【正文】 基于FPGA的全自動電梯控制器的設計序言隨著科學技術的發(fā)展、近年來，我國的電梯生產技術得到了迅速發(fā)展．一些電梯廠也在不斷改進設計、修改工藝。電梯主要分為機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩大部份，隨著自動控制理論與微電子技術的發(fā)展，電梯的拖動方式與控制手段均發(fā)生了很大的變化。目前電梯控制系統(tǒng)主要有三種控制方式：繼電器控制系統(tǒng)(早期安裝的電梯多位繼電器控制系統(tǒng))、微機控制系統(tǒng)、FPGA控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、可靠性差、控制方式不靈活以及消耗功率大等缺點，目前已逐漸被淘汰。微機控制系統(tǒng)雖在智能控制方面有較強的功能，但也存在抗擾性差，系統(tǒng)設計復雜，一般維修人員難以掌握其維修技術等缺陷。而FPGA控制系統(tǒng)由于運行可靠性高，使用維修方便，抗干擾性強,設計和調試周期較短等優(yōu)點，倍受人們重視等優(yōu)點，已成為目前在電梯控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式，目前也廣泛用于傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的技術改造[1]。目前國內七八十年代安裝的許多電梯電氣部分用繼電器接觸器控制系統(tǒng)，線路復雜，接線多，故障率高，維修保養(yǎng)難，許多已處于閑置狀態(tài)，其拽引系統(tǒng)多采用交流雙速電機系統(tǒng)換速，效率低，調速性能指標較差，嚴重影響電梯運行質量。由于這些電梯交流調壓調速系統(tǒng)，交流雙速電機拖動系統(tǒng)性能及乘坐舒適感較差，交流調壓調速系統(tǒng)屬能耗型調速的機械部分無大問題，為節(jié)約資金，大部分老式電梯用戶希望對電梯的電氣控制系統(tǒng)進行改造，提高電梯的運行性能。因此對電梯控制技術進行研究，尋找適合我國老式電梯的改造方法具有十分重要的意義 [1][2] 。 可編程器件的廣泛使用，為數(shù)字系統(tǒng)的設計帶來了極大的靈活性。FPGA作為新一代可編程邏輯器件，以其高可靠性和技術先進性，在電梯控制中得到廣泛應用，從而使電梯由傳統(tǒng)的繼電器控制方式發(fā)展為計算機控制的一個重要方向，成為當前電梯控制和技術改造的熱點之一。FPGA不僅具有可以滿足電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性、開發(fā)周期短、開發(fā)軟件投入少等優(yōu)點，而且可以通過軟件編程對硬件的結構和工作方式進行重構式的硬件的設計，如同軟件設計那樣的方便快捷[2]。因而FPGA（Field Programmable Gate Array）正是集成芯片設計者所尋求的可重復編程的仿真器件。由于FPGA具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、設計配置靈活等特點，因此在電梯控制方面有著廣泛的應用。硬件描述語言采用（VHDL）語言采用模塊設計的方法，可以改善并行語句及其結構的可讀性，提高系統(tǒng)的設計效率，并且VHDL語具有豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使系統(tǒng)的仿真能力增強[3]。Altera公司的Quartus II 設計軟件是適合單芯片可編程系統(tǒng)的最全面的設計環(huán)境。綜合以上考慮本設計就以FPGA作為工具對升降電梯的各種操作進行控制，利用QuartusⅡ軟件和VHDL硬件描述語言對電梯控制器進行設計，最后利用實驗室現(xiàn)有的EDA實驗箱，將程序下載到實驗箱進行驗證。第1章 課題概述1．1課題背景隨著社會的發(fā)展，建筑的高度越來越高，在現(xiàn)代社會和經濟活動中,電梯作為高層建筑中不可缺少的垂直運輸設備，已成為城市物質文明的一種標志。電梯的使用是越來越普遍，已經從原來的商業(yè)大廈、賓館發(fā)展到辦公樓、居民樓等公共場所使用，有的私人家庭也開始安裝電梯。