020相連接，如圖4所示。

FlexBus接口具有5個用戶可編程片選信號（FB_CS[5：0]），FB_ CS[5：0]片選信號通過片選基址寄存器FB_CSARn和片選掩碼寄存器FB_CSMRn來控制。基址寄存器FB_CSARn[31：16]設置訪問地址的高16位，片選掩碼寄存器FB_CSMRn[31：16]用于屏蔽訪問地址的低16位。基址寄存器FB_CSARn設置訪問外設最大空間為216=64kbyte，配合掩碼寄存器設置訪問外設最大空間為232=4GByte。本設計中SRAM容量為512kbyte，位于CS0區域，故需要配合掩碼寄存器一并設置，如FB_CSAR0[31：16] = 0x6000；FB_ CSMR0[31：16] = 0x0007，其區域容量為2（16+3）=512Kbyte。而FeRAM容量為32kbyte，位于C S 1區域，只需設置基址寄存器即可，如FB_ CSAR0[31：16]= 0x6010。

FlexBus接口可以連接8位、16位、32位數據總線，支持字節、字和長字操作數傳輸。FlexBus接口還支持Bur st傳輸，實現一個周期最多可以傳輸16 Byte。本設計采用8位數據總線，為了提高效率，采用Burst傳輸，實現一個周期傳輸4By te。M K 1 0 N 5 1 2的FB_AD31-24管腳連接存儲器的數據線D 7 - D 0管腳，故數據傳輸采用左對齊的方式，控制寄存器FB_CSCR0設置如下：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 主控系統軟件設計

5.1 開發環境

Code Warrior Developer Studio 10.2

開發環境是飛思卡爾專門針對其微控制器的集成開發環境。它是基于eclipse框架的集成開發環境，包括項目管理器、文本編輯器、匯編器、C/C++編譯器、連接器和調試器。通過安裝插件的方式，可以添加MQX實時操作系統調試工具。MQX調試工具能實現監控系統內核數據、任務的運行情況和占用內存、信號量（Semaphores）和事件（Event）等的使用情況，非常便于基于MQX操作系統的程序調試。相比其他集成開發環境，Code Warrior Developer Studio 10.2對飛思卡爾公司開發的微控制器和MQX實時操作系統，能提供最新、最快、最好的支持。

5.2 軟件架構

軟件架構如圖5所示，采用分層結構，包括PSP（Processor Service Package）、BSP（Board Service Package）、MQX內核、定時控制程序、中斷控制程序、電梯控制任務和通信數據處理任務。PSP和BSP是硬件驅動層，負責初始化CPU、板上外設、總線接口、通信接口、以及提供訪問硬件的接口。MQX內核是操作系統層，提供任務管理、內存管理、任務間的通信與同步、中斷管理、時間管理等系統級服務及接口函數。定時控制程序及中斷控制程序為系統中間層，為電梯任務與操作系統的中間控制層，是根據電梯任務的特點，調用操作系統的任務接口API實現對電梯任務的調度處理。電梯控制任務和通信數據處理任務為用戶層。電梯控制任務負責根據召喚信息控制電梯的運行。通信數據處理任務負責處理電梯主制系統與調試工具、召喚系統、大樓智能控制系統的數據通信，并把通信數據傳輸給電梯控制任務。

5.3 系統初始化

系統上電后，首先對硬件進行初始化，即對MCU的內部寄存器和外設寄存器賦初始值，包括初始化棧指針寄存器SP的值。接著對程序定義的變量進行初始化，包括對不帶初始值的變量進行清零；對有初始值的變量，把其初始值從ROM賦值到RAM；對程序定義的對象進行初始化。完成上述初始化之后，就可以對實時操作系統MQX進行初始化，創建MQX系統內存空間，初始化最基本的組件，創建IDLE空閑任務和Main_task自動運行任務，并且進入Main_task自動運行任務。至此MQX系統初始化就基本完成，接著可以開始用戶任務程序初始化。Main_task任務初始化定時控制程序、中斷控制程序、電梯控制任務和通信數據處理任務。Main_task任務完成用戶任務初始化后，把任務運行的控制權交給定時控制程序和中斷控制程序，系統開始運行電梯控制任務和通信數據處理任務。系統初始化流程如圖6所示。

