【正文】 era 公司的 CPLD 器件有 FLEX6000、 FLEX8000、FLEX10K、 FLEX10KE 系列等，提供門數(shù)為 5000～ 25000； Lattice 公司的 ISP– PLD 器件有 ispLSI1000、 ispLSI202 ispLSI3000、 ispLSI6000 系列等，集成度可多達 25 000 個 PLD 等效門。 FPGA 在結(jié)構(gòu)上主要分為三個部分，即可編程邏輯單元，可編程輸入 /輸出單元和可編程連線三個部分。 CPLD 在結(jié)構(gòu)上主要包括三個部分，即可編程邏輯宏單元，可編程輸入 /輸出單元和可編程內(nèi)部連線。 高集成度、高速度和高可靠性是 FPGA/CPLD 最明顯的特點，其時鐘延時可小至 ns 級。結(jié)合其并行工作方式，在超高速應(yīng)用領(lǐng)域和實時測控方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在高可靠應(yīng)用領(lǐng)域，如果設(shè)計得當(dāng)，將不會存在類似于 MCU 的復(fù)位不可靠和 PC可能跑飛等問題。 FPGA/CPLD 的高可靠性還表現(xiàn)在幾乎可將整個系統(tǒng)下載于同一芯片中，實現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)，從而大大縮小了體積，易于管理和屏蔽。 與 ASIC 設(shè)計相比， FPGA/CPLD 顯著的優(yōu)勢是開發(fā)周期短、投資風(fēng)險小、產(chǎn)品上市速度快、市場適應(yīng)能力強和硬件升級回旋余地大，而且當(dāng)產(chǎn)品定型和產(chǎn)量擴大后，可將在生產(chǎn)中達到充分檢驗的 VHDL 設(shè)計迅速實現(xiàn) ASIC投產(chǎn)。 3 總體方案 選擇 電梯的微機化控制主要有以下幾種形式： 1 PLC 控制； 2 單板機控制；3 單片機控制； 4 單微機控制； 5 多微機控制； 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，而是使用一片來實現(xiàn)對電梯的控制的。 基于 PLC 技術(shù)的電梯控制設(shè)計方案 可編程控制系統(tǒng)是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程。 可編程控制器是計算機技術(shù)與自動化控制技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器更多地具有了計算機的功能，不僅能實現(xiàn)邏輯控制，還具有了數(shù)據(jù)處理、通信、網(wǎng)絡(luò)等功能。由于它可通過軟件來改變控制過程，而且具有體積小、組裝維護方便、編程簡單、可靠性高、抗干擾能力強等特點，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，大大推進了機電一體化的進程。 PLC 的特點可綜述如下： （ 1）高可靠性 （ 2）編程簡單，使用方便（可采用梯形圖編程方式，與實際繼電器控制電路非常接近，一般電氣工作者很容易接受） （ 3）環(huán)境要求低（適用 于惡劣的工業(yè)環(huán)境）（ 4）體積小，重量輕 （ 5）擴充方便 。 PLC 電梯的缺點 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。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) （ PLC） 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。 基于 EDA 技術(shù)的電梯控制設(shè)計方案 EDA 技術(shù)開發(fā)手段多樣，其中應(yīng)用最為廣泛的就是通過程序?qū)τ布M行開發(fā)，而其中又?jǐn)?shù) VHDL 語言最受設(shè)計者的歡迎。 EDA 技術(shù)使得設(shè)計者的工 作僅限于利用軟件的方式，即利用硬件描述語言和 EDA 軟件來完成對系統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn)。近幾年來，硬件描述語言等設(shè)計數(shù)據(jù)格式的逐步標(biāo)準(zhǔn)化，不同設(shè)計風(fēng)格和應(yīng)用的要求導(dǎo)致各具特色的 EDA 工具被集成在同一個工作站上，從而使 EDA 框架日趨標(biāo)準(zhǔn)化。 VHDL 豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計早期就能查驗設(shè)計系統(tǒng)的功能可行性，隨時可對設(shè)計進行仿真模擬。 VHDL 語言的設(shè)計單元包括實體（ entity）、結(jié)構(gòu)體(architecture)、程序包（ package）以及配置（ configuration）。 