且電梯的功能也在不斷的提高，其控制方式也在不斷的發(fā)生著變化。 在電梯控制系統(tǒng)方面，目前國外發(fā)達國家的電梯正在推廣32位微機控制系統(tǒng)。他們都采用閉環(huán)反饋單微處理機控制系統(tǒng)或多微處理機協(xié)調控制系統(tǒng)。在電梯傳動系統(tǒng)方面，采用交流變壓變頻(VVVF)調速技術，實現(xiàn)電梯從超低速到高速無級調速的高精度運行，具有節(jié)能、對電網(wǎng)污染小、乘坐舒適感佳等優(yōu)點。在電梯反饋系統(tǒng)方面，除了采用旋轉編碼器獲得電梯轎廂位置信號外，還有一些廠家采用絕對值編碼器從電梯轎廂上反饋位置信號給系統(tǒng)，對曳引電機進行以距離為原則的控制，以實現(xiàn)直接平層技術，達到優(yōu)越的電梯運行效果[2]。 目前，我國國內的電梯產品，在數(shù)量和質量都有了顯著的提高。國內的速度控制的運行方式和理想運行曲線基本上和國外的差不多。考慮到經濟性，現(xiàn)有國內的電梯控制系統(tǒng)，通常采用微機或可編程邏輯控制器對變頻器進行多段速控制。在電梯傳動系統(tǒng)方面，對于新裝客梯及舊梯改造項目，大多數(shù)采用了交流變壓變頻(VVVF)調速電梯。在電梯反饋系統(tǒng)方面，采用閉環(huán)速度反饋，利用套在電機軸上的增量編碼器產生脈沖信號反饋給控制系統(tǒng)。在井道信號采集方面，目前國內電梯一般都采用增量編碼器計數(shù)方式配合雙穩(wěn)態(tài)磁開關或光電開關來識別轎廂位置[3]。隨著交流調壓調速電梯技術日趨成熟，一些企業(yè)都有成功的產品。微機控制電梯是電梯技術的方向，一些生產企業(yè)與科研單位相結合，相繼推出了微機控制的電梯新機型，使控制功能得到增強，電梯的性能得到改善，明顯提高了可靠性。另外，用FPGA/CPLD取代原來的控制系統(tǒng)的機型對單梯進行控制還是有前途的。有些生產企業(yè)開發(fā)了緊急供電裝置、放火廳們、地震控制、自檢測以及語言合成等電梯新功能。對機械系統(tǒng)采用了新結構、新材料、新技術和新工藝[4]?？傊c國外先進技術水平相比，雖然還存在一定差距，但國內電梯技術正以迅猛的發(fā)展速度趕超世界先進水平。目前電梯設有一些安全服務，來滿足乘客的要求，電梯的安全運行有以下一些主要控制要求:轎廂中的乘客及門廳中等待電梯的人都需要知道電梯的位置，因而轎廂及門廳中都設有以樓層標志的電梯位置。但這還不夠，電梯的運行還需要更加準確的電梯位置信號，以滿足制動停車等控制的需要。傳統(tǒng)電梯的位置信號一般由設在井道中的位置開關，如磁感應器提供，當轎廂上設置的隔磁板插入感應器時，發(fā)出位置信號，并啟動所在的樓層指示。司機及乘客可按下轎廂內操控盤上的選層按鈕選定電梯運行的目的樓層，此為內選信號。按鈕按下后，該信號應被記憶并使相應的指示燈點亮。在門廳等候電梯的乘客可以按門廳的上行或下行召喚信號，此為外喚信號。該信號也需記憶并點亮門廳的上行或下行指示燈，這些保持信號在要求得到滿足時應能自動消號。電梯自動運行時應根據(jù)內選及外喚信號，決定電梯的運行方向及在哪些站點停站。一般情況下電梯按先上后下的原則安排運送乘客的次序，而且規(guī)定在運行方向確定之后，不響應中途的反向呼喚要求，直到到達本方向的最遠站點才開始返程。轎廂在運行方向確定，轎廂門已關好時啟動運行，運行的初始階段是加速運行階段，其后是穩(wěn)定運行階段。轎廂運行后需確定在哪一層站停車，平層即是指停車時，轎廂的底與門廳“地平面”應相平齊，一般有具體的平層誤差規(guī)定，如平層時兩平面相差不得超過5mm。平層停車過程需在轎廂底面與停車樓面相平之前開始，先是減速，再是制動，以滿足平層的準確性及乘客的舒適感。傳統(tǒng)電梯的平層開始信號由平層感應器發(fā)出[6]。電梯還有一些高層次的性能指標，如電機加減速曲線控制及高準確度的平層控制要求等，前者涉及電梯運行過程中的加速度大小，關系到乘客的舒適感，后者涉及乘客數(shù)量變化對準確平層的影響[8]。電梯的控制是比較復雜的，在計算機誕生前，電梯使用繼電接觸器控制的時代，很難生產出質量優(yōu)良的電梯，而現(xiàn)在，隨著技術的發(fā)展，微型計算機在電梯控制上的應用日益廣泛，現(xiàn)在已進入全微機化控制的時代。