【正文】 ，電梯不僅是代步的工具 ,也是人類文明的標(biāo)志 ,其技術(shù)的發(fā)展正體現(xiàn)了社會的進(jìn)步與文明。隨著電梯技術(shù)的發(fā)展 ,綠色化、低能耗、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、藍(lán)牙技術(shù)的電梯成為一段時間內(nèi)的發(fā)展趨勢。 電梯智能化 及其實現(xiàn) 電梯行業(yè)內(nèi)都知道，電梯的核心部件是電梯控制 ， 該部件的好壞不僅影響電梯的運行質(zhì)量，還會影響電梯的安全性和可靠性能。對于電梯控制系統(tǒng)來說，智能化的發(fā)展將是電梯行業(yè)未來發(fā)展的必經(jīng)之路。 將人工智能應(yīng)用 到電梯控制領(lǐng)域是從上世紀(jì) 80 年代開始的，那時人工智能 4 蓬勃發(fā)展，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等許多最新的人工智能成果都被應(yīng)用到電梯群控的派梯算法上，但這些具有智能化派梯策略的電梯在中國的使用卻很晚，使用量并不是很大。這是由多種原因造成的。智能化電梯群控系統(tǒng)可以大大提高電梯群的派梯效率，減少乘客的候梯時間，降低電梯的能耗。 對電梯的原有機(jī)械電梯部分基本不作改動，包括提升部分、廳門控制部分等等，只是在原有電梯控制系統(tǒng)之上增加一層接口層，在接口層實現(xiàn)對電梯各種信號的采集和通過電梯的原有外部輸入接口實現(xiàn)對電梯控制信 號的輸入，在接口層之上實現(xiàn)電梯群的智能化群控。 接口層的實現(xiàn) 電梯智能化改造的實現(xiàn)與原有電梯的接口部分很重要。與原有系統(tǒng)的接口包括兩個部分，一是電梯的狀態(tài)的實時采集，二是控制信號的回送。始終強(qiáng)調(diào)電梯的改造最重要的是不可以降低原有系統(tǒng)的安全性。如果原有電梯控制系統(tǒng)仍能滿足需要，應(yīng)盡量減少對原有電梯控制系統(tǒng)的改變，同時又要能夠及時得到電梯的狀態(tài)變化，并實現(xiàn)對電梯的調(diào)度。 接口層的實現(xiàn)采用分布式控制技術(shù)，在每 — 臺電梯的每一樓層的外招板上加裝一塊外招接口板，在內(nèi)招板上加裝一塊內(nèi)招接口板，在電梯控制柜中加 裝一塊梯態(tài)接口板，這些接口板上都有一個獨立的 CPU 控制著各自的信號采集、發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)發(fā)，它們通過一條公用總線與信號采集主機(jī)相連，信號采集主機(jī)負(fù)責(zé)電梯所有信號的收集和轉(zhuǎn)發(fā)，負(fù)責(zé)將收集到的電梯信號送達(dá)上層的群控主機(jī)和實時監(jiān)控主機(jī)，并轉(zhuǎn)發(fā)群控主機(jī)和監(jiān)控主機(jī)發(fā)出的控制信號。 通過各樓層加裝的外招接口板采集所有外招信號，電梯內(nèi)加裝的內(nèi)招接口板采集電梯的內(nèi)招信號，電梯的控制柜中加裝的電梯狀態(tài)接口板采集電梯的目前狀態(tài)：如口前樓層、運行方向、電梯門狀態(tài)、電梯停止等信號，通過串行總線送往群控主機(jī)，群控主機(jī)根據(jù)采集到的信號作 派梯選澤，將派梯信號回送到外招接口板，由外招接口板將信號發(fā)送給電梯的外招板，完成派梯。 群控策略的選擇 近 20 年來，人們對電梯的智能群控策略有很多研究，提出了各種智能群控算法，它們實現(xiàn)的復(fù)雜性和性能也各不相同。一種是采用專家系統(tǒng)，即收集專家在電梯控制領(lǐng)域的各種知識，也就是說對在電梯的各種不同情況下專家們有可能采取的策略進(jìn)行匯總、分類，組織成規(guī)則庫，然后根據(jù)采集到的電梯的數(shù)據(jù)以規(guī)則庫里的推理規(guī)則確定電梯的派梯方案。另一種是采用模糊推理規(guī)則，即綜合考慮評價梯群性能的各種標(biāo)準(zhǔn)，如平均等待時間、長時間等 待率、電梯能耗等等，確定一個隸屬度函數(shù)，將電梯的各種輸入?yún)?shù)模糊化后輸入系統(tǒng)，通過模糊判斷 5 規(guī)則根據(jù)隸屬度函數(shù)來確定一個最佳派梯。 論文的主要工作及結(jié)構(gòu) 本論文選擇 VHDL 語言對電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行描述， 主要工作有 用 VHDL語言作為描述工具，對四層電梯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，給出了電梯控制器的設(shè)計流程和狀態(tài)機(jī)描述，并用 QuartusⅡ 軟件對程序進(jìn)行了仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了說明和分析，并進(jìn)行總結(jié)。 