【正文】 R A 46R A 57V s s8O S C 19O S C 210RC011RC112RC213RC314RC415RC516RC617RC718V s s19VDD20RB021RB122RB223RB324RB425RB526RB627RB728A1 P I C 1 6F 8 7 3V C CD0D1D2D3 D4D5D6D7V C CR01kR14 7k87654123A0A1A2A3A4A5l e d 0 l e d 1 l e d 2 l e d 3 l e d 4 l e d 5 l e d 6 l e d 7R D 11KR D 21KR D 31KR D 41KR D 51KR D 61KR D 71KD0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7R D 01KR21kL E DV C CR51 0KR61 0KR71 0KR81 0KR91 0KR 1 01 0KR 1 11 0KR 1 21 0KV C Cr e s t a 圖 3 電梯內(nèi)硬件電路 基于 FPGA 的電梯控制器設(shè)計 第 16 頁 共 31 頁 電梯硬件控制模塊 — 軟件設(shè)計 主控制器的功能 1）完成 4個樓層多用戶的載客服 務(wù)控制。而每個按鍵按下時會點亮亮對應(yīng)的 LED 燈，當(dāng)電梯到達(dá)該樓層時就熄滅該樓層的 LED 燈。其模塊電路如圖 2所示： 基于 FPGA 的電梯控制器設(shè)計 第 15 頁 共 31 頁 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 S e p 2 0 0 8 S he e t o f F i l e : C : \ D oc u m e n t s a nd S e t t i ng s \ A d m i n i s t r a t o r \ 桌面 \8 月 26 改板電梯 \8 月 26 改板電梯 .d d bD r a w n B y:4MC1 3 0pC2 3 0pV C CR01kR14 7k11223344S09 10 115 6 71 2 3l e d 0 l e d 1 l e d 2 l e d 3 l e d 4 l e d 5 l e d 6 l e d 7R D 11KR D 21KR D 31KR D 41KR D 51KR D 61KR D 71KD0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7R D 01KR21kL E DV C CR31 0KR41 0KR51 0KR61 0KR71 0KR81 0KV C CV C C13 14 15 161284R91 0KR 1 01 0Kl e d 8 l e d 9 l e d 10 l e d 11 l e d 12 l e d 13 l e d 14 l e d 15RC01KRC11KRC21KRC31KRC41KRC51KRC61KRC71KC0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7B0B1B2B3B4B5B6B7M C L R1R A 02R A 13R A 24R A 35R A 46R A 57R E 08R E 210VDD11V s s12O S C 113O S C 214RC015RC116RC217RC318R D 019R D 120RB740RB639RB538RB437RB336RB235RB134RB033VDD32V s s31R D 730R D 629R D 528R D 427RC726RC625RC524RC423R D 322R D 221R E 19P I C 1 6F 8 7 7A1P I C 1 6F 8 7 7V C CA0A1A2A3A4A5C0C1C2C3 C4C5C6C7D0D1 D2D3D4D5D6D7B0B1B2B3B4B5B6B7V C C 圖 2 電梯外硬件電路 電梯硬件控制模塊 — 內(nèi)控制模塊 電梯內(nèi)控制模塊是負(fù)責(zé)收集電梯內(nèi)部的人員按鍵和控制相應(yīng) LED 燈亮滅的模塊。當(dāng)燈熄滅的時候就表示電梯已經(jīng)執(zhí)行了相應(yīng)的操作了。 電梯硬件控制模塊 電梯硬件控制模塊 — 外控制模塊 電梯外控制模塊是負(fù)責(zé)收集電梯外部的人員按鍵和控制相應(yīng) LED 燈亮滅的模塊，考慮到每一層樓都會有向上和向下兩個運行方向，所以在 4 個樓層里一共需要 4個按鍵和 4個 LED 燈。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)。 