电梯远程监控系统

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2024年5月9日发(作者：)

电梯远程监控系统(Remote Elevator Monitoring System，REMS)，是指某个区域(一

幢大楼，一群大楼，一个小区，一个城市等)中安装多部电梯后，对这些电梯进行集中远程

监控，并对这些电梯的数据资料进行管理、维护、统计、分析、故障诊断及救援。其目的

是对在用电梯进行远程维护，远程故障诊断及处理，故障的早期诊断与早期排除，以及对

电梯的运行性能及故障情况进行统计与分析，以利于不同部门利用该系统进行有效的监控

与管理。目前电梯远程监控系统主要存在的问题是因为不同厂家的不同标准而产生的监控

系统开放性相对较低，因而对系统的标准化提出了更高要求。针对这些现状，本文以开发

适用于不同厂家不同型号电梯的远程监控系统为目的，融合多种技术，提出由终端控制器、

传输网络和监控平台组成的电梯远程监控系统的设计方案。文中对终端控制器的开发与设

计进行了详细论述，硬件上以ARM微控制器LPC2378为核心，外扩RS．232、RS．485、

Modem、USB以及双以太网接口，以实现对不同电梯接口的数据采集；软件上设计了功

能接口程序、多协议接口转换程序，制定了统一的网络协议，实现了电梯监控数据的标准

化。同时具体介绍了监控平台上动态数据交换、电梯运行状态实时监控、Web发布等功能

的设计与开发。并最终给出了系统的调试结果。

本文构建的多电梯远程监控系统对组建区域性多电梯监控系统、推进电梯监控系统标

准化有重要的实际意义。

关键词：电梯远程监控嵌入式系统协议转换监控软件组态软件

1绪论

1．1背景介绍

近年来，随着计算机技术和通讯技术的发展以及互联网应用的普及，通过专用网络进

行数据传输在各个领域的应用已日益广泛，电梯的远程监控技术便是其中一例【l】。电梯

远程监控系统(Remote Elevator Monitoring System，REMS)，是指某个区域(一幢大楼，

一群大楼，一个小区，一个城市等)中安装多部电梯后，对这些电梯进行集中远程监控，并

对这些电梯的数据资料进行管理、维护、统计、分析、故障诊断及救援。其目的是对在用

电梯进行远程维护，远程故障诊断及处理，故障的早期诊断与早期排除，以及对电梯的运

行性能及故障情况进行统计与分析，并在分析的基础之上选择合理的运行方案121。总之

安全可靠、运行稳定、界面友好、管理便捷已日益成为如今电梯监控系统发展的主流方向。

1．2国内外研究现状【3】

目前，我国的电梯业发展迅速，据统计近几年来全行业共生产各类电梯数十万台，且

每年都在递增，2008年年产量达到24．31万台。同时出现了一批专业化配套件生产企业。

目前国内对电梯的维护与管理主要采用的是定期上门保养，发生故障时电话召修的传统方

式，但这种方式越来越不适应时代的发展要求，原因有：

(1)电梯的数量增多，维修人员少，不能及时赶到故障电梯的现场。

(2)电梯内缺乏有效的通信工具，维修部门既不了解故障现状又不能提供必要的安抚，

使被困人员承受着巨大的身心压力。

(3)不能及时地提供对电梯日常运行的记录和监测资料，增加了分析与排除故障的难度，

大大延长了维修的时间。电梯的远程监控技术正是基于以上原因而出现的，电梯远程监控

技术是随着计算机控制技术和网络通信技术的发展而产生的电梯控制领域的前沿技术。

1．2．1国内外现状及存在问题

目前国外的大型电梯企业都有了成熟的电梯远程监控系统，例如蒂森公司的远程监控

系统具有控制电梯的功能，能检测和识别滥用或者误操作紧急呼救功能，能较好的掌握电

梯的运行情况，并进行分析与处理，转化为图表来显示各行驶方向和每层楼的呼叫次数，

呼叫与事件处理曲线等；自动故障报警，该系统可以同时监控电梯，自动扶梯以及楼内其

它设备：但是该系统仅适用于蒂森公司的电梯和扶梯。奥的斯公司的远程监控中心(RME)