本論文的主要結(jié)構(gòu)為： 第二章介紹了 EDA 技術(shù)的主要特點，并對 VHDL 語言的功能及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，并著重介紹了狀態(tài)機(jī) 的含義； 第三章以 VHDL 語言作為描述工具，對四層電梯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，給出了電梯控制器的設(shè)計流程和狀態(tài)機(jī)描述； 第四章用 QuartusⅡ 軟件對程序進(jìn)行了仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了說明和分析，并進(jìn)行總結(jié)。 2 EDA 技術(shù)及 VHDL 語言 EDA 技術(shù) EDA 技術(shù)的概念 :EDA 是電子設(shè)計自動化的縮寫。由于它是一門剛剛發(fā)展起來的新技術(shù)，涉及面廣，內(nèi)容豐富，理解各異，所以目前尚無一個確切的定義。但從 EDA 技術(shù)的幾個主要方面的內(nèi)容來看，可以理解為： EDA 技術(shù)是以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏 輯描述的主要表達(dá)方式，以計算機(jī)、大規(guī)模可編程邏輯器件的開發(fā)軟件及實驗開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計工具，通過有關(guān)的開發(fā)軟件，自動完成用軟件的方式設(shè)計電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的一門新技術(shù)。 1993 年 IEEE 對 VHDL 進(jìn)行了修訂，增加了部分新的 VHDL 命令與屬性，并公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 10761993 版本?，F(xiàn)在， VHDL 已經(jīng)成為系統(tǒng)描述的國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，得到眾多 EDA 公司的支持，越來越多的硬件設(shè)計者使用 VHDL 描述數(shù)字系統(tǒng)。 EDA 技術(shù)的基本特征 :EDA 代表了當(dāng)今電子設(shè)計技術(shù)的最新發(fā)展方向，利用EDA 工具，電子設(shè) 計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出 IC版圖或 PCB 版圖的整個過程在汁算機(jī)上自動處理完成。 EDA 技術(shù)的應(yīng)用 :電子 EDA 技術(shù)發(fā)展迅猛，逐漸在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計與制造等各方面都發(fā)揮著巨大的作用。在教學(xué)方面：幾乎所有理工科 (特別是電子信息 )類的高校都開設(shè)了 EDA 課程。主要是讓學(xué)生了解 EDA 的基本原理和基 6 本概念、鱗握用佃 L 描述系統(tǒng)邏輯的方法、使用扔 A 工具進(jìn)行電子電路課程的模擬仿真實驗并在作畢業(yè)設(shè)計時從事簡單電子系統(tǒng)的設(shè)計，為今后工 作打下基礎(chǔ)。具有代表性的是全國每兩年舉辦一次大學(xué)生電子設(shè)計競賽活動。在科研方面：主要利用電路仿真工具 (EwB 或 PSPICE、 VLOL 等 )進(jìn)行電路設(shè)計與仿真；利用虛擬儀器進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)試；將 O)LI)／ FPGA 器件的開發(fā)應(yīng)用到儀器設(shè)備中。 在產(chǎn)品設(shè)計與制造方面：從高性能的微處理器、數(shù)字信號處理器一直到彩電、音響和電子玩具電路等， EDA 技術(shù)不單是應(yīng)用于前期的計算機(jī)模擬仿真、產(chǎn)品調(diào)試，而且也在 電子 的制作、電子設(shè)備的研制與生產(chǎn)、電路板的焊接、朋比的制作過程等有重要作用?？