電梯物聯(lián)網(wǎng)終端硬件設(shè)計(jì)

摘要：目前大部分電梯是單機(jī)運(yùn)行，不能做到遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理，也不能對電梯運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管，一旦發(fā)生故障得不到及時維修，存在嚴(yán)重的安全隱患，因此需研制一種低成本、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)化的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電梯運(yùn)行狀態(tài)的全面集中的遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理。文章介紹了以Exynos 4412 SCP為核心設(shè)計(jì)的電梯物聯(lián)網(wǎng)硬件終端方案。

關(guān)鍵詞：電梯；物聯(lián)網(wǎng)；終端硬件設(shè)計(jì)；電梯故障；電梯運(yùn)行 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP311 文章編號：1009-2374（2016）23-0010-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.004

1 電梯物聯(lián)網(wǎng)終端硬件設(shè)計(jì)方案

電梯運(yùn)行中關(guān)人、夾人、蹲底、沖頂、溜梯等事故的發(fā)生依然較為頻繁。這些事故和故障的發(fā)生大多是由于對電梯維護(hù)管理不規(guī)范而造成的，從技術(shù)角度而言，都是可以避免的。

因此，實(shí)現(xiàn)對電梯的規(guī)模化、集中化的實(shí)時高效維護(hù)管理刻不容緩。推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，提高電梯維護(hù)管理水平，已成為現(xiàn)代社會發(fā)展的一個重要研究課題。圖1為電梯物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖：

在電梯物聯(lián)網(wǎng)方案中，電梯物聯(lián)網(wǎng)終端被安裝在電梯工作現(xiàn)場，與電梯控制柜中的主控系統(tǒng)直接相連，實(shí)現(xiàn)了與電梯系統(tǒng)的緊密結(jié)合，能夠獲取準(zhǔn)確的電梯參數(shù)，實(shí)現(xiàn)特征參數(shù)解碼以及緊急情況消息的處理。本文所設(shè)計(jì)的電梯物聯(lián)網(wǎng)終端是由主控模塊、以太網(wǎng)接口模塊、JTAG接口模塊、RS485_CAN BUS通信模塊、現(xiàn)場語音提示模塊和電源管理模塊組成的，其組成框圖如圖2所示：

其中，CAN接口模塊和RS485接口模塊，均負(fù)責(zé)提供與電梯主控系統(tǒng)直接相連的接口，采集電梯I/O參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換成與主控模塊相兼容的信號電平，消除噪聲干擾以保證獲取數(shù)據(jù)的可靠性；以太網(wǎng)接口模塊提供與局域網(wǎng)相連接的網(wǎng)絡(luò)接口，能夠?qū)⒁蕴W(wǎng)幀送入電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或從電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收以太網(wǎng)幀；現(xiàn)場語音提示模塊由專門的語音播報(bào)芯片組成，負(fù)責(zé)根據(jù)主控模塊的控制指令選擇播放存儲在其內(nèi)部的提示語音，具備音頻播放功能；電源模塊為各功能模塊提供正常工作所需的穩(wěn)定電源；JTAG接口模塊提供下載和調(diào)試程序的接口。本文對主要模塊設(shè)計(jì)做了詳細(xì)介紹。

2 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊是由主控芯片Exynos 4412 SCP及其外圍電路組成的。主控芯片Exynos 4412 SCP是三星電子（Samsung Electronics）生產(chǎn)的基于32位RISC的Cortex-A9四核微處理器，Exynos 4412 SCP采用128位內(nèi)部總線架構(gòu)和許多強(qiáng)大的硬件加速器，為移動通信服務(wù)提供優(yōu)化的硬件性能。

3 RS485/CAN BUS接口模塊設(shè)計(jì)

目前，電梯控制系統(tǒng)中較為常見的通信接口是RS485接口和CAN BUS通信接口。本文針對這兩種常用接口模塊做出設(shè)計(jì)方案。RS485接口模塊是由SN65176BD及其外同電路組成的，其電路原理圖如圖3所示；CAN BUS接口模塊是由MCP2562T及其外圍電路組成的，其電路原理圖如圖4所示。

在RS485接口模塊中，RS485接口是與電梯主控系統(tǒng)直接相連的接口，終端匹配電阻吸收雙絞線上的干擾信號，增強(qiáng)RS485接口模塊的抗干擾能力。SN65176BD芯片通過RS485 DIR引腳接收來自主控模塊的接收器/發(fā)送器使能控制信號。當(dāng)RS485 DIR為低時，SN65176BD芯片的發(fā)送器被禁止，接收器有效，電梯I/0參數(shù)由RS485接口引入，經(jīng)RS485A、RS485B段進(jìn)入SN65176BD，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后信號由RXD0進(jìn)入主控模塊，此時主控模塊可以接收來自RS485總線上的電梯I/O參數(shù)。當(dāng)RS485 DIR為高時，SN65176BD芯片的接收器被禁止，發(fā)送器有效，主控模塊可經(jīng)TXD0引腳向電梯主控系統(tǒng)發(fā)送經(jīng)授權(quán)的控制信號。

在CAN BUS接口模塊中，CAN BUS接口是與電梯主控系統(tǒng)直接相連的接口，終端電阻吸收雙絞線上的干擾信號，增強(qiáng)CAN BUS接口模塊的抗干擾能力。MCP2562T芯片通過STBY引腳接收器/發(fā)送器工作模式，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。

4 以太網(wǎng)接口模塊設(shè)計(jì)

本文中電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的以太網(wǎng)接口模塊選用代為康半導(dǎo)體（Davicom Semiconductor）的DM9621NP，其是一款集成嵌入式SSRAM緩沖包的高性能的以太網(wǎng)控制器。它基于IEEE802.3和IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)功能。DM9621集成了10/100Mbps以太網(wǎng)PHY簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并且提供媒體獨(dú)立接口（RMII）。