是奥的斯公司自行开发的电梯监控系统，具有分级报警的功能(乘客被困报警，自动故障报

警和电梯运行表现报警)。RME系统自动发出电梯服务中断的讯号，显示地点，性质，问题

以及乘客的状况资料，当电梯运行表现不符合预定的界限时，系统发出偏差信号。KNOE

公司的EMC监控指令系统通过MODME和标准电话线实现电梯和自动扶梯的远程实时监

控，具有较好的运行数据库管理分析功能，可以将指定时间段内的数据转化为直观形象的

图表；具有独特的运行记录回放功能，有助于故障查询诊断【4卅。以上这些电梯远程监控

系统相对来说都具有一些代表性，是国外的电梯远程监控比较常见的方式，这些系统普遍

的特点就是专用性很强，开放性、通用性与其功能发展程度不相匹配，无法支持其他公司

的电梯系统。这种现状也大大增加了监控系统区域运营的成本。在国内，已经有了关于电

梯远程监控的研究。但起步较晚，具有自主版权的成熟的产品也比较少。由于电梯远程监

控系统是涉及到电梯控制、计算机控制、现场总线、网络通讯、多媒体技术、数据库技术

以及WINDOWS平台下面向对象的高级语言编程等多个专业的较大的系统工程，技术难度

较大，同时还需考虑到与各个厂家的电梯控制系统(包括微机控制系统、PLC控制系统以及

早期的继电器控制系统)的接口问题等诸多因素，因此，现在国内的电梯监控系统的同类产

品中，在开放性、统一性和实时性等方面同样存在着很大的不足【丌。总结下来，主要由

以下问题：

(1)开放性相对较低，没有统一的标准化协议。

(2)功能简单，如只能进行简单的电梯运行状态监控、同时监控的电梯数量少、不能进

行电梯故障的早期预警。

(3)界面简单、单一，监控信号量少；只能对电梯状态进行监控，而不能采集电梯轿厢

中的图像与声音。

(4)适用电梯种类少，或者是不能兼容不同类型的电梯。

(5)多采用RS．232或RS．485总线传输，或采用两级结构的Modem传输，系统的实

时性与可靠性相对较低。

1．2．2目前电梯监控系统的分类隅J电梯的监控系统需实时反馈电梯的操作、运行及

故障信息，要求安全可靠、运行稳定、界面友好、管理便捷，其实时采集的电梯信号包括：

(1)电梯操作状态信息，如检修、正常、司机、消防等；

(2)电梯运行状态信息，如楼层显示、上／下行、开／关门等；

(3)井道信息，如平层、端站、限位等；

(4)各种故障信息。

目前电梯的监控系统大约分三类：

(1)大部分品牌电梯都有自己开发的监控系统，这些系统都包括不同的通信方式，不同

的硬件接口，能较好的实现多台电梯的运行监视和一些基本的远程控制。但是此类产品由

于销量有限，一般价格很贵，能消费的客户很少。

(2)用PLC构成的网络通信监控。PLC可以很方便的构成系统，开发此类系统完全省去

了硬件开发的成本，只要软件开发成熟即可开工安装，而且系统一般采用标准的通信接口，

很容易与建筑的其它智能设备一起构成网络，但是电梯控制要附加PLC并且连带相应的通

信单元，成本较高。目前随着PLC的价格不断下降，也不失一个好方法。

(3)用单片机构成一个独立的采样通信单元，形成一个二级监控系统，此类监控在初期

的开发成本包括软硬件，开发成本较高，但形成系统后，再销售的成本就很低了。但是由

于市场不大，难以形成规模，还有此类系统由于不采用标准配件，今后维护的难度，成本

较高。

1．2．3多电梯远程监控系统的发展趋势19l

多电梯远程监控在电梯远程监控的基础上，融合了的最优控制，是一种基于时间最优、

能量最优的动态综合最优化策略。因此，多电梯远程监控系统的发展趋势为：

(1)远程监控系统协议开放化

采用统一开放的协议标准，可以在同一系统中采用多种品牌的电梯，并对其进行监控，

无须二次开发转换协议。

(2)远程监控系统节能化

从静态的电梯交通配置到动态的多电梯群控系统，电梯的能耗指标往往被忽视。统计

数据表明，电梯的能耗约占大楼综合能耗的3／7，与电梯群控系统的性能直接相关。因此，

节能目标将是多电梯远程监控系统必须考虑的关键目标。

(3)远程监控系统网络化

电梯群控系统将与网络技术相结合，用网络把各地的电梯监管起来进行远程监控。

(4)监控系统产品市场化

未来电梯监控系统的研究将侧重于商品系统的开发，即面对需求面向市场。

1．3课题的意义和内容

本课题主要设计开发适用于不同厂家不同型号电梯的远程监控系统：通过对一些关键

技术，如ARM及多路数字信号采集处理技术、多端口协议转换技术、系统抗干扰设计技术、

动态数据交换技术以及网络组建技术等的研究，构建出多电梯远程监控系统；该系统包括

可采集电梯运行信息并进行协议转换的终端控制器，可传输数据的网络系统，可进行动态

数据转换、远程登录、功能完善、运行稳定的监控软件。

电梯终端控制器所要实现的基本功能如下：

(1)实时采集电梯的运行状态信息(方向、层站、呼梯、安全回路、操作方式、门系统、

井道信号等)；

(2)实时采集电梯的各种故障信息(变频器故障、门故障、安全回路故障、井道故障等)；

(3)实时采集的电梯信息在微处理器内部进行处理，以一定格式存放在指定区域，并进

行协议转换便于发送：

(4)电梯信息采集前端机应当具有多种接口方式。

电梯监控软件的基本功能如下：

(1)动态数据交换，处理终端控制器通过通信网络发送的电梯信息数据；

(2)实时显示电梯状态及运行参数，包括电压、电流、电机转速等；

(3)实时报警、事件记录及历史趋势曲线功能：

(4)基于C／S架构的Web发布功能，用户可以远程登录监控电梯状态。

1．4本论文的工作

本论文主要完成以下工作：

对嵌入式系统接入以太网方案的进行比较，结合本监控系统的特点采用用硬件协议栈

芯片实现TCP／IP协议的方案，提高嵌入式系统接入以太网的开发效率。为了提高网络系

统数据传输的可靠性，本系统采用备份环形局域网连接结构，增强了系统的抗干扰能力。

完成多电梯远程监控系统终端控制器硬件设计的整个过程。

完成多电梯远程监控系统终端控制器的软件设计工作，包括各个功能接口的驱动设计、

应用层不同接口协议统一转换为TCP／IP协议的实现。

完成多电梯远程监控系统终端控制器的监控软件开发工作，包括数据处理、功能模块

开发、web发布功能调试。

1．5论文章节安排

本文的主要章节安排如下：

第一章：绪论。主要介绍了课题提出的背景、研究意义以及国内外的研究现状，最后

给出本论文的主要工作。

第二章：多电梯远程监控系统总体设计。介绍了监控系统的整体结构，并提出监控系

统设计的总体方案，包括硬件总体方案和软件总体方案。

第三章：多电梯远程控制系统终端控制器硬件设计。根据硬件总体设计方案，详细介

绍了硬件的实现，包括微控制器单元设计、功能接口设计和以太网接口设计三部分。

第四章：多电梯远程控制系统终端控制器软件设计。根据软件总体设计方案终端控制

器设计部分，详细介绍了终端控制器软件的实现，包括各个功能接口驱动，以及协议转换

和主函数的开发与实现。

第五章：多电梯远程监控系统监控软件的设计与实现。根据软件总体设计方案监控

软件设计部分，本章详细介绍了监控软件的实现，包括数据处理和动态数据交换的实

现、监控界面及功能模块设计。

第六章：系统运行与总结。描述了以太网接口的调试，协议转换测试、监控界面的功

能测试及web发布测试。同时总结全文，指出系统可改进扩展之处。

2多电梯远程监控系统总体设计及其相关技术

2．1整体结构及功能

多电梯远程监控系统作为对电梯进行监控的一种手段，在电梯的日常运行中的所起作

用日益明显，它是电梯能够安全高效的运行的前提和基础，是电梯企业对产品原有控制系

统的延伸和发展，是针对原有监控系统所存在的缺陷以及电梯行业所面临的问题和提出的

要求【lJ。电梯监控系统融合多种技术，它的应用，使得电梯生产企业、质检部门、监控用

户等能够通过该系统对在分布各地的电梯产品进行适时的，准确地监控，一方面方便了企

业和用户对电梯运行情况的维护，另一方面也加强了企业对产品资料和数据的收集和处理

功能，同时也使质检部门的监控更加便捷。

2．1．1结构概述

本文所设计的多电梯远程系统由终端控制器、网络系统、监控平台三部分组成。终端

控制器采用ARM控制器LPC2378芯片设计了数据采集及协议转换器，包含RS一232接口、

RS．485接口、USB接口、Moden接口、以太网接口，根据不同的现场状况，采取不同的

数据采集方式，任何一种接口采集数据后统一转换成以太网接口的标准协议数据转发。

网络系统是整个监控的骨架。在需要监控的小区内部通过终端控制器的以太网接口构

建了局域网，并负责协议转换功能的实现，而各个小区与区域间则利用互联网进行数据交

换，从而构成了整个系统的网络系统。网络化是电梯监控系统的发展趋势，电梯上的信息

可以通过网络实现快速传输，如现场视频信息等；音频系统的语音数据也是通过网络系统

在局域网内广播。系统采用硬件协议栈芯片实现网络协议，内嵌交换机功能，具有两个以

太网接口，并且采用带备份通路的环网结构组网，提高了系统的可靠性。监控平台，使用

VB6．0开发了DDE的数据解析程序，同时使用北京三维力控公司提供的力控

Foreeeontrol6．1软件下编制监控程序，可以实现对电梯终端控制器所采集信息的接收、

处理；并且采用了可视化软件编程，提供了一个全中文、图形化、动态化的监控界面，针

对不同的用户(小区监控用户、质检部门等)、不同的管理权限，在不同的地点可以很轻松

的对电梯运行情况进行实时监控，以便利于随时处理故障和维护电梯。并且记录报警、故

障信息和进行数据统计，对电梯总体运行情况进行掌控。同时，监控平台的web发布功能，

可以实现用户通过Intemet远程登录监控系统，在紧急状况下对监控系统的远程操控。

系统结构如图2．1．1所示：

图 2.1.1 多电梯控制系统

2．1．2功能概连

针对目前国内外电梯远程监控技术不足，本系统设计的目的就是为了方便监控运营及

质检单位对远程电梯运行情况的监控以及企业和电梯用户之间的信息交流，解决不同厂家

电梯控制系统之间的差异性．收集和积累产品数据和信息，从而设计出一个通用性强、开

放程度高的监控系统。在设计过程中，整个系统被划分为终端控制器、网络系统、监控平

台三个部分，系统整体实现的功能概括为以下几十方面：

(1)数据的远程实时采集

监控系统的终端控制器的数据采集具有自动循环采集和命令采集两种模式，根据现场

状况，系统自动选择采集模式或者并用两种模式。

(2)协议转换

现场采集到的数据不论是何种协议，最终都转换成统一的TCP／IP协议数据通过以太

网接口发送至同络中供监控平台或者远端用户读取。

0)电梯运行实时组态功能

本系统的监控平台采用维态软件进行开发，实现接收处理各终端控制器信号，并进行

动态数据交换。监控软件提供运行稳定、图表形象的监控界面，在监控计算机屏幕上实时

显示监控小区电梯整体运行信息，同时可以通过具体信息界面分别显示出具体某一部电梯

的运行状况和视频、音频信息。

2．2多电梯远程监控系统总体设计

总体设计将提出多电梯远程监控系统的实现方案，包括网络拓扑结构设计、系统硬件

实现方案设计和系统软件实现方案设计三部分。

2．2．1系统网络拓扑结构

本系统中底层的终端控制器构成带备份通路的环形局域网(这种结构冗余备份了一个

通路极大地增强了网络系统的可靠性)，通过网关接入Intemet网。监控平台可以连接在局

域网内部或者通过Intemet采集终端控制器发送的数据，并且通过双机冗余备份，为监控

平台的稳定性提供了有力保障。同时电梯厂家、质检单位等用户可作为客户端通过Intemet

对电梯的运行状态进行监控。

本系统通过以下几方面实现带备份通路环网：

(1)物理连接采用每个节点首尾相连组成一个闭型环网。

(2)硬件设计中每个终端控制器节点都有一个可由软件控制打开和断开环网控制开关。

(3)应用层软件开发在系统刚通电时确保局域网中所有点环网开关闭合除了一个节点

断开；同时监控判断局域网连接，及时处理故障。

2．2．2硬件设计

本系统设计采用嵌入式技术，选用基于ARM7TDMI．S核的ARM7微控制器做为主控

制器芯片，ARM7集成了丰富的片上资源。本系统选用的LPC2378芯片集成了4个UART，

2个CAN控制器、2个USB控制器等，通过主芯片集成的丰富资源可以很方便地设计出终端

控制器的接口。

网络接口设计中嵌入式系统接入以太网通常有方法：

(1)采用LPC2378本身集成的以太网控制器，通过在硬件上添加以太网收发器芯片实现

以太网接口。

(2)采用硬件协议栈芯片加以太网收发器芯片来实现。

由于第一种方法需要软件实现TCP／IP协议且效率较低，本系统采用相对容易实现且

效率高的第二种方法。本系统中设计了两个以太网接口，内嵌交换机功能，可方便地组网

实现带备份通路的环形局域网。图2．2．1为系统终端控制器设计的总体结构。图2．2．2

描述了多电梯监控系统终端控制器设计的功能接口和网络接口的连接情况。本系统的功能

接口部分包含RS．232、RS．485、Modem、USB、CAN五个接口，这些功能接口是终

端控制器采集、处理数据并实现通信的基础。为了提高以太网接口的数据读写速度，系统

采用总线方式与协议栈芯片相连。

2．213软件设计

软件部分的设计中包含了终端控制器的程序设计和监控平台监控软件系统的开发。

(1)终端控制器软件部分

为了提高效率本系统不采用嵌入式操作系统，而是采用嵌入式开发常用的前后台系统。

在前后台系统中，在前台，主要处理异常及实时性要求较高的事件；在后台，由一个死循

环调度系统任务及处理其它事件。在终端控制器的软件设计中，每个功能接口及网络的每

个通道(共4个通道)都分配一个存储接收数据的循环队列以解决数据收发量大产生的闰题。

接收到数据后在中断处理程序中就将数据写入相应的接收队列中，当后台程序需要处理接

收到的数据时从接收队列中读取。图2．2．2为本系统的软件总体设计框图。

(2)监控平台软件部分

监控平台最终效果要求界面友好、功能齐全、运行稳定，同时可远程登录、IE访问浏

览。目前在监控平台的上位机中使用高级语言进行编程的技术已经发展的相当成熟，如果

从底层开始重新开发虽然开发自由度相对开阔但是工作量较大，时间成本相应增加。所以

在本系统中，采用了三维力控公司的“力控Forcecontrol6．1’’组态软件结合数据库联

接技术、动态数据交换技术进行远程监控程序的开发。这些技术使得监控软件界面能够以

一个友好的方式面向使用者，同时也为系统的扩展和升级预留了足够的空间。监控软件总

体设计图如图2．2．3，状态监控、实时报警、web发布等功能都在平台上具体实现。

2．3本章小结

本章介绍了多电梯远程监控系统的整体结构和具体功能，论述了网络系统的总体设计

思想，提出构建带备份通路环网结构的局域网，对网络系统可靠性的提高有一定意义。整

体上介绍了系统硬件和软件的总体设计实现、和具体方案。本章是后续章节的基础，相应

的软硬件设计以此为总体框架。

3多电梯远程控制系统终端控制器硬件设计

硬件设计主要分成微控制器单元设计、功能接口设计、网络接口设计三部分。主控制

器是系统的核心，本系统选用NXP公司的LPC2378，它功能强大并且集成丰富的片上资源，

满足了系统的需要。功能接口是终端控制器完成实现系统的开放性、通用性和统一协议转

换的基础。目前我国电梯控制器的接口多样，几乎没有一个统一化的标准，为了实现这些

通过不同接口的采集数据，终端控制器需设计相应的功能接口，并能实现这些接口数据统

一转换为TCP／IP协议接口数据。为使终端控制器具有通用性，系统设计了RS．232、

RS．485、Modem和USB共四种功能接口。网络接口是硬件设计的重点。通过对比各种

方案，本系统的网络系统设计采用实现简单、处理迅速的硬件TCP／IP协议栈的方案。结

合电梯的现场状况，本网络系统开发了两个接口，实现了快捷组网；同时构建带备份通路

的环型局域让系统的可靠性更上一个层次。

3．1主控芯片

设计嵌入式产品时，处理器芯片的选择直接影响产品开发的进度和使用性能。本小节

将具体介绍如何终端控制器系统主控制芯片的选型及所选主控制芯片的主要特性。

3．1．1主控芯片选型

目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000多种，流行的体系结构有30

多个系列。根据嵌入式处理器的功能和应用不同，可以分为：微控制器MCU、微处理器

MPU、数字信号处理器DSP和片上系统SOC!101。选择主控芯片应该考虑的因素包括：微

控制器的性能、集成的功能模块、开发环境的熟悉程度等。目前MCU是嵌入式系统的主流，