電梯的微機化控制主要有以下幾種形式：單板機控制、PLC控制、 單微機控制、單片機控制、多微機控制、人工智能控制[7]。隨著EDA技術的迅速發(fā)展，F(xiàn)PGA/CPLD已經廣泛的應用于電子設計、自動控制、信號處理等各個方面。FPGA/CPLD的使用為電梯的控制提供了廣闊的空間。隨著FPGA/CPLD應用技術的不斷發(fā)展，它己經成為電梯運行中的關鍵技術。 課題的提出 FPGA簡介FPGA是英文FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY的縮寫，既現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL GAL EPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。它是作為專用集成電路ASIC領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，即解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。FPGA使用非常靈活。目前，大部分的FPGA在使用時都需要外接一個EPROM保存其程序，加電時，F(xiàn)PGA芯片恢復成白片，內部邏輯關系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只需用通用的EPROM PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時，只需要換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA。不同的編程數(shù)據(jù)，可以產生不同的電路功能。FPGA市場占有率最高的兩大公司XILINX和ALTERA生產的FPGA就都是此類型的，另外還有一種基于FLASH的FPGA，由ACTEL公司提供。此種FPGA其芯片內部自帶了FLASH ROM，可以存儲程序而不需要外接ROM，可以節(jié)省了成本和制版面積[9]。FPGA具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、設計和調試周期較短、設計配置靈活等特點。在電梯控制中正在得到廣泛應用，使電梯由傳統(tǒng)的繼電器控制方式發(fā)展為計算機控制的一個重要方向，成為當前電梯控制和技術改造的熱點之一。 ，用軟件實現(xiàn)對電梯運行的自動控制，可靠性大大提高。 ，控制系統(tǒng)結構簡單，外部線路簡化。 ，方便地增加或改變控制功能。，提高運行安全性，并便于檢修。 ，并提高電梯運行效率。 。 VHDL（Very High Speed Integrated CircuitHardware Description Language）即超高速集成電路硬件描述語言，主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的行為、結構、功能和接口[11]。VHDL誕生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美國國防部確認為標準硬件描述語言 。自IEEE公布了VHDL的標準版本，IEEE1076（簡稱87版)之后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL設計環(huán)境，或宣布自己的設計工具可以和VHDL接口。此后VHDL在電子設計領域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標準的硬件描述語言[10]。硬件描述語言具有如下特點：(Top Down )和基于庫(LibraryBased)的設計方法，而且還支持同步電路、異步電路及其它隨機電路的設計。其范圍之廣是其它HDL語言所不能比擬的。2. VHDL語言具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可以從系統(tǒng)的數(shù)學模型直到門級電路。支持大規(guī)模設計的分解和設計重用。支持傳輸延遲和慣性延遲，可以更準確的建立復雜的電路硬件模型。