【正文】 era 公司的 CPLD 器件有 FLEX6000、 FLEX8000、FLEX10K、 FLEX10KE 系列等，提供門(mén)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(dá) 25 000 個(gè) PLD 等效門(mén)。 FPGA 在結(jié)構(gòu)上主要分為三個(gè)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(gè)部分。 CPLD 在結(jié)構(gòu)上主要包括三個(gè)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(diǎn)，其時(shí)鐘延時(shí)可小至 ns 級(jí)。結(jié)合其并行工作方式，在超高速應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)時(shí)測(cè)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(jì)得當(dāng)，將不會(huì)存在類(lèi)似于 MCU 的復(fù)位不可靠和 PC可能跑飛等問(wèn)題。 FPGA/CPLD 的高可靠性還表現(xiàn)在幾乎可將整個(gè)系統(tǒng)下載于同一芯片中，實(shí)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(jì)相比， FPGA/CPLD 顯著的優(yōu)勢(shì)是開(kāi)發(fā)周期短、投資風(fēng)險(xiǎn)小、產(chǎn)品上市速度快、市場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)和硬件升級(jí)回旋余地大，而且當(dāng)產(chǎn)品定型和產(chǎn)量擴(kuò)大后，可將在生產(chǎn)中達(dá)到充分檢驗(yàn)的 VHDL 設(shè)計(jì)迅速實(shí)現(xiàn) ASIC投產(chǎn)。 3 總體方案 選擇 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(jì)與控制的各個(gè)方面。但是本設(shè)計(jì)屏棄以前老式的采用 PLC 設(shè)計(jì)電梯控制器，而是使用一片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的控制的。 基于 PLC 技術(shù)的電梯控制設(shè)計(jì)方案 可編程控制系統(tǒng)是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。 可編程控制器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合而開(kāi)發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器更多地具有了計(jì)算機(jī)的功能，不僅能實(shí)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(guò)軟件來(lái)改變控制過(guò)程，而且具有體積小、組裝維護(hù)方便、編程簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，大大推進(jìn)了機(jī)電一體化的進(jìn)程。 PLC 的特點(diǎn)可綜述如下： （ 1）高可靠性 （ 2）編程簡(jiǎn)單，使用方便（可采用梯形圖編程方式，與實(shí)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(kuò)充方便 。 PLC 電梯的缺點(diǎn) 當(dāng)今電梯市場(chǎng)已經(jīng)有多種電梯控制器的設(shè)計(jì)方案。但大多數(shù)仍然是采用 PLC 實(shí)現(xiàn)電梯的升降控制，但是采用 PLC 實(shí)現(xiàn)電梯控制器的設(shè)計(jì)存在大量的缺點(diǎn)。如果采用硬件描述語(yǔ)言來(lái)完成電梯控制器的設(shè)計(jì)，就可以克服PLC 電梯的大部分缺點(diǎn)。 目前， 在 我國(guó)國(guó)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(lái)了很多不便， 因而傳統(tǒng)的電梯控制 系統(tǒng) （ PLC） 的更新勢(shì)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(guò)外加 IC 讀卡芯片才能實(shí)現(xiàn)， PLC單獨(dú)是不能實(shí)現(xiàn)的，那以后的聲控智能電梯 PLC 就能不能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，然而我們采用 VHDL 技術(shù)就可以實(shí)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(jì)方案 EDA 技術(shù)開(kāi)發(fā)手段多樣，其中應(yīng)用最為廣泛的就是通過(guò)程序?qū)τ布M(jìn)行開(kāi)發(fā)，而其中又?jǐn)?shù) VHDL 語(yǔ)言最受設(shè)計(jì)者的歡迎。 EDA 技術(shù)使得設(shè)計(jì)者的工 作僅限于利用軟件的方式，即利用硬件描述語(yǔ)言和 EDA 軟件來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)。