其价格低廉、功能优良，具有很高的性价比；片上集成的功能和外设资源比较丰富，如计

数器、串行口、CAN、12C等【11】。本系统采用了处理速度比较快的32位ARM微控制器。

由于ARM分为不同的系列，选择一款适合本系统设计的ARM非常重要。选ARM芯片时应

考虑如下因烈11J：

(1)选择合适的ARM内核结构

ARM微控制器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，如使用Linux或WinCE

等操作系统，就需要选择ARM720T以上带有MMU(Memory Management uni0功能的

ARM芯片。由于终端控制器网络系统的设计没有使用操作系统，所以ARM7内核可以满足

要求。

(2)系统的工作频率

系统的工作频率在很大程度上决定了ARM微控制器的处理能力。常见的ARM7芯片系

统主时钟为20MHz．133MHz，ARM9的系统主时钟频率为100MHz．233MHz，ARMl0

最高可以达到700MHz。终端控制器网络系统的时钟频率在100MHz内可以满足需求，就

工作频率而言，ARM7系列能满足系统需求。

(3)芯片内存储器的容量

大多数的ARM微控制器芯片内置存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统时外扩

存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，有些高达2MB。本终端控制器网

络系统的程序运行对内存的要求不是很高，一般存储空间大小的芯片就可以满足要求。

(4)片内外围电路的选择

除ARM微控制器核以外，ARM芯片根据各自不同的应用领域，扩展相关功能模块，

并集成在芯片之中，称为片内外围电路，如USB接口、12C接口、LCD控制器等。设计时

采用片内外围电路完成所需的功能，可简化系统的设计，提高系统的可靠性。本终端控制

器网络系统需要3个UART、1个USB设备控制器。

综合以上各个因素的考虑，在本系统选用NXP一款内核为ARM7TDMI．S的ARM微控

制器LPC2378。它是一种低功耗的32位RISC处理器，512KB片内Flash，片内集成了4个

UART、2个CAN控制器、2个USB设各控制器(只能同时用一个)。另外LPC2378具备总线

控制功能，所以在网络连接和内存扩展方面比较容易实现。

3．1．2 LPC2378控制器1121

LPC2378使用了一个高性能的32位ARM7内核，可以在高达72MHz的频率下操作。

128位宽的存储器接口和专有的存储器加速器使得32位的代码可在最高的时钟速率下执行，

而无需使用高价的SRAM。LPC2378较小的144脚封装、极低的功耗、优良的性能使它特

别适合于工业控制、协议转换等。LPC2378的重要特性如下：

(1)72MHz主频、32位的ARM7TDMI．S，带AHB／APB接口。

(2)高达512KB的ISP／IAP Flash，58KB的SRAM。

(3)Flash编程极快，通过片内的boot loader软件实现。

(4)10／100EthemetMAC接口，EthemetMAC在独立的AHB总线上有16KB的SRAM

和一个相关的DMA控制器。

(5)全速USB2．0(12Mbps)设备，USB控制器含有4KB的USB SRAM和可存取的DMA，

并支持32个端点的控制、中断、批量和同步数据传输模式。

(6)2条CAN2．0B总线，带2路通道。

(7)10位A／D转换器和10位D／A转换器。

(8)多个串行接口：3个高速12C、1个12S、4个符合16C550工业标准的UART(1个带

有IrDA)和3个SPI／SSP。

(9)1个带有2KB电池SRAM的低功耗实时时钟、1个看门狗定时器。

(10)104个通用I／O口线，这些I／O口线可在高达18MHz的速率下触发。

(11)支持实时仿真和嵌入式跟踪支持，使用标准的ARM测试／调试JTAG接口。

(12)只需一个3．3V输入电源。

(13)T作温度范围为．40"C～85℃。

3．2微控制器单元设计

微控制器是系统设计的核心部分，微控制器直接影响着系统具体功能的优劣。微控制

器的正常工作同样取决于外部的电源、时钟信号、复位信号。有些情况下，外部的存储器

也需要扩展。图3．2．1为微控制器单元设计的示意图：

3．2．1电源及时钟电路设计

3．2．1．1电源电路

电源电路是系统的重要方面，电源设计的好坏直接关系到系统的稳定性。在本终端控

制器网络系统设计中，主芯片LPC2378需要3．3V供电，同时，电平转换芯片MAX3232、

硬件TCPflP协议栈芯片W3150A+等器件和芯片都需要3．3V供电。交换机芯片RTL8305SC

需1．8V和3．3V混合供电。所以要在系统中设计3．3V和1．8V的电源，其中需求的3．3V

电源可以提供较高的输出电流。现场电源模块提供的标准12V电源。本系统选用

LM2576-3．3和LM2575．ADJ集成芯片。LM2576和LM2575的输入电压范围7v～40V，

LM2576可以输出最大达3A电流，LM2575最大输出1A电流，能满足系统的要求。图3．2．2

为系统电源部分的设计：

3．2．1．2时钟电路

LPC2378是一个时序电路器件，外部提供时钟信号才能工作。XTALl引脚输入方波或

者晶振输入都可以给LPC2378提供工作时序。具体提供的时序对应频率如表3．2．1。

表3．2．1工作时序频率表

工作时序方式 对应频率

XTALI引脚输入l：l的方波作为工作时序 l～

50MHZ

晶振

1"-'30MHZ

片内PLL(Phase Locked Loop)或者引脚装载程序(即ISP)功能l

0～25MHz

本设计采用12MHz的晶振作为系统时钟输入。时钟频率在10'-'-'25MHz之间，系统可

以使用PLL和ISP功能。为了与USB通讯速率匹配，选用12MHz也较合理。图3．2．3

为微控制器时钟电路：

3．2．2复位及看门狗电路设计

为了确保微控制器在通电后有一个固定的状态，所有的微控制器均带有一个复位逻辑，

它负责将微控制器初始化为某个固定的状态。这个复位逻辑需要外部提供一个复位信号才

能工作，所以复位信号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作影响较大。一旦复位信号

不可靠，系统将无法在通电后进入确定的工作状态或者由于不停的复位影响系统的正常运

行。复位后微控制器从地址为Ox00000000的地方开始执行，然后进行相应的存储器映射，

使微控制器进入正常的运行模式ll引。除系统通电时需要复位外，程序运行的看门狗复位也

是系统稳定运行的保证。看门狗复位可有两种方式：

(1)芯片内部看门狗，无需外围电路，仅需在程序中初始化使能内部看门狗，并在程序

运行时定时喂狗。

(2)采用外部看门狗，内需要采用专门的看门狗芯片，成本会增加。相比较而言，外部

看门狗比内部看门狗更加可靠，能确保在主控芯片死机的时候产生外部复位信号，让芯片

重新运行。因为系统应用在电梯运行现场，所以对稳定性、安全性和可靠性的要求较高，

所以本终端终端器网络系统设计中采用外部看门狗方案。

在本系统的设计中，选用了的SP706T作为复位和看门狗芯片。SP706T工作电压为

3．3V，复位输出持续时间200ms。作为专用的复位芯片，除了可以消除手动复位容易产

生的抖动现象，提供可靠的复位信号，同时具有电压监控功能，当输入电压低于3．08V时，

将产生复位信号，避免微控制器在低电压时的不确定行为，极大地提高了系统的可靠性

1141。电路连接如图3．2．4所示：

●

图3．2．4中，WDI是SP706T的看门狗输入引脚，与LPC2378的一个GPIO直接相连。

在程序正常运行时，每1．6S至少喂狗一次。如果出现异常情况或程序死机，WDI引脚的

电平在1．6S内没有变化，SP706T内部的看门狗定时器产生定时溢出，WDO引脚输出低

电平，从而将MR引脚拉低，产生一次复位输出。复位后，WDO引脚回复高电平。拔掉jPS(#F

部看门狗控制开关)跳线，外部看门狗将不产生作用，一般用在调试情况下，正常工作时接

上JP8，使引脚WDO(看门狗输出)和MR(手工复位)相连。

3．3功能接口设计

终端控制器的一个重要功能是协议转换，由于不同厂家不同型号的电梯采用不同接口

的电梯控制器，所以现场采集数据的接121多样，如早期控制电梯的PLC使用RS．232或者

RS．485接口进行数据的通信，近年来出现了基于现场总线的接口如Profibus、CAN，这

些不同接口的设备间无法统一通信也无法组成网络使得监控平台实现监控。终端控制器需

要设计这些功能接口，并将不同接口之间的数据统一转换为网络接口数据，以便监控平台

或者监控端采集。本系统中主要是将不同协议接口设备采集的数据转换成TCP／IP协议发

送至监控平台。根据当前电梯控制器设备的主要接口类型及通信接口未来发展的趋势，让

终端控制器具有更好的通用性，本系统设计了RS．232、RS．485、Modem、USB四个

功能接口。

3．3。1 RS-232／RS．485接口设计

RS一232是一个基本的通信接口，很多电梯控制器设备如PLC都采用RS．232接口通

信，所以在终端控制器中设计RS．232接口是必不可少的。此外，LPC2378的ISP下载也是

通过RS．232接口来实现的。LPC2378内置四个UART，在本系统的设计中将UART0和

UART2用做普通的RS．232接口，需要数据接收RXD、数据发送TXD和地线GND三根线就

可以实现基本通信。

由于主控芯片输出的是3．3V的TTL电平，而RS．232接口采用EIA电平，两个电平之

间不匹配，需要进行电平转换【14】【611。在本设计中选用了通用电平转换芯片MAX3232，

芯片工作电压3．3V，可以同时进行两组端口的电平转换。图3．3．1为RS．232接口的设

计电路：

本终端控制器串E1支持波特率9600"-'115200bps，数据位5／6／7／8位，停止位1

／2位，

支持奇偶校验。

RS．485是一种常见的串行总线接口，它结构简单，成本低廉，是一种支持多节点、

远距离和数据传输可靠性较高的总线标准。RS．485采用平衡发送和差分接收方式实现通

信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经过线缆传输之后在

接收端将差分信号还原成TTL电平信号Il卯。本设计中采用LPC2378的UART3作为RS．485

接口，RS．485收发器选用SP3485，其工作电压3．3V，工作方式为半双工，位速率1Mbps，

最多可连接400个节点数。RS-485接口的电路连接如图3．3．2所示：

图3．3．2中，DI为SP3485的数据输入引脚，该引脚和LPC2378 UART3的TXD3相连：

RO为SP3485的数据输出引脚，该引脚和UART3的RXD3相连。DE为SP3485驱动器控铝

tlgl脚，当DE引脚电平为低时，输出显三态；而当DE引脚电平为高时，驱动器正常工作。

RE是SP3485的接收器控制引脚，当RE电平为高时，接收器呈三态：当RE电平为低时，使

能接收器。DE、RE分别和LPC2378的GPIO口相连。通过DE和RE高低电平的控制，可以避

免RS-485数据总线上产生数据冲突。RS．485总线输出端的485A、485B上分别加5．1 KQ

的上拉电阻和下拉电阻，是为了防止出现总线上所有的驱动器都被禁止，接收器可能会输

出逻辑‘0’的情况。总线两端的差分端口跨接120f2的匹配电阻，可起到抑制噪声以及防

止出现电阻不匹配引起反射的作用。终端控制器RS-485接121可支持波特率9600---，l 1

5200bps，数据位5／6／7／8位，停止位1／2位，支持奇偶校验。

3．3．2 USB接口设计

USB(Universal Serial Bus)是由Intel、Compaq、IBM、Microsoft等七家公司联合制

定的串行通信标准，并成了行业标准。二十世纪初，USB2．0标准问世，USB2．0最高以

480Mbps的传输速率得到了广泛关注，在一定程度上代表了通信接口的发展趋势【USB作

为新一代通信接口，具有低成本、即插即用、兼容性好、可靠性高、易于扩展等优点，与

传统的RS．232、RS．485接口相比，传输速率快很多fi列。虽然日前的电梯控制器上还少

有USB接口的设备，但凭借USB协议的优越性能，不久会有越来越多的设备采用USB接口

通信，特别是在需要采集视频、音频信号的电梯控制场合，所以本终端控制器也设计了USB

接口。本监控系统中的视频信号主要通过USB接口采集、通信。

一个完整的USB系统包括USB主机和USB设备，所有的传输事务都是由主机发起；USB

设备是能够通过USB端口来接收和发送数据的实体。本系统设计的USB接口就属于USB设

备。

本系统CPU支持2个USB2．0全速(12Mbps)设备。本设计使用了LPC2378的USB控制

器1。USB接口的电路连接如图3．3．3所示：

图3．3．3 USB接口电路

图3，3．3中SP0503BAH是为USB2．0高速端口提供ESD保护的器件。USB采用差分

数据传输，两根数据传输线USB D．和USB D牛分别与LPC2378的U2 D．和U2 D+相连。

如果要在USB系统中添加一个新的设备，主机和待添加的设备之间需要进行一系列复杂的

操作。主机数据线上的两个偏置电阻在没有设各接入时，确保D+和D．为低电平。当有设

备插入USB电缆时，该设备端的电阻使主机端的D+或D．为高。如果偏置电阻连接到D+，

说明设备是全速的(12Mbps)；如果电阻被连接到D．，则表明设备是低速的(1．5Mbps)，

如图313．4所示：

图3．3．4 USB接口端的设定

本终端控制器设计的USB支持USB全速12Mbps，32个物理端点，支持控制、批量、

中断、同步端点。

3．3．3

Modem接口设计

Modem是Modulator(调制器)与Demodulator(解调器)的简称。对于一般的应用而言，

Modem一个最大的用处就是可以连接电话、传真‘181。在终端控制器设计中就使用UARTl

技术来模拟Modem传输，选用SP3238E芯片实现电平转换。SP3238E的工作电压为3．3V，

可以同时进行5路输入、4路输出的TTL到RS．232电平转换。Modem的接口电路如图3．3．5

所示。

C1．7图3．3．5 Modem接口电路

本终端控制器系统的Modem接I：1由于是用LPC2378的UARTl模拟的，所以和串口

一样，支持波特率9600"～115200bps，数据位5／6／7／8位，停止位1／2位，支持奇偶

校验。

21

刀一4勰药，一3拍扣挖一冯仃烈一加擂埔

3多电梯远程监控系统终端控制器硬件设计硕士论文

3．4网络接口设计

3．4．1设计方案

终端控制的核心任务就是将其他接口采集到的数据统一转换为TCP／IP协议的数据通

过网络接口转发，所以终端控制器网络系统设计的核心是设计网络接口，并且组成局域网。

要将嵌入式设备组成局域网，需要解决两个主要问题，一是嵌入式系统怎么接入以太网，

即怎么实现网络协议问题；另一个是怎样组成局域网的问题。

3．4．1．1嵌入式系统接入以太网方案设计【19‘21】

要实现嵌入式接入以太网，就要实现复杂的TCP／IP协议，对嵌入式微控制器的存储

器、运算速度等的要求比较高。所以嵌入式系统与以太网相结合的关键在于如何在资源有

限的嵌入式系统内实现TCP／IP协议。目前，实现嵌入式系统接入以太网的方案主要有以

下几种：

(1)专用网络+专用网关

嵌入式系统首先通过专用网络(比如RS．485总线等)连接起来，然后再连到专用网关上，

由该专用网关作为通信控制器，将内部专用网上的信息转换为TCP／IP协议数据包，发送

到以太网上实现数据传输。该方案必须依赖专用网关作为通信控制器工作，在很大程度上

降低了网络整体的可靠性和实时性，而且安装不够灵活、方便。

(2)嵌入式微处理+PHY芯片

该方案由嵌入式微控制器和PHY芯片(比如RTL8019AS)组成，也叫软TCP／IP方案。

一般引入商用的嵌入式实时操作系统，如VxWorks、Linux等。这类操作系统一般都提供

TCP／IP协议栈，系统开发通过调用操作系统提供的API来实现TCP／IP协议的功能。该方

案软件开发周期长，对研发人员的开发能力要求较高，一般大公司采用。

(3)集成了TCP／IP协议栈的片上系统(Soe)