，沒有嵌入與工藝有關的信息，這樣在工藝更新時，就無需修改原設計程序，只要改變相應的映射工具即可。可見，無論修改電路還是修改工藝，相互之間不會產生什么不良影響。，設計成果便于復用和交流，這樣又進一步推動VHDL語言的推廣和完善。另外，VHDL語言的語法比較嚴格，給閱讀和使用都帶來了極大的好處。，體現(xiàn)在兩個方面:首先使用VHDL語言進行數(shù)字電路設計時存在并發(fā)性，即VHDL語言支持設計分解，可使被分解的各子部分的設計并行完成，這些子部分的設計由三部分組成:定義實體，確定模型與環(huán)境的接口；定義結構體，完成模型的功能描述；定義測試部分，為模型生成測試向量，并捕獲模型輸出信號狀態(tài)以供分析。其次，VHDL語言在執(zhí)行上具有并發(fā)性，很適合描述電路的并發(fā)性特點。綜上，本文采用VHDL語言來設計電梯控制器，其代碼具有良好的可讀性和易理解性。 quartusⅡ軟件概述QuartusⅡ是Altera公司近幾年推出的新一代、功能強大的可編程邏輯器件設計環(huán)境。Altera Quartus II 作為一種可編程邏輯的設計環(huán)境, 由于其強大的設計能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設計者的歡迎。 Altera Quartus II 設計軟件是業(yè)界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy器件統(tǒng)一設計流程的設計工具。QuartusⅡ軟件提供了EDA設計的綜合開發(fā)環(huán)境，是EDA設計的基礎。QuartusⅡ集成環(huán)境支持系統(tǒng)設計、嵌入式系統(tǒng)設計和可編程器件設計的設計輸入、編譯、綜合、布局、布線、時序分析、仿真、編程下載等EDA設計過程[11]。課題研究的主要內容是采用VHDL語言來設計一個八層的全自動電梯控制器，該控制器能完成基本的控制功能。目標器件選用FPGA器件，源程序經altera公司quartusⅡ的軟件仿真，并且下載到EDA實驗箱驗證其結果。在分析了電梯系統(tǒng)的軟件設計方法基礎上，設計出了軟件流程圖，提出了模塊化編程思想，介紹了系統(tǒng)的軟件開發(fā)和軟件設計，在設計的過程中進行模擬調試，然后對設計的程序進行仿真和分析，最后對改造后的電梯系統(tǒng)進行硬件驗證。第2章 電梯控制器的總體設計 本設計以FPGA作為工具對升降電梯的各種操作進行控制，從而來改善電梯的舒適感和運行的可靠性，使電梯安全可靠的運行。根據(jù)電梯安全運行的一些主要控制要求，本設計的電梯控制器的設計具有比較完善的功能?？紤]到電梯在載客重量上有限制，而且為了防止因惡作劇而按下過多的轎內指令按鈕，本控制器在安全控制的基礎上還增設了超載報警和故障報警的功能。故障重開門。因故障使電梯門不能關閉時，使門重新打開再試關門。本課題設計有以下幾點要求：1．每層電梯的入口處設有上下請求開關，電梯內設有乘客到達層次的停站請求開關。2．設有電梯所處位置指示裝置以及電梯運行模式（上升或下降）指示裝置。3．電梯每秒升降一層。4．電梯到達有停站請求的樓層后，開門指示燈亮，開門5s后，電梯門關閉，關門指示燈滅，電梯繼續(xù)運行，直至執(zhí)行完請求信號后停在當前樓層。5．能記憶電梯內外的所有請求信號，并按照運行規(guī)則依次響應，每個請求信號保留至執(zhí)行后消除。6．電梯運行規(guī)則：當電梯處于上升模式時，只響應比電梯所在位置高的上樓信號，由下至上依次執(zhí)行，直到最后一個上樓請求執(zhí)行完畢，如更高層有下樓請求時，則直接升到有下降請求的最高樓接客，然后進入下降模式，但電梯處于下降模式時，則與上升模式相反。7．電梯初始狀態(tài)為一層門關。8．具有超載報警和故障報警的功能。當超載時，發(fā)出報警信號，電梯門不能關閉；當電梯被阻擋超過一定的時間時，發(fā)出報警信號，并且強行關門。內部請求優(yōu)先控制方式類似于出租車的工作方式，先將車上人送至目的地，再去載客。作為通用型電梯應該服務于大多數(shù)人。為內部請求信號響應效率，其響應效率見式21； pout為外部請求信號響應效率，其響應效率見式22。=