【正文】 達(dá)本方向的最遠(yuǎn)站點(diǎn)才開始返程。該信號也需記憶并點(diǎn)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(shí)應(yīng)能自動(dòng)消號。按鈕按下后，該信號應(yīng)被記憶并使相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。傳統(tǒng)電梯的位置信號一般由設(shè)在井道中的位置開關(guān)，如磁感應(yīng)器提供，當(dāng)轎廂上設(shè)置的隔磁板插入感應(yīng)器時(shí)，發(fā)出位置信號，并啟動(dòng)所在的樓層指示。目前電梯設(shè)有一些安全服務(wù)，來滿足乘客的要求，電梯的安全運(yùn)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(shè)有以樓層標(biāo)志的電梯位置。對機(jī)械系統(tǒng)采用了新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)和新工藝[4]。另外，用FPGA/CPLD取代原來的控制系統(tǒng)的機(jī)型對單梯進(jìn)行控制還是有前途的。隨著交流調(diào)壓調(diào)速電梯技術(shù)日趨成熟，一些企業(yè)都有成功的產(chǎn)品。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(jī)軸上的增量編碼器產(chǎn)生脈沖信號反饋給控制系統(tǒng)?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)有國內(nèi)的電梯控制系統(tǒng)，通常采用微機(jī)或可編程邏輯控制器對變頻器進(jìn)行多段速控制。 目前，我國國內(nèi)的電梯產(chǎn)品，在數(shù)量和質(zhì)量都有了顯著的提高。在電梯傳動(dòng)系統(tǒng)方面，采用交流變壓變頻(VVVF)調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電梯從超低速到高速無級調(diào)速的高精度運(yùn)行，具有節(jié)能、對電網(wǎng)污染小、乘坐舒適感佳等優(yōu)點(diǎn)。 在電梯控制系統(tǒng)方面，目前國外發(fā)達(dá)國家的電梯正在推廣32位微機(jī)控制系統(tǒng)。電梯的使用是越來越普遍，已經(jīng)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。綜合以上考慮本設(shè)計(jì)就以FPGA作為工具對升降電梯的各種操作進(jìn)行控制，利用QuartusⅡ軟件和VHDL硬件描述語言對電梯控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的EDA實(shí)驗(yàn)箱，將程序下載到實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證。硬件描述語言采用（VHDL）語言采用模塊設(shè)計(jì)的方法，可以改善并行語句及其結(jié)構(gòu)的可讀性，提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(qiáng)[3]。因而FPGA（Field Programmable Gate Array）正是集成芯片設(shè)計(jì)者所尋求的可重復(fù)編程的仿真器件。FPGA作為新一代可編程邏輯器件，以其高可靠性和技術(shù)先進(jìn)性，在電梯控制中得到廣泛應(yīng)用，從而使電梯由傳統(tǒng)的繼電器控制方式發(fā)展為計(jì)算機(jī)控制的一個(gè)重要方向，成為當(dāng)前電梯控制和技術(shù)改造的熱點(diǎn)之一。因此對電梯控制技術(shù)進(jìn)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] 。目前國內(nèi)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(fù)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(jī)系統(tǒng)換速，效率低，調(diào)速性能指標(biāo)較差，嚴(yán)重影響電梯運(yùn)行質(zhì)量。微機(jī)控制系統(tǒng)雖在智能控制方面有較強(qiáng)的功能，但也存在抗擾性差，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)等缺陷。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(jī)控制系統(tǒng)、FPGA控制系統(tǒng)。基于FPGA的全自動(dòng)電梯控制器的設(shè)計(jì)序言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、近年來，我國的電梯生產(chǎn)技術(shù)得到了迅速發(fā)展．一些電梯廠也在不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)、修改工藝。電梯主要分為機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩大部份，隨著自動(dòng)控制理論與微電子技術(shù)的發(fā)展，電梯的拖動(dòng)方式與控制手段均發(fā)生了很大的變化。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(diǎn)，目前已逐漸被淘汰。