现在有些网络微控制器芯片已经在片上集成了TCP／IP协议栈了，用户无需采用外部

的硬件协议栈芯片或者自己用软件来实现TCP／IP的功能了。但是目前这类芯片一般都采

用低端内核，设计出来的系统的数据传输速度比较低，要求数据传输速度比较快的系统就

不能采用这种方案。

(4)嵌入式微控制器+TCPflP硬件协议栈

由嵌入式微控制器、TCP／IP硬件协议栈、PHY组成。TCP／IP协议族功能由协议栈芯

片实现，嵌入式微控制器通过调用函数，就可以接收、发送相关用户数据。该方案硬件电

路简单，也无需开发者自己来实现TCP／IP协议，而且用硬件来实现TCPFIP协议，比用软

件实现，能达到更快的数据传输速率。特别适合资源比较紧张或者对数据传输速度要求比

较高的系统。终端控制器网络系统的设计就采用了这种接入以太网的方案，以求有更快的

网络处理速度。

3．4．1．2网络连接方案设计

终端控制器的工作环境是在电梯运行现场上，受限于电梯运行现场空间等因素影响，

使用交换机或集线器等网络连接设备来组建网络不方便。所以要求终端控制器有自组网功

能，数套终端控制器就能连接组成局域网，不用借助网络连接设备。因而需要具备集线器

或者交换机的功能，具有两个以太网接口。设计双以太网接口的另一个很重要的原因是，

本系统设计的带备份通路的环网结构要求具有两个以太网接口，进行首尾相连组成物理上

的环网。

终端控制器网络的传输速率要求较高，因为需要传送大量的语音和视频信息，这种信

息的突出特点就是数据量很大。系统需要选择一款性能优良的芯片，终端控制器设计选择

的是交换机控制器芯片。通过对集线器和交换机控制器芯片工作原理的比较分析可以看出，

网络负载比较大的场合下，集线器控制器很容易引起网络的拥塞，交换机控制器则能凭借

其优越的性能而较好的工作。本终端控制器对网络带宽的要求相对较高，通常工作在网络

负载大的场合下，所以本终端控制器网络系统的设计选用了台湾RELTEK公司生产的

RTL8305SC交换机控制器芯片。本系统设计的网络接口示意图如图3．4．1所示：

图3．4．1系统

网络接口示意图

3．4．1．3网络接口主要芯片介绍瞄之5】

从上述的方案设计中可以看出，在网络接口设计中主要用到的芯片有硬件TCP／IP协

议栈芯片W3150A+和以太网交换机芯片RTL8305SC。下面分别简单的介绍一下这两个芯

片的主要功能及特性。

(1)W3 150A+

WIZnet公司硬件协议栈芯片W3150A+是以大规模集成电路方式硬件化通信协议栈，

提供一种简单、经济的高速连接互联网上各种数字设备的解决方案。实现方式是以硬件化

TCP／IP栈来完成。它提供一个既快且简易的渠道来实现以太网的功能。应用此大规模集

成化的芯片于系统中可完全卸载网络协议所需的负荷，减轻软件开发的工作量。W3150A+

实现TCP／IP栈中的TCP，UDP，ICMP，Pv4，ARP，IGMP以及PPPoE协议，另加连接以

太网协议中的数据控制及MAC协议。芯片内含16KB收／发缓冲存储器。对MCU接1：3采

用多种连接方式，对物理层衔接则应用标准MII接El。W3150A+主要由4部分组成，它们

分别是：

第一部分是MCU接口。W3150A+提供直接总线接口和间接总线接口，W3150A+还

提供SPI总线接口。适合与类似8051单片机的总线连接，也非常适合与只有IO口而没有总

线接口的单片机连接。

第二部分是TCP／IP协议栈。W3150A+已经完全固化了从MAC层、网络层到传输层

所需要的协议，因而用户无需了解这些协议的具体实现方法和实现代码。

第三部分是接收和发送缓冲区。单片机通过以太网与网络上其它主机进行通信的数据

是通过这些缓冲区来交换的。

第四部分是以太网物理层接EI(MII接口)。W3150A+可以与RTL8201无缝连接，实现

10／100BaseT以太网物理接口。

芯片结构如图3．4．2所示：

图3．4．2 W3150A+结构

(2)RTL8305SC简介

RTL8305SC是台湾的RELTEK公司生产的二层交换网络芯片，具有5个网络接口。其中

每个接El含有一个MAC层和一个物理层收发器，提供10／100M传输速率的自动协商和识

别功能(完全兼容IEEE802．3／802．3u的自动协商识别功能)，支持UTP方式，并且在光

纤模式下提供流量控制功能。它集成高效的SRAM作为收发分组的缓冲区，提供广播帧过

滤功能，还提供了微控制器接El：SMI(Serial Management Interface)接lZl，允许微控制

器通过该接口设置内部寄存器和诊断内部错误。RTL8305SC的5个以太网接IXl(PORT0"一

PORT4)分为三个部分：组X、组Y和PORT4。用户可以根据需要将PORT0---,PORT3灵活

地划分为组X和组Y，每组的工作模式相互独立。而第5 N(PORT4)贝IJ是一个功能强大的接

口，支持一个外部的MAC接口，可以根据需要配置成为物理层模式(PHY)MII接121、物理

层模式(PHY)SNI接口及MAC模式MII接口三种，以实现与路由器、个人数据助理(PNA)及

VDSL发送设备直接相接。也可以直接工作在U11P方式。RTL8305SC内部寄存器有三种设

置方式：第一种是仅用外部配置引脚，这种方法能够实现普通交换功能。用户根据需要在

上电前设置好外部配置引脚的状态，上电时RTL8305SC根据外部配置引脚的状态自动设置

内部寄存器。第二种是使用外部配置引脚并结合串行EEPROM自动加载，即RTL8305SC中

的几个基本功能寄存器r(register0"--

register5)是根据外部配置引脚的状态自动设置的，而其它用于更复杂功能的寄存器是

通过串行EEPROM进行自动加载的。第三种方式是使用外部配置引脚并结合微控制器通过

SMI口进行设置。本终端控制器网络系统设计只需要使用交换机的基本功能，故采用第一

种设置方式，即仅使用外部配置引脚配置。RTL8305SC内部结构如图3．43所示。

图3．4．3 RTL8305SC芯片内部结构

3．4．2 ARM与协议栈芯片电路连接

3．4．2．1 W3150A+与微控制器的三种接法

W3150A+与微控制器(MCU)有三种不同的连接方法，具体见表3．4．1。

3多电梯远程监控系统终端控制器硬件设计硕士论文

的。

终端控制器网络的处理速度要求较高，所以本设计就是采用直接总线的方式连接

表3．4．1 W3 150A+与MCU连接方法

连接方法 连接线 优点

不足

直接总线方式 使用15根地址线、8根数据线、3根 网络处理较快，数据读取操

作简单 需要较多的连接线

控制线与微控制器相连

间接总线方式使 用了2根地址线、8 根数据线、 节省io口

读取操作稍复杂，

3根控制节省微控制器号线与微控制器相连

数据读取速度稍慢

SPI接口的方式 需要SS(SPI主从选择)、SCLK(时钟 连接简单

网络的处理速度慢

) MOSI和MISO共4根线即可

、

3．4．2．2 LPC2378外部存储器控制器【12】

外部存储器控制器是一个AMBA AHB总线上的从模块，为AMBA AHB系统总线和外

部(片外)存储器器件提供了一个接口。该模块可同时支持2个单独配置的存储器组，每个存

储器组都支持RAM、ROM、Flash EPROM、Burst ROM存储器或一些外部I／o器件，EMC

与外部存储器连接关系见图3．4．4。每个存储器组的总线宽度为8、16或32

位，但是同一个存储器组不能使用两个不同宽度的器件。总线一

图3．4．4 LPC2378的EMC与外部存储器连接示意图

LPC2378微控制器的引脚地址输出线是A[15：0]，可以选择64K的空间范围。2个存储

器组的有效区域位于外部存储器的起始部分，地址分配如表3．4．2所列。

储器组的地址范围

Bank 地址范围

O 80000000"--8000FFFF

l 81000000～8100FFFF

Bank0、Bankl的片选信号分别为CSO、CSl，如果片外存储器或I／O器件是通过CSO

进行片选，或者由CSO与地址线进行译码来片选，则此片外存储器或I／O器件属于BankO

组，地址为0x80000000"--'Ox8000FFFF；Bankl地址空间的选择同理。3．4．2．3 LPC2378

与W3150A+电路连接LPC2378与W3150A+的电路连接原理如图3．4．5所示：

图3．4．5

W3150A+电路连接

在图3．4．5中，W3150A+的第4、12、56、59、60引脚是内部测试引脚，在正常

使用时要将其接地。VOUT引脚是W3150A+的1．8V电源输出引脚，在本设计中将这个输

出作为W3150A+I为核的电源，其中O．1心和lO心两个电容起滤波作用。由于W3150A+

的AVIN引脚(模拟电源输入)要求电源纹波小，所以将W3150A+的两个1．8V输入电源之

间加个磁珠隔离。FDPLX(全／半双工选择)是W3150A+全双工／半双工模式的选择引脚，

在本设计中将此引脚接地，选择W3 150A+工作在全双工模式下。INT是W3150A+的中断

输出引脚，与LPC2378的外部中断输入EINTl引脚相连，在SOCKET连接成功、断开连接、

接收到数据、超时等都会产生中断通知MCU。

3．4．3交换机控制器配置和电路设计

由于终端控制器网络系统仅需要用到交换机控制器的基本功能，所以在硬件设计时采

用引脚来配置交换机控制器的内部寄存器，实现交换机控制器的相关功能设置。

3．4．3．1 PORT4口设置

交换机芯片I盯L8305SC的PORT4 121的使用是比较灵活的，可以通过配置在不同的模

式下工作。在本系统的设计中，配置RTL8305SC工作在单MII接口的PHY模式MII下，全双

工，1 00Mbps。PORT4具体的配置见表3．4．3。

表3．4．3 RTL8305SC的PORT4口配置

引脚名 引脚号 功能描述

配置

DlSDUALMII 42 单双接口选择

择为单Mll接口，DISDUALMII

1：工作状态为单MII接口 引脚接高电平或悬空(内部上拉)

0：工作状态为双MII接口

P4MODE[1：O】 44，45 工作模式选择

PHY模式MII，P4MODE0

1l：UTP／MAC模式MII： 引脚接高电平或悬空(内部上拉)，

10：100Base．FX模式： P4MODEl引脚接地

01：PHY模式MⅡ；

本系统

选

选择为

00：PIP／模式SNI

P4LNKSl'A 49 连接指示状态 配置

配置为连接指示状态，

l：不连接 P4LNKSTA接地。

0：连接

P4DUPSlA

为全双工

1：是全双工

0：是半双工

P4SPDSTA

100Mbps

l：100Mbps

空

0：lOMbps

P4FLCTRL

制

48 工作状态配置

47 速度配置

46 流量控制

选择

P4DUPSTA引脚接高电平或悬空

(内部上拉)