5.4 任務設計

由圖5可知，用戶任務包括通信數據處理任務和電梯控制任務。任務按優先級順序運行，高優先級任務能夠搶占低優先級任務。

通信數據處理任務的特點是代碼量小，實時性要求高。通信數據處理任務的優先級設置高于電梯控制任務，由中斷控制程序調用MQX任務調度API函數實現對其運行控制。

電梯控制任務為電梯控制應用程序的主要構成部分，特點是代碼量大、占用大量的內存和CPU資源。為了使各部分程序能按要求實時運行，把電梯控制任務劃分為不同周期運行的任務（詳見5.6 電梯運行控制設計）。實時性要求較高的電梯運行控制處理，則運行周期短，如設定20ms的運行周期。而實時性要求較低的電梯運行狀態信息處理，則運行周期長，如設定200ms的運行周期。周期任務的運行調度由定時控制程序調用MQX任務調度API函數來實現。為了保證周期任務運行的實時性，定時控制程序監控周期任務的運行時間，當其運行時間超過預先設定的超時時間，則說明CPU的負荷率過高，定時控制程序報出故障信息。

5.5 召喚通信設計

召喚通信包括轎廂召喚通信和層站召喚通信，分別使用獨立的CAN端口通信來實現，如圖7所示。轎廂召喚通信網絡包括主門操縱箱、主門殘疾人操縱箱、副門操縱箱和副門殘疾人操縱箱等節點。層站召喚通信網絡包括32層站召喚節點。

通信采用主從式通信方式，主控系統為主機，轎廂召喚和層站召喚為從機。主機輪詢每個通信通道的所有從機。通信數據包分為共通數據和終端數據。共通數據為廣播數據，網絡每個通信終端都接收、處理此數據包。共通數據的內容主要是電梯運行方向、所在層樓數顯數據，用于操縱箱和召喚箱顯示電梯運行信息。通信終端只接收共通數據，而無需做出響應。在每個通信周期，主控系統發送完共通數據后，開始發送終端數據輪詢每個終端。終端數據包括ID號信息。各終端偵聽通信網絡的數據，當ID號信息與本終端一致，則接收、處理并做出響應。轎廂通信網絡通信時序圖如圖8所示，層站通信網絡通信時序圖如圖9所示。

5.6 電梯運行控制設計

電梯運行控制任務包括信號輸入/輸出處理、電梯運行模式處理、召喚處理、門開關處理、電梯運行控制處理、電梯運行狀態信息處理和故障處理等。信號輸入/輸出處理負責處理電氣系統的各種操作、檢測開關信號輸入、召喚信號輸入，以及各種電氣裝置的驅動輸出信號。電梯運行模式是根據操作開關輸入來決定電梯的運行模式，如高速正常運行模式、低速維保運行模式、消防員運行模式等。不同模式下，電梯的運行速度、開關門方式、召喚處理都不一樣。召喚處理負責處理經過通信網絡、信號輸入處理進來的轎廂和層樓召喚信號。召喚處理根據用戶服務層需求、IC卡等自動召喚需求、群控多臺電梯群組對層站召喚的分配響應來處理電梯召喚。門開關處理負責根據電梯的運行狀態、開關門操作信號以及門安全觸板、光幕等檢測信號來決定電梯開關門，并通過輸入/輸出處理模塊把開關門指令發送給門控系統。電梯運行控制處理則是根據召喚信號，控制電梯的起動、加速、運行、減速、停車等一系列運行動作。電梯運行狀態信息處理負責處理電梯層樓顯示、運行狀態顯示、乘梯語音提示、報站鐘、報站燈等內容，處理后的信息由信息輸入/輸出處理模塊輸出給各終端。故障處理負責監視電梯各部件的動作情況，如有異常，根據故障的等級控制電梯的下一步運行動作，如立即停車、或者到達最近樓層后開門，然后停止服務；故障處理同時記錄故障發生的時間、電梯的運行狀態信息、各輸入輸出口狀態，方便維保人員快速處理故障，恢復電梯運行。

6 結束語

隨著社會進步、信息技術的快速發展，需要電梯主控系統向智能化、網絡化方向發展。電梯需要具有智能調整、智能預診斷功能，能夠根據用戶的需求、季節的變化來自動調整自身參數，提供更個性化的服務。主控系統在故障未發生前，診斷出電梯某些部件已經問題，及時通知維保人員維修或者更換，避免電梯發生故障而困人或者停止服務。電梯需要實現網絡化，成為物聯網的組成部分。電梯監督、制造廠商、保養單位可以通過電腦和手機等終端監控、查詢電梯的運行情況，減少不必要的現場檢查，提高運維效率。本文所述電梯主控制系統，可以通過加裝傳感器、檢測開關來實現智能調整和智能預診斷功能，可以通過預留的RS485接口與無線通信模塊連接，實現電梯網絡化。

參考文獻：

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