而FPGA控制系統(tǒng)由于運(yùn)行可靠性高，使用維修方便，抗干擾性強(qiáng),設(shè)計(jì)和調(diào)試周期較短等優(yōu)點(diǎn)，倍受人們重視等優(yōu)點(diǎn)，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(shù)改造[1]。由于這些電梯交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，交流雙速電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)性能及乘坐舒適感較差，交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)屬能耗型調(diào)速的機(jī)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(jìn)行改造，提高電梯的運(yùn)行性能。 可編程器件的廣泛使用，為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了極大的靈活性。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(diǎn)，而且可以通過軟件編程對硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)式的硬件的設(shè)計(jì)，如同軟件設(shè)計(jì)那樣的方便快捷[2]。由于FPGA具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)配置靈活等特點(diǎn)，因此在電梯控制方面有著廣泛的應(yīng)用。Altera公司的Quartus II 設(shè)計(jì)軟件是適合單芯片可編程系統(tǒng)的最全面的設(shè)計(jì)環(huán)境。第1章 課題概述1．1課題背景隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑的高度越來越高，在現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中,電梯作為高層建筑中不可缺少的垂直運(yùn)輸設(shè)備，已成為城市物質(zhì)文明的一種標(biāo)志。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。他們都采用閉環(huán)反饋單微處理機(jī)控制系統(tǒng)或多微處理機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。在電梯反饋系統(tǒng)方面，除了采用旋轉(zhuǎn)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(jī)進(jìn)行以距離為原則的控制，以實(shí)現(xiàn)直接平層技術(shù)，達(dá)到優(yōu)越的電梯運(yùn)行效果[2]。國內(nèi)的速度控制的運(yùn)行方式和理想運(yùn)行曲線基本上和國外的差不多。在電梯傳動(dòng)系統(tǒng)方面，對于新裝客梯及舊梯改造項(xiàng)目，大多數(shù)采用了交流變壓變頻(VVVF)調(diào)速電梯。在井道信號采集方面，目前國內(nèi)電梯一般都采用增量編碼器計(jì)數(shù)方式配合雙穩(wěn)態(tài)磁開關(guān)或光電開關(guān)來識(shí)別轎廂位置[3]。微機(jī)控制電梯是電梯技術(shù)的方向，一些生產(chǎn)企業(yè)與科研單位相結(jié)合，相繼推出了微機(jī)控制的電梯新機(jī)型，使控制功能得到增強(qiáng)，電梯的性能得到改善，明顯提高了可靠性。有些生產(chǎn)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?？傊?，與國外先進(jìn)技術(shù)水平相比，雖然還存在一定差距，但國內(nèi)電梯技術(shù)正以迅猛的發(fā)展速度趕超世界先進(jìn)水平。但這還不夠，電梯的運(yùn)行還需要更加準(zhǔn)確的電梯位置信號，以滿足制動(dòng)停車等控制的需要。司機(jī)及乘客可按下轎廂內(nèi)操控盤上的選層按鈕選定電梯運(yùn)行的目的樓層，此為內(nèi)選信號。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。電梯自動(dòng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)根據(jù)內(nèi)選及外喚信號，決定電梯的運(yùn)行方向及在哪些站點(diǎn)停站。轎廂在運(yùn)行方向確定，轎廂門已關(guān)好時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行的初始階段是加速運(yùn)行階段，其后是穩(wěn)定運(yùn)行階段。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(dòng)，以滿足平層的準(zhǔn)確性及乘客的舒適感。電梯還有一些高層次的性能指標(biāo)，如電機(jī)加減速曲線控制及高準(zhǔn)確度的平層控制要求等，前者涉及電梯運(yùn)行過程中的加速度大小，關(guān)系到乘客的舒適感，后者涉及乘客數(shù)量變化對準(zhǔn)確平層的影響[8]。電梯的微機(jī)化控制主要有以下幾種形式：單板機(jī)控制、PLC控制、 單微機(jī)控制、單片機(jī)控制、多微機(jī)控制、人工智能控制[7]。FPGA/CPLD的使用為電梯的控制提供了廣闊的空間。 