选择为

P4SPDSTA引脚接高电平或悬

(内部上拉)

使能流量控

l：使能流量控制 P4FLCTRL引脚接高电平或悬空

0：不使能流量控制 (内部上拉)

3．4．3．2交换功能配置

PORT4口配置是控制PORT4目的工作模式，对交换机控制器的其它功能的设置是通过

交换功能配置来完成的。交换功能配置主要是选择芯片工作模式，对端口进行分组等。表

3．4．4是本系统的交换功能配置。

表3．4．4交换功能配置

引脚名 引脚号 功能描述

本系统配置

EN_AUTOXOVER 69 使能自动交叉功能，即接收发送

配置不使能自动交叉

引脚交换 EN—。AUTOXOVER

1：使能 引脚接地

O：不使能

EN——RST——BLNK 71 使能复位闪烁。复位后LED闪

烁， 配置为使能复位闪

可用于诊断LED灯 烁，EN RST BLNK

l：使能 引脚接高电平或悬空

O：不使能

BCInDrop 113

选择为使用广播输出

l：使用广播输入

O：使用广播输出丢弃机制

Maxl536 114

选择最长帧1536字

I：1536字节

0：1552字节

平或悬空(内部上拉)

SetGroup 95

配置Porto和portl属

1：PORTO属X组，PORTl，2，3

广播输入丢弃

丢弃机制丢弃机制，BCInDrop

引脚接地

最大帧长度

节

Maxl536引脚接高电

设置PORTl分组

于X组，SetGroup引

属Y组 脚接低电平0：嗍0和PORT 1属X组，

PORT2和PORT 3属Y组

GxMode 96 X组操作类型

选择为UTP模式，

l：UTP模式 GxMode引脚接高电

0-FX模式 平或悬空(内部上拉)

3．4．3．3与协议栈芯片电路连接

MII总线通常用于不同类型的PHY与相同网络控制器相连接。本系统中RTL8305SC通

过MII总线与W3150A+连接。RTL8305SC与W3150A+的电路连接如图3．4．6所示：TXD0

3．5本章小结

本章通过对系统运行现场状况以及结合工程实际应用，选择了ARM微控制器LPC2378

作为主控制器芯片，并进行了微控制器单元设计；利用ARM的片上资源进行了系统功能接

口的设计；同时进行以太网接口的设计，在以太网接口设计中采用了硬件协议栈加交换机

控制器芯片的方案，并给出详细的电路实现，包括W3150A+的电路设计，RTL8305SC的

PORT4口配置、交换功能配置设计。

4多电梯远程控制系统终端控制器软件设计

数据协议转换和备份通路环网的管理是本终端控制器网络系统软件的两大主要功能。

其中数据协议转换模块将接收到的数据按照特定的要求通过以太网传输给网络上的其它节

点。而备份通路环网的管理模块则在系统初始化阶段确定断开环网开关的节点，完成网络

结构的搭建。当网内某处的发生物理故障时，能及时启用备份通路，完成故障状态下网络

的重建。

本系统软件设计采用C语言开发在ADSl．2环境下开发，终端控制器网络系统的软件设

计采用了嵌入式开发常用的前后台系统。软件设计方法主要是将软件功能进行分层分模块

设计。先分模块介绍功能接口的驱动设计，详细描述网络协议的实现，然后调用功能接口

驱动和网络协议实现中的API，实现本系统应用层协议转换和环网管理的功能。

4．1软件整体设计

本系统的软件设计采用分层分模块的方法。这种方法的优点是降低软件的耦合性，提

高软件代码的可移植性和可扩充性。在软件调试与维护过程中，如果修改其中某部分代码

或者增加功能时，只对相应的部分作出修改，其它模块则不受影响。这样就大大方便了软

件的维护也缩短系统的开发周期。软件整体分为应用层和驱动层两大部分：应用层调用驱

动层的API实现系统的功能，驱动层提供各个功能模块实现的API。分层的设计方法，驱动

层屏蔽了硬件结构的不同，而应用层可随时调用驱动层的API，并不需要考虑硬件结构。软

件驱动层的设计同样采用分模块的方法，根据接口的类别分别设计了RS．232、RS--485、

Modem、USB接口驱动和以太网接口五个驱动。所有接口驱动都采用中断方式来处理数

据接收、发送及一些异常情况，这样能节约MCU时间，提高终端控制器数据处理的速度。

由于本终端控制器各个功能接口的数据处理量很大(特别是涉及到语音和视频信号的处理

时)，软件设计采用循环队列来缓冲数据的接收。循环队列只允许在队列的尾端进行插入，

在头端读取元素，最早进入队列的元素最早被取出口丌。对数据接收的中断处理流程为，

将接收数据写入对应的接收数据循环队列中，并置相应的数据有效标志位，供主循环程序

查询。终端控制器网络系统应用层的最主要功能是：实现不同接口协议的数据向TCP／IP

协议的转换。设计的思路是：如果某一接口上接收到数据，首先分析提取出有用的数据，

然后将此部分数据通过网络接口输出。本系统应用软件设计针对每个功能接口设计了独立

的数据处理模块，相应得模块负责完成相应接口对上传输的数据进行处理及转换。主函数

的死循环中不断轮询各个接VI的数据有效标志位，当查询到某接口的数据有效位被置位时，

就调用相应的数据处理子模块，完成数据处理功能。本系统软件的结构如图4．1．1

4．2接口驱动设计

图4．1．1本系统软件结构

在第二章系统硬件设计时，设计了RS．232、RS-485、Modem、USB四种功能接口，

相应需设计这些功能接口的驱动程序。由于RS一232、RS-485和Modem接口分别采用

LPC2378集成的UART0／2、UARTI、UART3设计，在驱动设计时仅以UART0为例进行阐

述。

4．2．1串口驱动程序设计

本串口驱动的主要功能是串口硬件的配置和初始化，并为上层应用提供函数接口。本

驱动主要包含的函数有串口初始化、串口数据发送接收及串IZl中断服务程序。主要函数及

功能如下：

(1)uint8 UART0_Init__(uint32 Baud，uint8 Parity，uint8 Datab，uint8 Stopb)：

初始化UART0，并建立串口队列；(2)void UARTO Putch ：发送l字节数据：_(uint8 Data)