2）信號存儲模塊 電梯控制器的請求輸入信號有 27 個（電梯外有 9個上升請求和 9 個下降請求的用戶輸入端口，電梯內(nèi)有 9 個請求用戶輸入端口），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(jìn)行運算，再存到存儲器內(nèi)。本電梯控制系統(tǒng)也需要稱重傳感器來判斷電梯廂是否超重，另外本系統(tǒng)要求確切的測出電梯廂的重量，控制系統(tǒng)根據(jù)電梯廂的重量調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出功率，電梯廂重量大時，控制電機(jī)輸出功率大，電梯廂輕時控制電機(jī)的輸出功率小，從而實現(xiàn)節(jié)能的目的。綜合比較，節(jié)能是本系統(tǒng)的主題，所以選擇方案二。作為變壓變頻控制裝置變頻器以其成熟的技術(shù)和高可 靠性應(yīng)用于電梯控制系統(tǒng)中。 方案二：使用變頻器驅(qū)動電機(jī)，隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào) 速技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。 電機(jī)驅(qū)動選擇 方案一：傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動方式，使用常規(guī)的三相交流電直接驅(qū)動電機(jī)，控制核心通過控制繼電器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，從而控制電梯的運動方向。方案二使用硬件濾波可靠性高，它提供給控制器的是一個標(biāo)準(zhǔn)的方波，有利于處理器對按鍵狀態(tài)的判斷，而且增加的硬件成本也不高。 方案二：使用濾波的方法去抖，使用 RC濾波器和具有施密特功能的非門濾去按鍵按下時的抖動脈沖，電阻 R和電容 C組成低通濾波器，由于抖動的脈沖頻率比較高，所以被 RC 濾波器 濾掉，再經(jīng)過具有施密特功能的非門整形為標(biāo)準(zhǔn)的方波輸?shù)娇刂破鳌牧炼群统杀究紤]，本系統(tǒng)選擇方案二。而且液晶顯示耗電小，缺點是成本高、顯示亮度不如數(shù)碼管。缺點是耗電大，顯示內(nèi)容有限。 方案一：使用數(shù)碼管顯示。所以方案二更好。當(dāng)樓層很多時，離控制 器遠(yuǎn)的金屬開關(guān)到控制器的線很長，信號容易收到干擾，而且整個系統(tǒng)很復(fù)雜成本高。在豎井的最高處（控制器安裝的地方）安裝一個超聲波測距儀，超聲波測距儀的發(fā)射頭向下發(fā)出超聲波，超聲波到達(dá)電梯廂的頂部就反射回來由超聲波測距儀的接收頭接收，并記下從發(fā)射到接收到超聲波的時間 t，通過公式計算處電梯的所處位置的高度 h 340 th 2H ??? 其中 H為電梯在最高樓層時的高度，超聲波在空氣中的速度事 340m/s。通過金屬接近開關(guān)輸出的變化知道電梯轎廂的位置 。 方案一：采用金屬接近開關(guān)檢測電梯層數(shù)。當(dāng)電梯處于下降模式時，情況正好相反。 當(dāng) dir=1 時表示電梯處于上升模式時，這時電梯只響應(yīng)比電梯所在位置高的基于 FPGA 的電梯控制器設(shè)計 第 11 頁 共 31 頁 上樓請求；當(dāng) dir=0 時表示電梯處于下降模式時，這時電梯只響應(yīng)比電梯所在位置低的下樓請求。當(dāng)電梯處于下降模式時，電梯只響應(yīng)比電梯低的樓層向下的請求。 這種機(jī)構(gòu)巧妙地應(yīng)用電梯廂（包括乘客）的重力勢能和配重的重力勢能的相互轉(zhuǎn)換，達(dá)到節(jié)約能源的目的。當(dāng)配重質(zhì)量 電梯廂質(zhì)量，控制系統(tǒng)只需要施加少量的反向力矩，使 電梯廂勻速。若有乘客需要從低樓層上到高樓層，則控制系統(tǒng)則控制電機(jī)使電梯廂下上運動，配重向下運動，配重的重力勢能轉(zhuǎn)化為電梯廂的重力勢能。 基于 FPGA 的電梯控制器設(shè)計 第 10 頁 共 31 頁 第 2 章 電梯控制 器設(shè)計 方案 分析 電梯動力結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 1 電 梯動力結(jié)構(gòu)設(shè)計 上圖的變速箱是由一些齒輪構(gòu)成的減速系統(tǒng)，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速都比較高，不能直接拖動電梯箱，所以需要減速箱，另外通過減速箱后，電機(jī)的拖動力大大增加了。使其在任何大系統(tǒng)的設(shè)計中，隨時可對設(shè)計進(jìn)行仿真模擬。 （四）可操作性 由于 VHDL 具有類屬描述語句和子程序調(diào)用等功能，對于已完成的設(shè)計， 在不改變源程序的條件下，只需改變端口類屬參量或函數(shù)，就能輕易地改變設(shè)計的規(guī)模和結(jié)構(gòu)。設(shè)計者可以不懂硬件基于 FPGA 的電梯控制器設(shè)計 第 9 頁 共 31 頁 的結(jié)構(gòu)，也不必管最終設(shè)計實現(xiàn)的目標(biāo)器件是什么，而進(jìn)行獨立的設(shè)計。此外，通過更換庫再重新綜合很容易移植為 ASIC 設(shè)計。 （二）可移植性 VHDL 語言是一個標(biāo)準(zhǔn)語言，其設(shè)計描述可以為不同的 EDA 工 具支持。并且具有多層次的設(shè)計描述功能，支持設(shè)計庫和可重復(fù)使用的元件生成。 的特點 （一）功能強大 VHDL 具有功能強大的語言結(jié)構(gòu)。 1995 年 VerilogHDL 也成為IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。 1993 年該標(biāo)準(zhǔn)增修為 IEEE1164 標(biāo)準(zhǔn)。此后，硬件描述語言向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展， 1987 年成為 IEEE Standard 1076，稱為 VHDL 語言。與 SDL（ Software Description Language）相似，經(jīng)歷了從機(jī)器碼（晶體管和焊接）、匯編（網(wǎng)表）、到高級語言（ HDL）的過程。 HDL是用形式化的方法描述數(shù)字電路和設(shè)計數(shù)字邏輯系統(tǒng)的語言。本章在 VHDL 的特性之后，從這兩個角度簡要介紹VHDL 的語法基礎(chǔ)。本篇介紹 VHDL 的語法基礎(chǔ)、用 VHDL 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的基本方法、以及 VHDL 的設(shè)計實例等。因此， FPGA 的使用非常靈活。當(dāng)需要修改 FPGA 功能時，只需換一片 EPROM 即可。掉電后， FPGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此， FPGA能夠反復(fù)使用。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 可以說， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最 小的器件之一。 FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 工作原理 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內(nèi)部連線（ Interconnect）三個部分。 基于 FPGA 的電梯控制器設(shè)計 第 7 頁 共 31 頁 介紹 簡述 FPGA 是英文 Field－ Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它主要采用從系統(tǒng)設(shè)計入手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在方框圖一級進(jìn)行仿真、糾錯、并用 VHDL、 ABEL 等硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，在系統(tǒng)一級進(jìn)行驗證然后再用邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門級邏輯電路的網(wǎng)表，其對應(yīng)的物理實現(xiàn)級可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐?。設(shè)計者可以利用 HDL 程序來描述所希望的電路系統(tǒng)，規(guī)定其結(jié)構(gòu)性和電路的行為方式；然后利用 EDA 工具將此程序變成能控制場效應(yīng)可編程門陣列（ Field Programmable Gate Array） /復(fù)雜可編程邏輯器件（ Complex Programmable Logic Device）內(nèi)部結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)相應(yīng)邏輯功能的門級或更底層的結(jié)構(gòu)網(wǎng)表文件和下載文件。在電路描述時主要采用硬件描述語言（ HD