近幾年來(lái)，硬件描述語(yǔ)言等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)格式的逐步標(biāo)準(zhǔn)化，不同設(shè)計(jì)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(gè)工作站上，從而使 EDA 框架日趨標(biāo)準(zhǔn)化。 VHDL 豐富的仿真語(yǔ)句和庫(kù)函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期就能查驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性，隨時(shí)可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬。 VHDL 語(yǔ)言的設(shè)計(jì)單元包括實(shí)體（ entity）、結(jié)構(gòu)體(architecture)、程序包（ package）以及配置（ configuration）。 初級(jí)設(shè)計(jì)單元 ―― 實(shí)體（ entity） ,是設(shè)計(jì)的基本模塊和設(shè)計(jì)的初級(jí)單元，在分層次設(shè)計(jì)中，頂層有頂級(jí)實(shí)體，含在頂級(jí)實(shí)體中的較低層次的描述為低級(jí)實(shí)體，靠配置把頂層實(shí)體和底層實(shí)體連接起來(lái)。實(shí)體說(shuō)明中還可以說(shuō)明數(shù)據(jù)類(lèi)型、子程序和常量等數(shù)據(jù)信息，實(shí)體語(yǔ)句常用于描述設(shè)計(jì)常用到的判斷和檢查信息。 次級(jí)設(shè)計(jì)單元 ―― 結(jié)構(gòu)體 (architecture)，實(shí)體的結(jié)構(gòu)體具有描述實(shí)體的行為功能，一個(gè)實(shí)體可以有多個(gè)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(shí)體。 VHDL 語(yǔ)言還包括程序包和配 置初級(jí)設(shè)計(jì)單元。 VHDL 語(yǔ)言的基本術(shù)語(yǔ)往往能體現(xiàn)其嚴(yán)密的邏輯結(jié)構(gòu)： VHDL 語(yǔ)言的基本術(shù)語(yǔ)包括進(jìn)程（ process）、類(lèi)屬（ generic）、屬性（ attribute）以及驅(qū)動(dòng)（ drive）。 進(jìn)程（ process）是 VHDL 中的基本執(zhí)行單元，仿真時(shí)把所有的操作劃分為單個(gè)或多個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程內(nèi)部只含順序執(zhí)行的語(yǔ)句，即一串信號(hào)賦值中僅最后的賦值有效。進(jìn)程內(nèi)不能說(shuō)明信號(hào)，而變量在進(jìn)程內(nèi)說(shuō)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(qǐng)求優(yōu)先控制方式類(lèi)似于出租車(chē)的工作方式，先將車(chē)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(duì)內(nèi)、外請(qǐng)求的響應(yīng)率 P： Pin = 100%。 設(shè)計(jì)思想及模塊化 設(shè)計(jì)輸入 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)仿真 器件編程 系統(tǒng)測(cè)試 Pout = 0100%。 在內(nèi)部請(qǐng)求優(yōu)先控制方式中，當(dāng)電梯外部人的請(qǐng)求和電梯內(nèi)部人狀態(tài)請(qǐng)求沖突時(shí)，外部人的請(qǐng)求信號(hào)可能被長(zhǎng)時(shí)間忽略，因而它不能作為 通用型電梯的設(shè)計(jì)方案。 單向?qū)訉油？刂品绞降韧诨疖?chē)的運(yùn)行方式，遇站即停止、開(kāi)門(mén)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于 “ 面面 俱到 ” ，可以保證所有人的請(qǐng)求都能得到響應(yīng)。然而這樣對(duì)電梯的效率產(chǎn)生消極影響：不必要的等待消耗了大量時(shí)間，而且電梯的運(yùn)作與用戶(hù)的請(qǐng)求無(wú)關(guān)，當(dāng)無(wú)請(qǐng)求時(shí)電梯也照常跑空車(chē)，就浪費(fèi)了大量電能。對(duì)用戶(hù)而言，此種控制方式的請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)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(yùn)行到某一樓層時(shí)先考慮這一樓層是否有請(qǐng)求：有，則停止； 無(wú)，則繼續(xù)前進(jìn)。停下后再啟動(dòng)時(shí)，①考慮前方 —— 上方、或下方是否有請(qǐng)求：有，則繼續(xù)前進(jìn)；無(wú)，則停止；②檢測(cè)后方是否有請(qǐng)求， 有請(qǐng)求則轉(zhuǎn)向運(yùn)行， 無(wú)請(qǐng)求則 維持停止?fàn)顟B(tài)。