(3)void UARTO Write 幸发送多字节数据；．(uint8 Data,uintl6 NByte)：

(4)uint8 UARTO Oetch(void)：接收l字节数据，返回值为接收到的数据；

(5)void irq UARTO Exception(void)-中断处理函数，用于串口接收、发送数据。

在使用UARTO前必须对其初始化，这是通过调用函数UARTOInitO来实现的(一般

在任务初始化函数Targetlnit()dP调用UARTOInit0实现)。本串口驱动初始化的流程如

图

4．2．1所示：

图4．2．1初始化UART0的流程

为了减少串口驱动对MCU时间的占用，使用了中断方法来接收和发送数据。图4．2．2

所示为串口中断处理流程图：

33

图4．2．2串口

中断处理流程

4．2．2 USB接口驱动设计

为了使软件可移植性强、易维护，采用分层的方法编写USB设备驱动。本USB驱

动目前只能完成从机模式(即非DMA模式)传输。分层如下：

(1)USBHAL．c．USB硬件抽象层，与硬件相关；

(2)USBCI．c：USB命令接口层，与硬件相关；

(3)USBProt．c．USB协议层，与硬件无关，与协议有关；

(4)Descriptor．e．．USB协议层的描述符，与硬件无关，与协议有关；

(5)USBDriver．e：USB协议层的描述符，与硬件无关。

以上各层关系如图4．2．3所示：

图4．2．3 USB

驱动各层关系结构

4．2．2．1 USB设备硬件抽象层

该层主要处理和硬件相关的部分，包括USB引脚的设置和USB中断的初始化。设

备硬件抽象层主要包含的函数如下：

(1)void USB_InitHardware_(void)：初始化配置USB相关引脚；

(2)void USB DevIntConf(void)：设备中断配置。

4．2．2．2 USB设备接口命令层

USB设备接口命令层将对一些USB寄存器的操作打包成一个命令函数，方便协议层和

应用层的调用。USB设备接口命令层主要的函数如下：

(1)void usB_ConfigMaxPaketSize_(uint8 Endp，uint32 Packetsize．．配置端点最

大包

长度；

(2)uints USB_ReadEndPoint_(uint8 Endp，uint8 Len，uint8}BuO：从OUT端点缓

冲区

读取数据；

(3)uint8 USB WriteEndPoint__(uim8 Endp，uint8 Len，uint8幸Buf)：向IN端点缓

冲区写

入数据。

4．2．2．3协议层

本驱动的协议层只处理标准的USB设备请求。USB主机通过标准USB设备请求，可设

定和获取USB设备的有关信息，从而可以完成USB枚举过程。所有标准设备请求都是通过

端点0接收和发送SETUP包来实现的。SETUP包的接收和发送通过控制传输结构体全局变

量CONTROL XFER ControlData来实现。

本USB驱动协议层的主要函数如下：

(1)void epO RxDone_(voia)：接收建立包；

(2)void ep0_TxDone_(void)：控制端点发送数据：

(3)void ControlHandler(void)：控制传输处理函数；

(4)void StandarDeviceRequest_(uint8 Req)：标准请求处理。

USB标准设备的请求实现过程如图4．2．4所示：

USB中断服务程序

图4．2．4 USB标准设备请求的实现

4．2．2．4应用接口层

应用接口层实现USB设备控制器的所有功能。USB硬件抽象层、命令接口层、协议层

功能都在应用层的控制下。应用接口层主要实现初始化USB设备控制器、USB设备中断服

务程序、控制传输处理三个部分的功能。主要的函数如下：

(1)uint8 InitUSB_(void)：初始化USB设备，初始化建立USB队列；

(2)void_irq USBInt_(void)．USB设备中断处理，包括数据接收发送处理和错误处理；

(3)void USBSever_(void)：USB事件处理，包括处理总线复位、挂起改变等。

USB中断服务程序的处理流程如图4．2．5所示：

4．3网络协议设计

在终端控制器网络系统设计时针对嵌入式系统资源有限，移植TCP／IP协议栈困难，

且终端控制器数据量大、对网络的处理速度要求较高的特点，选择了用硬件协议栈芯片

W3150A+代替软件实现TCP／IP网络协议。

4．3．1 W3150A+-r．!作原理1221

W3150A+是硬件TCPhP协议栈芯片，内部已经集成了TCP／IP协议。通过对相关寄存

器的操作就可以实现复杂的TCP／IP协议的功能。W3150A+I为部寄存器可以分成通用寄

存器、通道寄存器两大类。通用寄存器主要是用于W3150A+芯片初始化的，包括设置网

关、子网掩码、MAC地址、源IP地址寄存器、中断寄存器、发送存储区大小寄存器、接收

存储区大小寄存器等。通道寄存器有四套，每个通道有一套属于自己的独立的通道寄存器。

通道寄存器包括设置通道模式寄存器、通道命令寄存器、目的IP地址寄存器、通道发送指

针寄存器等。另外W3150A+还分别有8K的数据接收存储区和数据发送存储区，分别用来

存储接收和待发送的数据。当通道有数据接收时，W3150A+自动把接收数据写入该通道

的缓冲区中；发送数据时，先把发送数据写入该通道的发送缓冲区，然后写入命令发送。

可以通过软件灵活配置每个通道的接收和发送缓冲区的大小。W3150A+存储空间分配如

图4．3．1所示：

；j ：．j

图4．3．1 W3150A+存储空间分配

W3150A+的工作流程为：先芯片初始化，激活芯片，主要是配置网关、p地址、MAC

地址、接收发送缓冲区等。激活芯片后W3150A+自动实现ICMP协议，此时可以使用Ping

来测试连通性。然后是通道初始化，设置每个通道的模式、源IP、目的IP等，向通道控制

寄存器写入命令，可以实现TCP、UDP、IP Raw、MAC Raw协议。微控制器通过对外部

RAM的操作时序来读写这些寄存器，在系统硬件设计时选用LPC2378的CS0作为

W3150A+的片选信号，所以W3150A+的物理起始地址是OxS0000000。各个寄存器的物

理地址为片内相对地址+起始地址，如发送缓冲区的物理地址为

0x80004000---0x80006000。对W3150A+寄存器读写的时候，需要注意：W3150A+是

大端存储，而ARM是小端存储，所以在多字节数据读写操作时就要注意，W3150A+低位

寄存器中的数据是高字节数据，高位寄存器中的是低字节数据。例如在配置礤地址时需要

写4字节数据，就要将m地址的最高位写到IP地址寄存器SIPR0中，次高位写到SIPRl中，依

此类推。

4．3．2设备接口命令层

设备接口命令层的功能是将一些常用的芯片寄存器的操作打包成命令函数，方便以太

网协议层和应用接口层调用。本层主要包含的函数如表4．3．1所示。

37

4．3．3应用层

应用接口层实现以太网的所有功能，它调用设备接口层和协议层的函数，提供API给系

统应用层调用，实现用户数据的接收和发送。本层主要包括网络接口的初始化、数据传输

和中断的处理三个部分。

4．3．3．1网络接口的初始化

网络接口初始化函数Etllemetinit(&NctConf,&SockCon0，调用芯片初始化函数

Chiplnit(&NetCon0和通道初始化函数Socketlnit(&SockConf)，对芯片和4个通道进行初

始化。

43．3．2数据传输

数据传输包括TCP数据的接收发送和UDP数据的接收发送。本接口层提供的数据传输

API如下：

(1)uint8 TCP_DataSend_(uintg·Des—IP，uint8幸Des—Port，uint8宰Bur，uintl6

Data Lenl：TCP数据发送函数；

(2)uint8 TCP DataRcv_(uint8牛Sou—IP，uint8幸Sou—P011；，uint8事BuL uintl6

Data Len)：TCP数据接收函数，用于将接收队列中的数据读取出来，并保存该数据的发送

方IP和端口：

(3)uint8 UDP_DataSend_(uint8·Des—IP，uint8幸Des—Port，uint8·Bur，uintl 6

Data Lcn)：UDP数据发送函数；

(4)uint8 UDP_DataRev_(uint8·Sou—IP，uint8 ·Sou—Port，uint8·Buf，

uintl6Data_Len)：UDP数据接收函数，用于将接收队列中的数据读取出来，并保存该数据

的发送方IP和端口。

4．3．3．3中断服务

W3150A+的中断源有IP地址冲突、目的端口不可到达、四个通道中断。可以在芯片

初始化的时候，根据系统的需要屏蔽部分的中断位。在本终端控制器网络系统设计时，打

开了所有的中断位。W3150A+的中断处理流程如图4．3．2所示。

4．4应用层软件设计

图4．3．2以太网中断处理流程

本电梯终端控制器网络系统应用层主要完成协议转换即数据的统一协议和环网备份通

路开关的控制两部分。

4．4．1主函数设计

主函数是本系统软件的核心部分，它主要负责调用应用层的其它函数，实现电梯终端

控制器网络系统功能。

本电梯终端制器网络系统设计主函数的处理流程如下：

(1)从ARM的Flash中读取系统的配置信息；

(2)根据配置信息初始化系统和功能接口；

(3)调用环网通路控制处理函数，完成备份通路环网的相关处理；

(4)进入死循环不断轮询数据有效标志位；

(5)当发生某个接121的数据有效位被置位时(该接12收到数据，由中断接收写入队列并

置该标志位)，调用转换处理，同时清除该数据有效标志位。主函数的具体处理流程如图

4．4．1所示：

图4．4．1主函

数处理流程

4．4．2协议转换设计

协议转换是指不同接口与以太网接口之间统一协议，具体是指将某一个接口接收到的

数据，对数据进行处理分析提取有效部分数据，转换成统一的标准数据格式通过以太网接

口输出，从而实现这一个接口与以太网接口之间的协议转换。通过协议转换功能的实现，

进一步完成统一协议功能以便上层系统实现数据保存和界面表现。协议转换设计也采用模

块化的方法，按照功能接口可以分为RS．232功能模块、RS-485功能模块、Modem功能

模块、USB功能模块和以太网功能模块五个部分，每个模块负责处理对应接口接收到的数

据。不同的接口模块具有不同的数据处理流程，基本上除以太网接口外，其余接口具有类

似的处理流程：

(1)读取该接收队列的数据至一个临时数据中；

(2)数据解析；

(3)转换成TCP／IP协议的数据转发到以太网接口上。

本系统所设计的TCP／IP协议的电梯数据帧如表4．4．1，数据转换的模型如图4．4．2。

图4．4．2中是串口从具体某一台电梯采集到的电梯监控数据，通过协议转换，数据最终

统一为TCP／IP协议的数据帧格式，通过以太网口发出。

莱电梯串口数据帧

TCP／IP协议数据赖

图4．4．2数据转换模型图

表4．4．1 TCP／IP协议的电梯数据帧

字节编号 传送信息

1-2 电压

3-4 电流

5-6 电机转速

7-8 电梯载重

9一10 电梯机箱温度

11-12

13

14

15

bitl： 停止

bit2： 开门

bit3：关门

电梯运

行状态

bit6：上升

电梯当前楼层信息

备用

备用

bit0： 运行

bit4：开门到位

bitS：关I'-JN位

信号 bit7：下降

16 bit0：机房门状态

bitl：通风

bit2：照明

bit3一bit7：备用

17 bit0：变频器故障

bitl： PLC故障

bit2： 门故障

bit3：极限故障

电梯运 bit4：井道故障

行故障 bitS：抱闸粘连故障

bit6：安全回路故障

信号 bit7：超载故障

18 备用

与前面几种接口不同，以太网接口可以接收到网内不同设备发送的数据，所以需要

根据发送方的IP地址、ID号来判断数据的发送设备。

4．5本章小结

本章是电梯终端控制器系统的软件设计，首先介绍了软件的开发环境，接着论述了软

件设计的整体思想，并分类介绍了各个接口的驱动开发，同时详细阐述了协议转换的实现，

在此基础上介绍了应用层函数的开发设计。

5多电梯远程监控系统监控软件的设计与实现

监控平台与电梯的终端控制器网络可以在以太网内部连接，也通过Intemet建立连接

(连接结构图如图5．”。在监控平台，具体的监控统软件设计主要由两部分组成：一是动态

数据交换，将从网络上接收到的数据转换成可被组态软件读取的DDE服务器机制。另一个

是对电梯状况的实时监控和管理．包括电梯运行状态显示、实时报警、事件记录及历史趋

势曲线、Web发布功能等．

动态数据交换的DDE机制使用VB开发，监控界面是在力控Force。ontrol-V6．1环境

下开发的。监控界面采用分模块的开发和整体组态相结合的方法．最终实现本系统对电梯

的监控和管理的功能。

5．1力控ForeeeoatroI-V6．1介绍《3》

组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具．是随着分布式控翩系统及计算机控制

技术的日趋成熟而发展起来的．自20世纪80年代初期诞生至今，组态软件已有20年的发展

历史。80年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统概念的推广，基于个人计算机的

监控系统开始进入市场，并发展壮大。自1987年Wonderwate公司开发推出第一个将组态

软件作为商品进行开发、销售的。基于晰ndows的工业及过程自动化领域的人机界面组态