初級設(shè)計單元 ―― 實體（ entity） ,是設(shè)計的基本模塊和設(shè)計的初級單元，在分層次設(shè)計中，頂層有頂級實體，含在頂級實體中的較低層次的描述為低級實體，靠配置把頂層實體和底層實體連接起來。實體說明中還可以說明數(shù)據(jù)類型、子程序和常量等數(shù)據(jù)信息，實體語句常用于描述設(shè)計常用到的判斷和檢查信息。 次級設(shè)計單元 ―― 結(jié)構(gòu)體 (architecture)，實體的結(jié)構(gòu)體具有描述實體的行為功能，一個實體可以有多個結(jié)構(gòu)體，一種可能為行為描述，另一種為結(jié)構(gòu)描述。結(jié)構(gòu)體能以行為、數(shù)據(jù)流和結(jié)構(gòu)等多種方式描述實體。 VHDL 語言還包括程序包和配 置初級設(shè)計單元。 VHDL 語言的基本術(shù)語往往能體現(xiàn)其嚴(yán)密的邏輯結(jié)構(gòu)： VHDL 語言的基本術(shù)語包括進程（ process）、類屬（ generic）、屬性（ attribute）以及驅(qū)動（ drive）。 進程（ process）是 VHDL 中的基本執(zhí)行單元，仿真時把所有的操作劃分為單個或多個進程。進程內(nèi)部只含順序執(zhí)行的語句，即一串信號賦值中僅最后的賦值有效。進程內(nèi)不能說明信號，而變量在進程內(nèi)說明。 其具體的流程圖如 下 圖 所示。 電梯控制方式選擇 內(nèi)部請求優(yōu)先控制方式類似于出租車的工作方式，先將車上的人 送至目的地，再去載客。作為通用型電梯應(yīng)該服務(wù)于大多數(shù)人，必須考慮 電梯對內(nèi)、外請求的響應(yīng)率 P： Pin = 100%。 設(shè)計思想及模塊化 設(shè)計輸入 設(shè)計實現(xiàn) 設(shè)計仿真 器件編程 系統(tǒng)測試 Pout = 0100%。 在內(nèi)部請求優(yōu)先控制方式中，當(dāng)電梯外部人的請求和電梯內(nèi)部人狀態(tài)請求沖突時，外部人的請求信號可能被長時間忽略，因而它不能作為 通用型電梯的設(shè)計方案。 單向?qū)訉油？刂品绞降韧诨疖嚨倪\行方式，遇站即停止、開門。這種方案的優(yōu)點在于 “ 面面 俱到 ” ，可以保證所有人的請求都能得到響應(yīng)。然而這樣對電梯的效率產(chǎn)生消極影響：不必要的等待消耗了大量時間，而且電梯的運作與用戶的請求無關(guān)，當(dāng)無請求時電梯也照常跑空車，就浪費了大量電能。對用戶而言，此種控制方式的請求響應(yīng)時間也不是很快。因而這不是理想的方案。 方向優(yōu)先控制是指電梯運行到某一樓層時先考慮這一樓層是否有請求：有，則停止； 無，則繼續(xù)前進。停下后再啟動時，①考慮前方 —— 上方、或下方是否有請求：有，則繼續(xù)前進；無，則停止；②檢測后方是否有請求， 有請求則轉(zhuǎn)向運行， 無請求則 維持停止?fàn)顟B(tài)。這種運作方式下，電梯對用戶的請求響應(yīng)率為 100%，且響應(yīng)的時間較短。 假設(shè)： 電梯每兩層間的運行時間為Δ T ,樓層數(shù)為 6, 在每層樓的停止時間為 t, 如果每層樓都有請求 ,則這種控制方式的效率和上面的單向每層停等控制方式的效率一樣 , 然而 , 當(dāng)不是每層樓都有請求 (假定為只有第 6 層有請求輸入 ) 時 ,上面的方式 2(設(shè)為 A 方式 )的響應(yīng)時間 T=5*(Δ T + t ) 而方向優(yōu)先控制方式 (設(shè)為 B 方式 )對同一請求的響應(yīng)時間 T1=5*Δ T 效率比 η b/η a = 1 + t /Δ T 方向優(yōu)先控 制方式的效率遠大于單向?qū)訉油５瓤刂品绞降男省? 而且，方向優(yōu)先控制方式下，電梯在維持停止?fàn)顟B(tài)的時候可以進入省電模式，又能節(jié)省大量電能， 本設(shè)計選擇方向優(yōu)先控制方式 總體方案決定 本次設(shè)計嘗試用 硬件描述語言（ VHDL）來 實現(xiàn)電梯控制，可進行多層次的邏輯設(shè)計，也可進行仿真驗證、時序分析等以保證設(shè)計的正確。 在使用 VHDL 進行電梯控制器的設(shè)計，主要就是對電梯軟件部分進行設(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)。 4 電梯控制器的 模塊設(shè)計 電梯系統(tǒng)組成 電梯方向優(yōu)先控制方式控制系統(tǒng)方框圖 系 統(tǒng) 時鐘樓 層 請求故 障 清除關(guān) 門 中斷超 載提 起 關(guān)門信 號 存儲分 頻 器FPGA電 梯 升 降停門 開 關(guān) 停樓 層 顯 示請 求 信 號顯 示超 載 故 障報 警狀 態(tài) 存儲 模塊設(shè)計 . 外部數(shù)據(jù)高速采集模塊設(shè)計 對外部信號采集、處理要求電梯控制器： （ 1）外部請求信號的實時、準(zhǔn)確采集。 （ 2）準(zhǔn)確、實時的捕捉樓層到達信號。 （ 3）有效的防止樓層到達信號、外部請求信號的誤判。 控制器采用 FPGA 作為系統(tǒng)控制的核心，系統(tǒng)時鐘頻率是 ，完全可以滿 足實時采集數(shù)據(jù)的要求。由于電路中毛刺現(xiàn)象的存在，信號的純凈度降低，單個的毛刺往往被誤作為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號，嚴(yán)重影響電梯的正常工作。可以采用多次檢測的方法解決這個問題，對一個信號進行多次采樣以保證信號的可信度。 外部請求信號的輸入形式為按鍵輸入，到達樓層信號來自光敏傳感器，關(guān)門中斷信號及超載信號則產(chǎn)生于壓力傳感器。 電梯控制器的請求輸入信號有 16 個（電梯外有 5 個上升請求和 5 個下降請求的用戶輸入斷口，電梯內(nèi)有 6個請求用戶輸入斷口），由于系統(tǒng)對內(nèi)、外請求沒有設(shè)置優(yōu)先級，各樓層的 內(nèi)、外請求信號被采集后可先進行運算，再存到存儲器內(nèi)。 電梯運行過程中，由于用戶的請求信號的輸入是離散的，而且系統(tǒng)對請求的響應(yīng)也是離散的，因此請求信號的存儲要求新的請求信號不能覆蓋原來的請求信號，只有響應(yīng)動作完成后才能清除存儲器內(nèi)對應(yīng)的請求信號位。 . 基于 FPGA 的中央處理模塊 中央數(shù)據(jù)處理模塊是系統(tǒng)的核心，通過對存儲的數(shù)據(jù)（含請求、到達樓層等信號）進行比較、判斷以驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)的流轉(zhuǎn)。電梯工作過程中共有９種狀態(tài)：等待、上升、下降、開門、關(guān)門、停止、休眠、超載報警以及故障報警狀態(tài)。一般情況下，電梯工 作起始點是第一層，起始狀態(tài)是等待狀態(tài)，啟動條件是收到上升請求。 超載狀態(tài)時電梯關(guān)門動作取消，同時發(fā)出警報，直到警報被清除； 故障時電梯不執(zhí)行關(guān)門動作，同時發(fā)出警報，直到警報被清除（看門狗信號有效的條件是一層樓連續(xù)發(fā)生關(guān)門中斷情況超過 3次）。本系統(tǒng)由請求信號啟動，運行中每檢測到一個到達樓層信號，就將信號存儲器的請求信號和樓層狀態(tài)信號進行比較，再參考原方向信號來決定是否停止，轉(zhuǎn)向等動作。 、顯示模塊 本系統(tǒng)的輸出信號有兩種： 一種是電機的升降控制信號（兩位）和開門 /關(guān)門控制信號；另一種是面 向用戶的提示信號（含樓層顯示、方向顯示、已接受請求顯示等）。 電機的控制信號一般需要兩位，本系統(tǒng)中電機有 3 種工作狀態(tài)： 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)狀態(tài)。 兩位控制信號作為一個三路開關(guān)的選通信號，此三路開關(guān)選用模擬電子開關(guān)。 系統(tǒng)的顯示輸出包括數(shù)碼管樓層顯示、數(shù)碼管請求信號顯示和表征運動方向的箭頭形指示燈的開關(guān)信號。完全可以滿足人們的需要，而且效率比較高 本系統(tǒng)具有請求信號顯示功能，結(jié)合方向顯示，可以減少用戶對同一請求的輸入次數(shù)，這樣就延長了電梯按鍵的使用壽命。假如電梯處于向上運動狀態(tài)，初始位置是底層，初始請求是 6樓， 2 樓時進入一人，如果他的目的地也是 6 樓，他看到初始請求是 6 樓，就可以不再按鍵。同時，電梯外部的人也可根據(jù)請求信號顯示（上升請求、下降請求、無請求），就可以避免沒必要的重復(fù)請求信號輸入。電梯使用時，系統(tǒng)結(jié)合相應(yīng)的電梯使用規(guī)范。 5 硬件電路設(shè)計 FPGA 器件 硬件電路 選擇所需的 fpga 器件 選用 fpga 芯片 用于開發(fā)項目時，需要考慮以下幾個因素： (l)器件的資源是否滿足設(shè)計的需要 在電子產(chǎn)品的設(shè)計中，首先要考慮的 所選器件的邏輯資源量是否滿足本系統(tǒng)功能的實現(xiàn) 。因此應(yīng)適當(dāng)?shù)墓罍y一下功能資源以確定使用什么樣的器件。 (2)芯片速度 隨著可編程邏輯器件集成技術(shù)的不斷提高， fpga 的工作速度也在不斷的提高，在對系統(tǒng)的具體設(shè)計中，應(yīng)該對芯片速度的選擇有一定的考慮，芯片的速度也并不是越快越好。速度選擇應(yīng)與所設(shè)計的系統(tǒng)的最高工作速度保持一致。如果使用了速度過高的芯片將會加大電路設(shè)計的難度。這是因為器件的高速性能越好，其對外界微小毛刺信號的反應(yīng)靈敏度也越好，如果電路處理不當(dāng)，或者編程前的配置選擇不當(dāng)，極易使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。 (3)CPLD 的封裝