梢哉f電子 EDA 技術(shù)已經(jīng)成為電子工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的技術(shù)支持。 EDA 技術(shù)發(fā)展趨勢 :EDA 技術(shù)在進(jìn)入 21 世紀(jì)后，由于更大規(guī)模的 FPGA 和凹器件的不斷推出，在仿真和設(shè)計兩方面支持標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言的功能強(qiáng)大的EDA 軟件不斷更新、增加，使電子 EDA 技術(shù)得到了更大的發(fā)展。電子技術(shù)全方位納入 EDA 領(lǐng)域， EDA 使得電子領(lǐng)域各學(xué)科的界限更加模糊，更加互為包容，突出表現(xiàn)在以下幾個方面：使電子設(shè)計成果以自主知識產(chǎn)權(quán)的方式得以明確表達(dá)和確認(rèn)成為可能；基于 EDA 工具的 ASIC 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)單元已涵蓋大規(guī)模電子系統(tǒng)及 IP 核模塊；軟硬件 IP 核在電子行業(yè)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域、技術(shù)領(lǐng)域和設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域得到 進(jìn)一步確認(rèn)； SoC 高效低成本設(shè)計技術(shù)的成熟。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計手段都發(fā)生了很大的變化?？梢哉f電子 EDA 技術(shù)是電子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命。 VHDL 語言 VHDL 的英文全名是 VeryHighSpeed Integrated Circuit HardwareDescription Language,誕生于 1982 年。 VHDL 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外， VHDL 的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一 般的計算機(jī)高級語言。 VHDL 的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計，或稱設(shè)計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可是部分 ,及端口 )和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是 VHDL系統(tǒng)設(shè)計的基本點 。 VHDL 的主要特點如下： （ 1）作為 HDL 的第一個國際標(biāo)準(zhǔn)， VHDL 具有很強(qiáng)的可移植性。 （ 2）具有豐富的模擬仿真語句和庫函數(shù)，隨時可對設(shè)計進(jìn)行仿真模擬 ，因而能將設(shè)計中的錯誤消除在電路系統(tǒng)裝配之前，在設(shè)計早期就能檢查設(shè)計系統(tǒng)功 7 能的可行性，有很強(qiáng)的預(yù)測能力。 （ 3） VHDL 有良好的可讀性，接近高級語言，容易理解。 （ 4）系統(tǒng)設(shè)計與硬件結(jié)構(gòu)無關(guān)，方便了工藝的轉(zhuǎn)換，也不會因工藝變化而使描述過時。 （ 5）支持模塊化設(shè)計，可將大規(guī)模設(shè)計項目分解成若干個小項目，還可以把已有的設(shè)計項目作為一個模塊調(diào)用。 （ 6）對于用 VHDL 完成的一個確定設(shè)計，可以利用 EDA 工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并能自動地把 VHDL 描述轉(zhuǎn)變成門電路級網(wǎng)表文件。 （ 7）設(shè)計靈活，修改方便，同時也便于設(shè)計 結(jié)果的交流、保存和重用，產(chǎn)品開發(fā)速度快，成本低。 用 VHDL 設(shè)計電路主要的工作過程是： （ 1）編輯。用文本編輯器輸入設(shè)計的源文件（為了提高輸入效率，可用某些專用編輯器）。 （ 2）編譯。用編譯工具將文本文件編譯成代碼文件，并檢查語法錯誤。 （ 3）功能仿真（前仿真）。在編譯前進(jìn)行邏輯功能驗證，此時的仿真沒有延時，對于初步的功能檢測非常方便。 （ 4）綜合。