软件InTouch，并取得比较成功的应用以来，陆续有美国Intellution软件公司开发的Fix，

德国西门子集团公司的WmCC，俄罗斯Adastra科技公司的Taeemode组态软件、

U．S．Date公司的factorylink、IBM公司的Plantworks，美国GE公司的CimplMty，美

国AB公司(RockweU自动化)的RSview等。我国组态软件的研究始于80年代末，到了1995

年以后，我国组态软件的应用才逐渐得到普及。国内组态软件有亚控软件公司研制开发的

“组态王’’，北京金佳诺软件公司开发的“世纪星”，北京昆仑通态自动化公司开发的MCSG、

北京三维力控科技有限公司开发的力控组态软件等先后投放市场。成功的应用表明组态软

件对经济发展起着越来越重要的作用。

虽然大多数组态软件拥有自身的优势但是在兼容性和网络发布上稍有不足，而力控

Forceeontr01．V6．1在这方面具有相应具体解决方案，固本系统的监控界面采用其来进

行组台开发。力控Forcecontr01．V6．1是三维力控根据当前的自动化技术发展趋势，总

结多年的开发、实践经验和大量的用户需求，来进行设计与研发的，该产品主要定位于国

内高端自动化市场及应用，是企业信息化的有力数据处理平台。力控Forcecontr01．V6．1

在秉承力控5，0成熟技术的基础上，对历史数据库、人机界面、I／O驱动调度等主要核心

部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件，力控Forcecontr01．V6．1面

向．NET开发技术，开发过程采用了先进软件工程方法：“测试驱动开发"，产品品质得到

了充分保证。与力控早期产品相比，力控6．1产品在数据处理性能、容错能力、界面容器、

报表等方面产生了巨大飞跃。有助于全面提升企业信息化。主要指标如下：

方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、大大降低了组态开发的工作量；

高性能实时、历史数据库，快速访问接口在数据库4万点数据负荷时，访问吞吐量可达

到20000次／秒；

强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；

支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；

强大的ACTIVEX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对

象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；

全新的、灵活的报表设计工具：提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包

括：脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板。

5．2监控软件系统设计

监控软件的开发为监控系统提供了一个全中文，图形化，动态化的监控界面，针对不

同的用户、不同的管理权限，可以很轻松的对电梯运行情况进行实时监控，以便利于随时

处理故障和进行检修。并且记录报警、故障信息和进行数据统计，对电梯总体运行情况进

行掌控。

5．2．1监控软件总体设计

监控软件的主要作用是：按照实际工程的要求，实现电梯参数的配置；与电梯终端控

制器进行通信，按照通信协议对采集到的数据进行解析，在错误检测后，实时显示电梯的

运行状态。为了实现以上功能，将监控软件设计分成两部分：动态数据交换机制开发和监

控界面设计。动态数据交换机制主要实现：数据通信、协议转换、信息处理、时间获取等

功能；而监控界面，主要是实现电梯状态显示、实时报警、事件记录及历史趋势曲线、Web

发布等功能，方便电梯监控参数的修改，增加软件的通用性。其中，监控软件的功能图如

图5．2．1：

图5．2．1监控软件功能图

5．2．2 DDE

组态软件在工业控制系统中得到越来越广泛的应用，在实际应用中，上层的监控组态

软件与下层现场工业设备之间、各种不同的监控软件之间、甚至基于不同工业协议的工业

设备之间的数据交互是系统运行的核心。目前Windows操作系统提供了几种标准来支持进

程间的数据交换，其中组态软件中一般采用DDE和OPC两种方式与其他应用程序进行数据

交互p2]。

本系统采用的就是基于Windows环境的组态软件基本都支持动态数据交换技术(DDE：

Dynamic Data Exchange)，该方法简单易行，适应性强，使得组态软件能够和其它支持

DDE的应用程序(像VB、Word、Excel等)方便地交换数据。通过DDE，可以利用PC机丰富

的软件资源来扩充组态软件的功能。

5．2．2．1 Windows的DDE原理

动态数据交换(DDE)是一种开放的与语言无关的基于消息的协议它允许多个程序实时

的交换数据或命令。应用程序用DDE的链路不仅可进行一次数据传递，而且当数据更新时

不需要用户参与就可自动进行数据交换。更重要的是，要实施DDE协议，应用程序仅需要

与操作系统接口，而应用程序之间无需接口，这种灵活的特性使DDE成为Windows应用程

序普遍支持的一种接口协议。Windows的DDE机制基于Windows的消息机制。两个

Windows应用程序通过相互之间传递DDE消息进行DDE会话(Conversation)，从而完成数

据的请求、应答、传输。这两个应用程序分别称为服务器(Server)和客户(Client)。服务器

是数据的提供者，客户是数据的请求和接受者。在应用程序中建立DDE，首先要建立DDE

会话(DDEconversation)，DDE会话包括DDE客户端程序和DDE服务器端程序。DDE客户

端是对话的发起人或者说是请求者，而DDE服务器是对话请求的响应者。

DDE共有三层会话协议：

(1)应用程序名(Application)位于层次结构的顶层，用于指出特定的DDE月及务器应用

程序名。每一种支持DDE的应用程序都有一个应用名用于建立会话的通道。

(2)主题名(Topic)是服务器端所能识别的数据单元，更深刻地定义了服务器应用程序会

话的主题内容，服务器应用程序可支持一个或多个主题名。

(3)项目名(Item)可以讲它是一种“子主题“，更进一步确定了会话的详细内容，每个

主题名可拥有一个或多个项目名。它是DDE会话中真正进行数据交换的部分，是所要链接

数据的部分，所传输的数据可以是标准的或己注册的剪贴板格式。一旦客户端和服务器之

间的DDE会话开始，在客户端和服务器端应用程序之间就建立了数据链接。通过该数据链

接，应用程序之间就可以自动地进行数据交换。根据数据在链路上的交换方式不同，数据

链接可以分为以下三种方式：

(1)手动链接：只有当客户应用程序请求时，服务器应用程序才发送数据；

(2)通知链接：建立了会话后，如果服务器应用程序的数据更新了，将发送一个消息

给客户应用程序；

(3)自动链接：如果服务器应用程序的数据更新了，将自动将数据发送给客户应用程序。

5．2．2．2 VB中的DDE实现机制[341

VsualBasic是开发Windows应用程序的一种面向对象程序设计语言，支持Windows

环境下的DDE通信机制，并提供了DDE的编程接口。在应用程序编制时，TextBox、Label

等控件均可作为客户或服务器进行DDE会话，这里简要介绍控件TextBox的DDE。编程接

121。TextBox控件提供了动态数交换的LinkTopic(链接主题)、Unkltem(链接项目)、

UnkTimeout(链接待时间)和LinkMode(链接模式)四种属性。LinkTopic(链接主题)属性：

字符串型，设置或返回客户或服务器应用程序名和主题名，格式为“应用程序名I主题名"，

应用程序的可执行文件名掉．EXE后缀，则成为DDE中的应用程序名。

Linkltem(链接项目)属性：字符串型，设置、返回客户或服务器项目名LinkTimcout(链

接等待时间)属性：整型，是指动态数据交换中客户和服务器双方等待对方响应DDE消息的

最长时间。LinkMode(链接模式)属性：它有O-None(无链接)、1-Automatic(自动链接)、

2-Manual(手动链接)和3-Notify(通知链接)四种方式。在编写DDE应用程序时，按要求实

际设置链接控件的这几个属性即可。

5．2．3系统数据处理的实现

本系统在监控平台的数据处理部分用VB开发了应用程序VBServer。VB Server应用程

序是一个起桥梁作用的接口程序，用来和硬件设备打交道，然后通过DDE与力控

Foreecontrol进行数据交换，把从电梯终端控制器采集的实时数据传输到力控

Forcecontrol，实现实时显示状态等功能。VB作为DDE服务器、力控Foreecontrol作为

DDE客户端，实际链接数据流向如图5．2．2所示。

图5．2．2数据流向图

本系统的现场数据都是由分布在各个监控点的电梯终端控制器发送而来，数据格式统

一，实现了数据通道的统一性和通用性。如果考虑到不同的设备具有不同的通信方式与协

议，可以通过留出的可对系统配置窗口，使用户根据不同的现场设备、不同状况设置不同

的通信参数如波特率等，实现数据交换的通用性，同样可以达到“数据接口软通道"的效果。

5．2．3．1 VB服务程序中DDE的设置

接口程序编写完成后，按照DDE服务器所需要的三要素一一建立DDE Sewer、Topic

和item：服务器DDE Server参数：在VB开发环境里把窗口的Link mode属性设置为Source；

主题名Topic的设置：在VB开发环境里把窗口的Link topic属性设置为Formt：数据项item

的设置：它为要接收数据的载体，在这里是Text2。按照以上步骤，DDE服务器建立完成

5．2．3．2力控Forcecontrol中DDE的设置

在力控Forcecontrol组态软件中设置所需要的DDE服务：进入力控Forcecontrol组态

软件的开发环境中，在“工程项目"导航区打开“I／O设备组态’’，双击“DDE’’选项，

设置要进行动态数据连接的数据项；连接方式选择“TCP／IP"；服务器名设置为所生成的

应用程序名(电梯远程监控数据采集程序)：主题名设置为Forml；数据项设置为

Text2．按照以上步骤，基于力控Forcecontrol的DDE服务建立完成。

5．2．3．3 DDE数据交换程序的调试

运行生成的基于VB的电梯远程监控数据采集程序服务器；运行力控Forcecontrol—

DDE工程客户端；在服务器端采集数据，通过双方数据项的变化来验证DDE方式数据通讯

的正确性。在一切运行正常的情况下，可看到当现场设备的数据变化时，基于VB应用程序

的窗口中的数据同步变化，在力控Forcecontrol上位界面中的数据也同步变化，说明通过

DDE通道的数据链接成功。

5．3监控界面及功能模块设计

5．3．1监控界面功能简介

作为一个完善的监控界面，应具备以下功能：

(1)系统管理功能。如用户登录，注销，以及登录用户的操作纪录等等。

(2)动画显示功能。为了更形象地表现现场的实际情况，把图形对象同数据变量或表达

式联系起来，使图形对象随着数据或动作的变化而变化，增强图形界面的可视性。

(3)趋势图显示。趋势图使用曲线的形式反映过程变量在一段时间内数值变化情况。趋

势图分为实时趋势图和历史趋势图。实时趋势图是过程变量随时间变化所绘出的曲线，实

时趋势关联的过程变量数据不进行保存：历史趋势图是在过去一段时间内过程变量随时间

变化的曲线，历史趋势图的数据源于历史数据库。

(4)历史数据显示。显示或查询历史数据库中的数据。

(5)报警记录显示查询功能。

(6)报表打印功能。

5．3．2监控界面及功能模块设计

5．3．2．1界面开发与组态讲j

(1)系统界面效果图绘制

用ForceCtrol软件中的Draw，根据监控系统要求，绘制效果图。这些效果图通过动画

连接之后，在运行过程中可以实时动态地显示电梯和整个控制系统的情况。在此阶段，可

以根据监控单位要求及设计者的风格设计控制系统的主界面。

(2)gJ]建实时数据库DB

数据库DB是整个应用系统的核心，构建分布式应用系统的基础。它负责整个

ForceControl应用系统的实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理、

数据服务请求处理。完成与过程数据采集的双向数据通讯。数据库DB起着承上启下的作用。

在数据库中，操纵的对象是点，系统也以点为单位存放各种信息。点存放在实时数据库的

点名字典中。实时数据库根据点名字典决定数据库的结构，分配数据库的存储空间。在点

名字典中，每个点都包含若干参数。一个点可以包含一些系统预定义的标准点参数，还可

包含若干个用户自定义参数。引用点与参数的形式为“点名．参数名’’如“TAGl．DESC’’，

表示点TAGl的点描述，“TAGl．PV’’，表示点TAGI的过程值。点类型是实时数据库DB对

具有相同特征的一类点的抽象模型。抽象的依据是不同类型的点所完成的功能DB预定义了

一些标准点类型，利用这些标准点类型创建的点能够满足各种常规的需要。对于较为特殊

的应用，可以创建用户自定义点类型。目前，ForeeControl提供的标准点类型有：模拟I

／O点、数字I／O点、累计点、控制点、运算点等。不同的点类型完成的功能不同。比如，

模拟I／O点的输入和输出量为模拟量，可完成输入信号量程变换、小信号切除、报警检查，

输出限值等功能。数字I／O点输入值为离散量，可对输入信号进行状态检查。选择哪种点

类型来创建哪些点就要取决于实际应用的情况，这就是数据库的设计过程。

(3)定义I／O设备

在数据库中定义了点之后，面对的下一个问题是这些点的过程值(即它们的PV参数值)

