基于CAN总线的电梯召唤显示板设计

随着现代社会的发展，科学技术的进步，出现了众多高层建筑和智能建筑。电梯，作为高层建筑内部一种重要的交通工具，其应用规模日益扩大。而作为电梯系统中必不可少的一部分，电梯召唤显示板(简称电梯外呼板)的应用也随之剧增。
    电梯外呼板应用于每层楼的电梯门外，供乘客及电梯维保人员使用。电梯外呼板将乘客及维保人员的需求信息通过CAN总线传达给电梯主板，电梯主板接收信息并执行相应的操作。同时，电梯主板将电梯的实时运行信息通过CAN总线传递给电梯外呼板，通过外呼板LED显示出来，供乘客参阅。
    AVR单片机具有高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位的特点，本系统选用了高档ATmega列AVR单片机ATmegal6。它具有先进的RI-SC结构，具有16 kB的系统内可编程Flash，512 B的EEPROM，1 kB的片内SRAM。同时，芯片具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，通过改变熔丝位可以设置片内晶振的振荡周期，这样可以省去外围的看门狗电路和晶振电路的设计。

1 电梯外呼板系统硬件结构
    电梯外呼板的硬件电路主要由乘客按键模块、指示灯控制模块、LED模块、CAN通信电路以及电源模块构成，如图1所示。

1．1 CAN通信模块
1．1．1 CAN的技术特点
    CAN是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，具有物理层、数据链路层和应用层等3层协议，其通信速率可达1 Mb／s。CAN总线专用接口芯片中以固件形式集成了CAN协议的物理层和数据链路层2层功能，完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等多项工作。它具有以下特点：
    1)废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作；
    2)采用非破坏性仲裁技术，当2个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；
    3)采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；
    4)每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用；
    5)节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断其与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；
    6)可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接收数据。
    基于以上特点，在本设计中将电梯主板节点的优先级设为最高，而其他电梯外呼板的优先级次之，电梯主板可以接收任何电梯外呼板的数据，而电梯外呼板只能接收电梯主板的数据。电梯主板可以发送广播信息(例如楼层运行的信息)，也可以发送点对点信息(例如针对某层的指示灯控制信息)。
1．1．2 CAN的硬件实现
    CAN控制器采用MicroChip公司的MCP2510，该器件使用SPI接口与MCU通信。只需4条总线就可以实现与MCU的通信，但为了具有更好的实时性，一般采用中断方式与MCU进行通信，因此还需要一个中断信号总线用来通知MCU接收从CAN总线上发来的数据。CAN的接口器件采用TJ-Al050，该器件是CAN控制器与物理总线之间的接口器件。
    在CAN模块电路中，如图2所示，ATmegal6的SS，MOSI，MISO，SCK，INT分别与MCP2510的，SI，SO，SCK，相连接。为了进一步提高CAN总线节点的抗干扰能力，MCP2510的TXCAN和RXCAN通过光耦6N137分别与TJAl050的TXD和RXD相连接。

1．1．3 CAN的报文格式
    在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支持2种报文格式，其唯一不同是标识符(ID)长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。本设计中使用标准数据帧，由帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域和帧结尾等7种位域组成，如图3所示。

    其中数据域的长度为0～8个字节。仲裁域由标识符和RTR组成，在标准格式中，标识符为11位。在本例通信协议的制定中，标志位的前4位用作通信的类型码，后7位用作CAN节点的ID号。数据域则用来存储通信的具体内容信息，例如电梯所在的楼层，运动方向等。
1．2 LED显示模块
    本模块由3片8x8 LED显示屏以及以单片机为核心的驱动电路构成。LED显示屏由LED点阵显示器P2158构成。它是以发光二极管为像素，按照行与列的顺序排列而成的显示器件，采用逐行(或逐列)扫描方式工作，由峰值较大的窄脉冲驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的脉冲信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。以AVR高速单片机为核心的驱动电路如图4所示。

    LED显示功能采用逐行扫描的方法，在3片8×8点阵LED显示屏上显示相应的信息。控制信号由MCU发出，经过缓冲器74F244后分成2路，一路经过移位寄存器74S164，串行转并行后来驱动LED点阵的行；另一路经过锁存器68595，串行转并行后驱动LED点阵的列。LED点阵显示采用逐行扫描，每行显示取模方式为从右到左，字节正序输出。其中，锁存器的输入数据由软件中的字库提供。LED显示每20 ms显示一次，故显示频率为50 Hz，符合人眼的闪烁特性。

2 电梯外呼板软件设计
    电梯外呼板软件设计流程如图5所示。电梯外呼板通过CAN总线接收电梯主板的数据帧，并将数据帧暂时存入缓存区，经过分析处理后按一定的方式保存起来。然后根据数据帧要显示的方式，从数据存储器中取出相应的数据存到一个显示缓存区进行显示，采用逐行扫描方式显示。电梯外呼板上如果有召唤信号输入，相应指示灯亮，同时电梯外呼板上通过CAN总线向电梯主板发送数据帧，数据帧内容包含召唤信息。通信的方式建立握手应答机制。

3 结束语
    本系统采用AVR单片机，使用CAN总线通信，通信安全可靠，实时性好，主要用在电梯系统中的外呼召唤显示，同时也可以用在电梯轿厢中用于楼层信息的显示。将其接入电梯仿真系统中，本系统能够快速响应，长时间运行期间安全可靠，增加和删除节点简单方便。