將設(shè)計的源文件用自動綜合工具由語言轉(zhuǎn)換為實際的電路圖（門電路級網(wǎng)表），但此時還沒有在芯片中形成真正的電路，就好像是把設(shè)計者腦海中的電路畫成了原理圖。 （ 5）布局 、布線。用已生成的網(wǎng)表文件，再根據(jù) CPLD（或 FPGA）器件的容量和結(jié)構(gòu)，用自動布局布線工具進(jìn)行電路設(shè)計。首先根據(jù)網(wǎng)表文件內(nèi)容和器件結(jié)構(gòu)確定邏輯門的位置，然后再根據(jù)網(wǎng)表提供的門連接關(guān)系，把各個門的輸入輸出連接起來，類似于設(shè)計 PCB（印刷電路板）時的布局布線工作。最后生成一個供器件編程（或配置）的文件，同時還會在設(shè)計項目中增加一些時序信息，以便于后仿真。 （ 6）后仿真（時序仿真）。這是與實際器件工作情況基本相同的仿真，用來確定設(shè)計在經(jīng)過布局、布線之后，是否仍能滿足設(shè)計要求。如果設(shè)計的電路時延滿足要求，則可以進(jìn) 行器件編程（或配置）。 3 四層電梯控制器的 VHDL 設(shè)計 電梯的微機(jī)化控制主要有以下幾種形式： 1 PLC 控制； 2 單板機(jī)控制； 3 單片機(jī)控制； 4 單微機(jī)控制； 5 多微機(jī)控制； 6 人工智能控制。隨著 EDA 技術(shù)的快速發(fā)展， CPLD/FPGA 已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計與控制的各個方面。但是本設(shè)計屏棄以前老式的采用 PLC 設(shè)計電梯控制器，而是使用 EDA 技術(shù) 來實現(xiàn)對電梯的控制的。 8 PLC 電梯控制缺點 當(dāng)今電梯市場已經(jīng)有多種電梯控制器的設(shè)計方案。但大多數(shù)仍然是采用 PLC實現(xiàn)電梯的升降控制，但是采用 PLC 實現(xiàn)電梯控制器 的設(shè)計存在大量的缺點缺點。如果采用硬件描述語言來完成電梯控制器的設(shè)計，就可以克服 PLC 電梯的大部分缺點。 目前，在我國國產(chǎn)電梯大部分為繼電器及 PLC 控制方式，繼電器控制系統(tǒng)性能不穩(wěn)定、故障率高，大大降低了電梯的舒適性、可靠性和安全性，經(jīng)常造成停梯，給乘用人員的生活和工作帶來了很多不便，因而傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)的更新勢在必行。 當(dāng)前電梯發(fā)展的智能化發(fā)方向是 IC 卡智能電梯，但最終的發(fā)展是聲控智能電梯， IC 卡智能電梯 PLC 都需通過外加 IC 讀卡芯片才能實現(xiàn)， PLC 單獨是不能實現(xiàn)的，那以后的聲控智能電梯 PLC 就能不能單 獨實現(xiàn)，然而我們采用 VHDL技術(shù)就可以實現(xiàn)電梯的智能化，節(jié)能，也可以提高電梯的舒適性，可靠性和安全性。 本次設(shè)計嘗試用硬件描述語言（ VHDL）來實現(xiàn)電梯控制，可進(jìn)行多層次的邏輯設(shè)計，也可進(jìn)行仿真驗證、時序分析等以保證設(shè)計的正確。 在使用 VHDL 進(jìn)行電梯控制器的設(shè)計，主要就是對電梯軟件部分進(jìn)行設(shè)計，使用 VHDL 中的邏輯關(guān)系建立電梯的升降模式，開門，關(guān)門達(dá)到動作，而外部的硬件設(shè)備基本上保持不變。但是使用 VHDL 硬件描述語言設(shè)計電梯控制器可以為以后電梯實現(xiàn)智能控制奠定基礎(chǔ)。 電梯控制器流程 外部按鍵設(shè)備 狀態(tài)寄存器 請求信號寄存器 內(nèi)部軟件執(zhí)行器構(gòu) 外部硬件執(zhí)行器構(gòu) 9 Y Y N 圖 1 總流程圖 N N 圖 2 電梯運行流程圖 Y 停車 初始化 清平層信號 停車 消同向選層信號 消該層信號 顯示 上下行判斷 掃描電梯位置 有無平層信號 目的層到否 下行控制 上行控制 返回 上 /下運行 等待請求 目的層到否 有無同向選層信號 有無同相選層信號 10 本 論文設(shè)計的電梯控制系統(tǒng) 的流程圖主要有：總流程圖，電梯運行流程圖，上升模式流程圖，下降模式流程圖和停車門控制流程圖，其中 總流程圖指出了整個電梯 系統(tǒng) 各個部 分的聯(lián)系 ， 但是本設(shè)計的主要部分為電梯的控制系統(tǒng)，所以對這一部分不做過多介紹；電梯的運行流程圖 則明確的指出了控制系統(tǒng)根據(jù)電梯當(dāng)前狀態(tài)和外部請求信號做出相應(yīng)的控制，例如：當(dāng)電梯在二層樓的時候，接收到第四層樓的下