从何而来?根据Forcecontrol结构功能，数据库是从I／O Sever(即I／O驱动程序)中获取过

程数据的，而数据库同时可以与多个I／OServer进行通讯，一个I／OServer也可以连接一

个或多个设备。所以要明确这些点要从哪一个设备获取过程数据时，就需要定义I／O设备。

一个I／O驱动程序可能有一个以上的I／O数据源与它连接不仅允许不同的设备与I／O驱

动程序通讯，还可以用不同的连接项以不同的更新周期采集数据。本系统中，I／OSever(即

I／O驱动程序)就是VB开发的DDE Sever。

(4)建立数据连接

创建数据库DB和定义了I／O设备之后，还需要将已经创建的数据库点与I／O设备联系

起来，以使这些点的PV参数值能与I／O设备进行实时数据交换。这个过程就是建立数据连

接的过程。由于数据库可以与多个I／O设备进行数据交换，所以必须指定哪些点与哪个I

／O设备建立数据连接。

(5)制作动画链接4

在制作显示画面、刨建数据库点，并通过一个定义的I／O设备把数据库点的过程值与

FO设备连接起来。下一步就是回到开发环境Draw中，通过制作动面链接使显示画面活动

起来。这里首先要弄清楚一个概念t“Draw变量”。Draw变量就是在开发环境Dr州中定义

和引用的变量，简称为变量．

有了变量之后就可以制作动面链接。一旦创建了一个图形对象，给它加上动画链接就

相当于赋予它。生命”使其“活动4起来。动商链接使对象按照变量的值改变其显示，也就

是说。设计一个对象如何动作(改变颜色、显示一个值等)，同时要告诉它要用哪个变量来

控制它的动作。这就是所谓的“连续”刨建变量。开发环境Draw、运行环境Draw和数据

库DB都是Forcccc眦rol的基本组成部分。但Draw和Ⅵew主要完成的是人机界面的开发、

组态和运行、显示，属于界面系统。

数据库DB主要完成过程实时数据的采集C通过FOServer程序)、实时数据的处理(包括：

报错处理、统计处理等’、历史数据处理等，属于数据库系统。界面系统与数据库系统可以

配合使用，也可以单独使用．前面已经在数据库DB中定义了点，但这些点在界面系统Dntw

中还不冉皂直接使用，在界面系统中只能通过内部变量来进行控制。所以系统还需要定义

相应的变量，井将这些变量与数据库中的点联系起来，最后在界面系统上显示的数据才是

来自数据库也就是来自已经定义I/0设备的数据。

(6)定义数据源

界面系统和数据库系统都是一个开放系统。本系统中界面系统在与数据库系统通讯时

是通过DDE获取数据；同时ForccCon血ol系统是支持分布式应用的。因此，当在界面系统

Draw中创建变量时，变量必然会引用外部数据源(包括；Fe雌ccontrol数据库，DDE服务

器或其它第三方数据提供方)，那就需要对引用的外部数据源进行定义。

5．3．2．2系统管理

系统管理在监控系统中是很重要的—十方面，设计合理的系统管理方案能使得整个系

统安全有序的运行。监控软件运行后，可以通过“用户管理”进入管理界面，如图5．3．1

所示。

操作人员维护利用组态软件本身提供的组态攫块来实现，具体方案如图5．32所示。

5．3．2．3具体监控画面

具体的监控商面需要详细生动地体现监控对象的运行状态和相关信息。不仅可以实时

反应监控对象的状态，同时a--f以提供历史信息。全面地记录、显示监控对象信息．界面

中通过动画显示了电梯运行状态，同时通过数据信息的整合和动画脚本的编写，。运行趋

势”、。视频监控”、“故障状态”都形象地得到显示，具体监控面面将在6．3节详细介绍．

5．3．2．4报警信息

力控组志软件采用的是一个分布式的报警系统，对报警信息的处理主要包括报警过程

处理、报警状态处理、报警信息组态以及报警确认方式的开发，可以通过系统的组态模块

来对报警信息进行处理，也可以通过脚本表述语言来开发报警信息。

i3．2．5日志信息

日志系统包括两部分t系统日志以及操作日志。日志系统将力控的各种组件的状态信息

和相关通信信息统一管理起来，用户可以通过日志来了解软件的运行情况。系统日志记录

了力控的运行状态，包括运行系统VIEW、数据库系统DB、驱动服务器IOServer的运行状

态。当用户在定义中闻变量的时候选择丁记录操作，当变量变化的时候，变化内容就可以

在操作日击中显示。

5．3．3安全性设计

组态软件的安全性主要体现在两个方面，前面已经涉及到了管理层的安全性。另外一

个要考虑的是系统运行时应用层的安全性，这里采用双机冗余的方式来保证数据服务的安

全。

双机冗余两台机器之间采用的是C／S结构，实现的关键是如何进行实时监控和数据备

份f3l】。双机热备中控制权切换框图如图5．3．3所示

图5．3．3控制权切换框图

在本系统中，具体双机热备的配置方法如下：

(1')主站的配置

在开发系统Draw的导航器中选择“系统配置／节点配置”。首先双击“本机配置”，弹

出“本机配置"对话框后，选择“基本"页上的“手动配置"选项。在“在本机IP地址”中输

入“192．168．0．1"，“端口号l"和“端口号2"可使用缺省的端口设置“2006”和“2007"，

然后单击“添加”按钮。在“在本机IP地址”中输入另一网络适配器IP地址“192．168．1．1’’，

然后单击“添加"按钮。增加的两个配置项在列表框中列出，如图5．3．4所示：

52

圈5 3A双机冗

余本机配置对话框

双击“网络节点”，增加一个代表从机(s机)的节点配霄项，如图5 3 5所示

节点名称可指定为“s”。“节点IP”参数设定为s机的口地址“192．168．0．2”。“节

点端口1”和“节点端口2”可使用缺省的端口设置“2006”和“2007”，。“备用本机

网卡”设为同一阿段的网卡IF'“192．168．0．10“备用口”参数设定为s机的备用网卡IP

地址“192．169．1。2”。“备用端口1”和“备用端口2”可使用缺省的端口设置“2006”

和“2007”

。“备用本机网卡”设为同一网段的网卡IP“192．168．1．1”。

增加了网络节点“s”后，双击导航器中。“系统配置/双机冗余”选项，弹出“双机冗

余设置”对话框，如图3．5．6所示；

3．5,6敢机冗余设置对话框

将“本机类型”设为“主机”，“从机节点”指定刚刚创建的网络节点“s”。其它参数

可采用缺省设置。

查询周期：在服务器冗余系统中，主站和从站不停的检铡对方的状态．查询周期是当

主站是备份状态。而从站是工作状态时，主站查询从站的工作状态是否正常的周期，推荐

使用默认值。

超时时间：当主站是备份状态，从站为工作状态时，按照查询周期去检查从站的工作

状态是否正常时，当检测报文数据流超过了超时时间还没有返回，则判断为工作站故障，

此时主站由备份状态切换为工作状态。推荐使用默认值。

(2)备站的配置

备站的配置基本与主站的相同。只需将服务器配置，客户靖配置的主机信息互相交换

即可。

5．3．4发布与运行

监控中，本系统是标准的服务器，客户端方式，同时也可以从IE浏览器作为一个标准

的瘦客户端来谢览服务器的画面，应用力控组态软件提供的Web功能，可以使用户从m浏

览器上远程访问力控的工程面面，浏览的效果与在力控运行系View中看到的工程画面完全

相同，包古全部动态数据和动面。而在客户端并不需要安装任何与力控组态软件有关的软

件(仅仅使用浏览器)

本系统采用工控机作为Web服务器即发布画面又发布数据库在Web服务器上需要安

装力控软件，同时Web服务器保存力控发布的HTML文件，传送文件所需数据，并为用户

提供浏览服务的站点。使用力控提供的Web功能，可以灵活地构建Intranet／Internet应

用。发布过程如下：

选择Draw菜单命令“文件／Web服务器配置”，出现如图5．3．7所示对话框。

各项功能如下：

Web根目录：是所赛发布的工程文件所在的路径．

初始商面t Web主页初始显示叠面，由该西面应_B进入其它面面。由其它面面应能返

回该面面．

画面尺寸：浏览器中量示的组态画面的大小，宽度与高度以像素为单位。

Web服务器与ip地址:用来Web发布的计算机的IP地址。配置完该项后，力控将生成缺

省web主页．

端口：缺省为80，可以修改，为webserve网络组件使用端口。此处为8000．

缺省设置：点击蛱省设置按姐将各输入项设置成缺省值。

数据服务器口地址：用来Web发布的计算机的口地址。一般情况下与导航嚣中的配置

/网络配置中的服务器页的IP地址配置相同。

端口l和端口2；默认为2006和2007，可以修改．与导航器中的配置/配置中

的服务嚣页的墙口1和端口2配置相同。

所有上述配置完成后，就可以将力控运行环境(不包括开发环境)、工程应用、相关的

参数信息及数据，全部压缩处理形成—个可安装的软件包．当用户在其它Pc上运行这个软

件包时，软件包释放全部数据文件。并自动完成运行环境的安装、系统参数设置、加密锁

注册、工程应用安装等过程，并可以设置桌面运行快捷方式、开始菜单运行快捷方式和自

动启动方式。用户启动运行环境后直接进入工程应用的运行。

5．4本章小结

本章是电梯监控系统的监控软件设计，在介绍了软件的开发环境和所应用技术的基础

上，给出监控软件设计的总体思想，然后分模块介绍了监控界面的主要功能及其设计，并

详细阐述了安全性保障的实现，最后是监控软件的运行和发布。

6系统运行与总结

6．1测试系统结构

本系统测试采用TCP／IP协议组成测试局域网，如图6．1．1所示：服务器Pc来表示监

控平台的控制机，运行监控软件用于监控整个系统内电梯的运行情况。仿真电梯控制器PC

机通过串口经过串口转发器发送不同的电梯运行的相关仿真数据来仿真小区中的若干台电

梯，而若干台电梯终端控制器将采集到的仿真电梯运行信息发送到测试局域网上并最终被

服务器Pc采集判。同时客户端PC表示电梯厂家、质检部门，可以远程登录服务器Pc，同样

实时监控电梯运行状态。

测试时，主要测试控制器模块硬件系统的具体功能，在此基础上运行监控界面并测

试其监控功能及发布效果。

6．2终端控制器测试

首先用串口通讯线将仿真电梯控制器Pc的串口与终端控制器的串12连接．再用同线将

终端控制器的RJ-45接口和服务器PC的以太网接n 1相连。同时为了测试监控软件的浏览功

能在此也将服务器PC的以太网接口2用同线与客户端浏览器pC的以太网接口。在仿真电梯

控制嚣PC上通过串口调试助手设置好通信协议，然后将电梯运行的相关仿真数据通过串口

经多串口转发嚣发送至终端控制器；终端控制罂接收到相关数据后，运行对应协议转换程

序，将串口接收的电梯仿真数据转换成TCP／IP标准协议的数据，并通过以太网接口发送

至测试局域网。最终服务器PC通过其以太罔接口1在测试局域网上接收到终端控制器发来

的数据后，通过动态数据的转换技术对数据进行解析，在监控界面上显示监控界面上实时

显示电梯运行情况，具体测试界面详见6．3．1小节。

6．3电梯监控界面及web发布

6．3．1电梯监控界面

在服务器pc上运行监控软件，进入监控系统主界面如图6．3．1(也可web登录)，在主

界面左侧的可以选择监控的具体小区，选择“清新家园”小区，切换至该小区整体监控图

如图3．2．，电梯是否运行通过红绿色的小灯显示。点击小灯会弹出单台电梯状态信息，

如图6．3．3。点击“详细信息”后。切换至该电梯的详细信息界面，如图6．3．4。界面

中通过动画显示了电梯运行状态，同时“运行参数”、“视频监控■“故障状态”都形象地得

到显示，“视频监控”的内容是现场摄像头采集，接入终端控制嚣的USB接口，再通过网络

传送到监控中心的工控机上。

6．3．2 Web发布．

如图6．1．1中，将服务器PC作为Web服务器即发布画面又发布数据库在Web服务器

上需要安装力控软件，同时Web服务器保存力控发布的HTML文件，传送文件所需数据，

并为用户提供浏览服务的站点。使用力控提供的Web功能，可以灵活地构建Intranet／

Internet应用。按照5．3．4节阐述的方式设置完毕后，通过网络远程登陆后的界面如图

6．3．1，通过管理系统的权限登陆后同样可进入具体如图6．3．4的电梯详细信息界面。

6．4运行小结

测试中，通过对终端控制器网络的测试，验证了系统良好的网络接口功能以及系统稳

定的协议转换功能；在监控中心处运行监控软件，以及在客户端远程登录，完成了监控软

件对具体功能和Web发布功能的测试。测试的结果表明，系统能实现预定的功能，达到预

期的目的。

6．5总结与展望

6．5．1总结

本文以开发适用于不同厂家不同型号电梯的远程监控系统为背景，融合多种技术，提

出由终端控制、传输网络和监控平台组成的多电梯远程系统的设计方案。文中对终端控制

器的开发与设计进行了详细论述，硬件上以ARM微控制器LPC2378为核心，外扩RS．232、

RS-485、Modem、USB以及双以太网接口，以实现对不同电梯接口的数据采集；软件上

设计了功能接口的驱动，实现了网络协议，并在此基础上完成各个接口与网络接口的透明

数据转换。同时具体介绍了监控平台上动态数据转换、电梯运行状态实时监控、web发布

等功能的设计与开发。并最终给出了系统的调试结果。

本文主要完成了以下的工作：

(1)提出用硬件协议栈芯片代替软件实现TCP／IP协议，从而降低了嵌入式系统接入以

太网的门槛。

(2)提出采用备份环形局域网连接结构，并在系统构建中实现。

(3)完成多电梯远程监控系统终端控制器硬件设计。

(4)完成多电梯远程监控系统终端控制器的软件设计。

(5)完成多电梯远程监控系的监控软件开发工作。

通过测试、运行，本系统实现了预定的功能，达到预期的目的，对组建区域性多电梯

监控系统、推进电梯监控系统标准化有重要的实际意义。

6．5．2可改进方面

本系统还存在一些可考虑改进的方面：

(1)终端控制器的开放性可进一步深入，可扩展Profibus、Can总线等接1：3，丰富和

完善转换协议。

(2)监控界面的开发，本系统使用了组态软件从而缩短了开发周期，但是运行效率有限。

针对更大流量的web测试时，需要进一步优化组态软件或者使用Java语言开发界面、直接

架构服务器。

6．5．3展望

在未来，电梯系统对电梯的智能化提出了很高的要求，主要有以下内容：高层快速电

梯的群控调度、远程监控系统研究、可编程选层、串行通信研究；电梯多微机模块化、网

络控制装置、电梯故障自诊断装置、电梯远程监控装置、虚拟环境下智能电梯群控装置。

而其中的电梯远程监控系统可有以下几个特征：

(1)以人为本的通用化设计理念。对电梯设计来讲要考虑到残疾人和老年人使用电梯的

方便性，这种设计理念被应用到远程监控系统中，考虑到为每一位乘客提供平等的服务。

(2)统一化设计的趋势。不同的电梯厂家其电梯控制器的标准、协议都不同，互相通讯

也很难实现，本系统正是基于这一现状开发了终端控制器用于采集不同厂家电梯控制器的

数据。在未来，电梯控制器、电梯远程监控系统统一化、通用性强将是研究的重点方向，

这种设计相比传统电梯监控系统，更具有活动性和可扩展性。

(3)应付突发性灾难的能力(地震，停电等)。当灾难突然发生时，电梯控制系统能在第

一时间检测到这些信息并发出报警信息，远程监控系统有能力同时接收多台电梯报警的能

力。

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