這種運(yùn)作方式下，電梯對(duì)用戶(hù)的請(qǐng)求響應(yīng)率為 100%，且響應(yīng)的時(shí)間較短。 假設(shè)： 電梯每?jī)蓪娱g的運(yùn)行時(shí)間為Δ T ,樓層數(shù)為 6, 在每層樓的停止時(shí)間為 t, 如果每層樓都有請(qǐng)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(qǐng)求 (假定為只有第 6 層有請(qǐng)求輸入 ) 時(shí) ,上面的方式 2(設(shè)為 A 方式 )的響應(yīng)時(shí)間 T=5*(Δ T + t ) 而方向優(yōu)先控制方式 (設(shè)為 B 方式 )對(duì)同一請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)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(yuǎn)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(shí)候可以進(jìn)入省電模式，又能節(jié)省大量電能， 本設(shè)計(jì)選擇方向優(yōu)先控制方式 總體方案決定 本次設(shè)計(jì)嘗試用 硬件描述語(yǔ)言（ VHDL）來(lái) 實(shí)現(xiàn)電梯控制，可進(jìn)行多層次的邏輯設(shè)計(jì)，也可進(jìn)行仿真驗(yàn)證、時(shí)序分析等以保證設(shè)計(jì)的正確。 在使用 VHDL 進(jìn)行電梯控制器的設(shè)計(jì)，主要就是對(duì)電梯軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用 VHDL 中的邏輯關(guān)系建立電梯的升降模式，開(kāi)門(mén)，關(guān)門(mén)達(dá)到動(dòng)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(yǔ)言設(shè)計(jì)電 梯控制器可以為以后電梯實(shí)現(xiàn)智能控制奠定基礎(chǔ)。 4 電梯控制器的 模塊設(shè)計(jì) 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(shí)鐘樓 層 請(qǐng)求故 障 清除關(guān) 門(mén) 中斷超 載提 起 關(guān)門(mén)信 號(hào) 存儲(chǔ)分 頻 器FPGA電 梯 升 降停門(mén) 開(kāi) 關(guān) 停樓 層 顯 示請(qǐng) 求 信 號(hào)顯 示超 載 故 障報(bào) 警狀 態(tài) 存儲(chǔ) 模塊設(shè)計(jì) . 外部數(shù)據(jù)高速采集模塊設(shè)計(jì) 對(duì)外部信號(hào)采集、處理要求電梯控制器： （ 1）外部請(qǐng)求信號(hào)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集。 （ 2）準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的捕捉樓層到達(dá)信號(hào)。 （ 3）有效的防止樓層到達(dá)信號(hào)、外部請(qǐng)求信號(hào)的誤判。 控制器采用 FPGA 作為系統(tǒng)控制的核心，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率是 ，完全可以滿(mǎn) 足實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的要求。由于電路中毛刺現(xiàn)象的存在，信號(hào)的純凈度降低，單個(gè)的毛刺往往被誤作為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號(hào)，嚴(yán)重影響電梯的正常工作?？梢圆捎枚啻螜z測(cè)的方法解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行多次采樣以保證信號(hào)的可信度。 外部請(qǐng)求信號(hào)的輸入形式為按鍵輸入，到達(dá)樓層信號(hào)來(lái)自光敏傳感器，關(guān)門(mén)中斷信號(hào)及超載信號(hào)則產(chǎn)生于壓力傳感器。 電梯控制器的請(qǐng)求輸入信號(hào)有 16 個(gè)（電梯外有 5 個(gè)上升請(qǐng)求和 5 個(gè)下降請(qǐng)求的用戶(hù)輸入斷口，電梯內(nèi)有 6個(gè)請(qǐng)求用戶(hù)輸入斷口），由于系統(tǒng)對(duì)內(nèi)、外請(qǐng)求沒(méi)有設(shè)置優(yōu)先級(jí)，各樓層的 內(nèi)、外請(qǐng)求信號(hào)被采集后可先進(jìn)行運(yùn)算，再存到存儲(chǔ)器內(nèi)。 