以太網(wǎng)接口模塊電路原理圖如5所示：

5 現(xiàn)場語音提示模塊設(shè)計(jì)

現(xiàn)場語音提示模塊是選用歐勝微電子（wolfson microelectronics）語音芯片WM8960，其是歐勝（WOLFSON）電子推出的一款低功耗、高質(zhì)量的音頻編解碼芯片。主控芯片Exynos 4412通過I2S總線接口和I2C總線接口與音頻編解碼芯片WM8960進(jìn)行交互，其中I2S接口傳輸聲音數(shù)據(jù)、I2C傳輸控制信息、WM8960接收音頻數(shù)據(jù)完成編解碼功能。WM8960原理圖如圖6所示。

對于聲音信號需要對音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與播放。采集是對模擬聲音信號進(jìn)行采集、用數(shù)字量進(jìn)行標(biāo)示，通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器來完成。播放將以數(shù)字量的形式保存在緩沖區(qū)里面的音頻數(shù)據(jù)恢復(fù)為模擬信號輸出，通過DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器來完成。WM8960同時具備采集和播放所需的ADC與DAC，錄音的時候，對模擬聲音信號采樣，通過內(nèi)置ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)過I2S控制器將轉(zhuǎn)化為的數(shù)字量存放在音頻芯片內(nèi)存中；播放的時候，從音頻芯片內(nèi)存中讀取數(shù)字量，經(jīng)I2S控制器將數(shù)字量傳輸給WM8960，通過內(nèi)置DAC將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量播放出來。在圖6中，主控芯片Exynos 4412的Xi2s0LRCK/PCM_0_FSYNC連接到了DACLRC，XEINT18/KP_ROW2/ALV_DBG14連接到了ADCLRC。ADCLRC和DACLRC分別是輸入輸出的左右聲道時鐘引腳。當(dāng)采樣的時候，首先將采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶舐暤谰彌_區(qū)，然后將下一個采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)接衣暤谰彌_區(qū)，然后又傳輸?shù)阶舐暤谰彌_區(qū)，依次往復(fù)；當(dāng)播放的時候，首先將左聲道數(shù)據(jù)提取出來播放，然后是右聲道數(shù)據(jù)，之后又是左聲道數(shù)據(jù)，依次往復(fù)。Xi2s0SDO_0/PCM_0_SOUT連接到了DACDAT數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻信號輸入引腳，Xi2s0SDI/PCM_0_SIN連接到了ADCDAT引腳。DACDAT從內(nèi)存里面取出的數(shù)據(jù)經(jīng)IIS控制器傳輸給編解碼芯片，數(shù)模轉(zhuǎn)換后播放。采樣的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號之后，從ADCDAT輸出，經(jīng)I2S控制器傳遞給內(nèi)存。采樣速率及串行的音頻數(shù)據(jù)的輸入輸出，則由連接至MCLK與BCLK的主控芯片Exynos 4412來控制。WM8960的SCLK和SDIN引腳接至主控芯片Exynos 4412的I2C總線接口第一個通道，通過主芯片實(shí)現(xiàn)對WM8960的配置。

6 電源模塊設(shè)計(jì)

電源管理芯片選用三星電子（Samsung Electronics）S5M8767A，其是為移動應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種先進(jìn)的電源管理IC（PMIC）。其中包括雙相降壓轉(zhuǎn)換器，各種高效率的降壓轉(zhuǎn)換器的LDO、RTC等。S5M8767A的降壓轉(zhuǎn)換器為ARM核心/高速緩存、內(nèi)部邏輯、內(nèi)存等提供穩(wěn)定的電源。三個高負(fù)荷的降壓轉(zhuǎn)換器在應(yīng)用處理器方面也提供最佳的電源控制。不同的LDO提供適當(dāng)?shù)臋?quán)力應(yīng)用在每個I/O和功能塊，有助于CPU支持各類設(shè)備?？砷_啟和關(guān)閉每塊LDO，實(shí)現(xiàn)功率優(yōu)化。原理圖如圖7所示。

7 JTAG接口模塊設(shè)計(jì)

聯(lián)合測試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）接口模塊主要用于對主控芯片內(nèi)部進(jìn)行測試和程序代碼的燒寫，支持程序的在線仿真、調(diào)試。其中JTAG的nSRST引腳接收來自主控模塊的RESET信號，完成電梯物聯(lián)網(wǎng)終端開發(fā)板的復(fù)位。其JTAG接口模塊采用5線制調(diào)試接口，即JTRST、JTDI、JTMS、JTCK、JTDO，分別對應(yīng)測試系統(tǒng)復(fù)位、測試數(shù)據(jù)串行輸入、測試模式選擇、測試時鐘和測試數(shù)據(jù)串行輸出。JTAG接口模塊采用20針JTAG接口連接標(biāo)準(zhǔn)，通過此接接口可對主控芯片內(nèi)部所有資源進(jìn)行編程。原理圖如圖8所示：

8 結(jié)語

現(xiàn)階段電梯物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的火熱主要源于政府的各種激勵和扶植政策，但是整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還需要技術(shù)的革新、產(chǎn)業(yè)鏈的拓展，當(dāng)然最重要的還是市場的需求。只有電梯物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展真正給政府、電梯企業(yè)、維保單位、物業(yè)公司和電梯用戶帶來了利益和便利，才能獲得更加廣闊的市場空間，全方位地促進(jìn)電梯行業(yè)的發(fā)展。

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作者簡介：徐曉龍（1979-），男，山東青島人，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院工程師，研究方向：機(jī)電控制。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）