電梯運(yùn)行過(guò)程中，由于用戶(hù)的請(qǐng)求信號(hào)的輸入是離散的，而且系統(tǒng)對(duì)請(qǐng)求的響應(yīng)也是離散的，因此請(qǐng)求信號(hào)的存儲(chǔ)要求新的請(qǐng)求信號(hào)不能覆蓋原來(lái)的請(qǐng)求信號(hào)，只有響應(yīng)動(dòng)作完成后才能清除存儲(chǔ)器內(nèi)對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求信號(hào)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(guò)對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)（含請(qǐng)求、到達(dá)樓層等信號(hào)）進(jìn)行比較、判斷以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)的流轉(zhuǎn)。電梯工作過(guò)程中共有９種狀態(tài)：等待、上升、下降、開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)、停止、休眠、超載報(bào)警以及故障報(bào)警狀態(tài)。一般情況下，電梯工 作起始點(diǎn)是第一層，起始狀態(tài)是等待狀態(tài)，啟動(dòng)條件是收到上升請(qǐng)求。 超載狀態(tài)時(shí)電梯關(guān)門(mén)動(dòng)作取消，同時(shí)發(fā)出警報(bào)，直到警報(bào)被清除； 故障時(shí)電梯不執(zhí)行關(guān)門(mén)動(dòng)作，同時(shí)發(fā)出警報(bào)，直到警報(bào)被清除（看門(mén)狗信號(hào)有效的條件是一層樓連續(xù)發(fā)生關(guān)門(mén)中斷情況超過(guò) 3次）。本系統(tǒng)由請(qǐng)求信號(hào)啟動(dòng)，運(yùn)行中每檢測(cè)到一個(gè)到達(dá)樓層信號(hào)，就將信號(hào)存儲(chǔ)器的請(qǐng)求信號(hào)和樓層狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行比較，再參考原方向信號(hào)來(lái)決定是否停止，轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。 、顯示模塊 本系統(tǒng)的輸出信號(hào)有兩種： 一種是電機(jī)的升降控制信號(hào)（兩位）和開(kāi)門(mén) /關(guān)門(mén)控制信號(hào)；另一種是面 向用戶(hù)的提示信號(hào)（含樓層顯示、方向顯示、已接受請(qǐng)求顯示等）。 電機(jī)的控制信號(hào)一般需要兩位，本系統(tǒng)中電機(jī)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(hào)作為一個(gè)三路開(kāi)關(guān)的選通信號(hào)，此三路開(kāi)關(guān)選用模擬電子開(kāi)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(qǐng)求信號(hào)顯示和表征運(yùn)動(dòng)方向的箭頭形指示燈的開(kāi)關(guān)信號(hào)。完全可以滿(mǎn)足人們的需要，而且效率比較高 本系統(tǒng)具有請(qǐng)求信號(hào)顯示功能，結(jié)合方向顯示，可以減少用戶(hù)對(duì)同一請(qǐng)求的輸入次數(shù)，這樣就延長(zhǎng)了電梯按鍵的使用壽命。假如電梯處于向上運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，初始位置是底層，初始請(qǐng)求是 6樓， 2 樓時(shí)進(jìn)入一人，如果他的目的地也是 6 樓，他看到初始請(qǐng)求是 6 樓，就可以不再按鍵。同時(shí)，電梯外部的人也可根據(jù)請(qǐng)求信號(hào)顯示（上升請(qǐng)求、下降請(qǐng)求、無(wú)請(qǐng)求），就可以避免沒(méi)必要的重復(fù)請(qǐng)求信號(hào)輸入。電梯使用時(shí)，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(jì) FPGA 器件 硬件電路 選擇所需的 fpga 器件 選用 fpga 芯片 用于開(kāi)發(fā)項(xiàng)目時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)因素： (l)器件的資源是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需要 在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，首先要考慮的 所選器件的邏輯資源量是否滿(mǎn)足本系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn) 。因此應(yīng)適當(dāng)?shù)墓罍y(cè)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(duì)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對(duì)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(jì)的系統(tǒng)的最高工作速度保持一致。如果使用了速度過(guò)高的芯片將會(huì)加大電路設(shè)計(jì)的難度。這是因?yàn)槠骷母咚傩阅茉胶?，其?duì)外界微小毛刺信號(hào)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