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(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA使用非常靈活。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。這樣，同一片F(xiàn)PGA。FPGA市場占有率最高的兩大公司XILINX和ALTERA生產(chǎn)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。FPGA具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)和調(diào)試周期較短、設(shè)計(jì)配置靈活等特點(diǎn)。 ，用軟件實(shí)現(xiàn)對電梯運(yùn)行的自動(dòng)控制，可靠性大大提高。 ，方便地增加或改變控制功能。 ，并提高電梯運(yùn)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(jié)構(gòu)、功能和接口[11]。1987年底，VHDL被IEEE和美國國防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言 。此后VHDL在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言[10]。其范圍之廣是其它HDL語言所不能比擬的。支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和設(shè)計(jì)重用。，沒有嵌入與工藝有關(guān)的信息，這樣在工藝更新時(shí)，就無需修改原設(shè)計(jì)程序，只要改變相應(yīng)的映射工具即可。，設(shè)計(jì)成果便于復(fù)用和交流，這樣又進(jìn)一步推動(dòng)VHDL語言的推廣和完善。，體現(xiàn)在兩個(gè)方面:首先使用VHDL語言進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)存在并發(fā)性，即VHDL語言支持設(shè)計(jì)分解，可使被分解的各子部分的設(shè)計(jì)并行完成，這些子部分的設(shè)計(jì)由三部分組成:定義實(shí)體，確定模型與環(huán)境的接口；定義結(jié)構(gòu)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。綜上，本文采用VHDL語言來設(shè)計(jì)電梯控制器，其代碼具有良好的可讀性和易理解性。Altera Quartus II 作為一種可編程邏輯的設(shè)計(jì)環(huán)境, 由于其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的歡迎。QuartusⅡ軟件提供了EDA設(shè)計(jì)的綜合開發(fā)環(huán)境，是EDA設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。課題研究的主要內(nèi)容是采用VHDL語言來設(shè)計(jì)一個(gè)八層的全自動(dòng)電梯控制器，該控制器能完成基本的控制功能。在分析了電梯系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中進(jìn)行模擬調(diào)試，然后對設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行仿真和分析，最后對改造后的電梯系統(tǒng)進(jìn)行硬件驗(yàn)證。根據(jù)電梯安全運(yùn)行的一些主要控制要求，本設(shè)計(jì)的電梯控制器的設(shè)計(jì)具有比較完善的功能。故障重開門。本課題設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)要求：1．每層電梯的入口處設(shè)有上下請求開關(guān)，電梯內(nèi)設(shè)有乘客到達(dá)層次的停站請求開關(guān)。3．電梯每秒升降一層。5．能記憶電梯內(nèi)外的所有請求信號，并按照運(yùn)行規(guī)則依次響應(yīng)，每個(gè)請求信號保留至執(zhí)行后消除。7．電梯初始狀態(tài)為一層門關(guān)。當(dāng)超載時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號，電梯門不能關(guān)閉；當(dāng)電梯被阻擋超過一定的時(shí)間時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號，并且強(qiáng)行關(guān)門。作為通用型電梯應(yīng)該服務(wù)于大多數(shù)人。= 21 22由式21和式22可以看出，在內(nèi)部請求優(yōu)先控制方式，當(dāng)電梯外部人的請求和電梯內(nèi)部人的請求發(fā)生沖突時(shí)，外部人的請求信號可能被長時(shí)間忽略，因而它不能作為通用電梯的設(shè)計(jì)方案。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于“面面俱到”，可以保證所有人的請求得到響應(yīng)。對用戶而言，此種控制方式的請求響應(yīng)的時(shí)間也不是很快。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求：有則停止，無則繼續(xù)前進(jìn)。 2．檢測后方是否有請求，有請求則轉(zhuǎn)向運(yùn)行，無請求則維持停止?fàn)顟B(tài)。假設(shè)：電梯每兩層的運(yùn)行時(shí)間為△T,樓層數(shù)為六，在每層的停止時(shí)間為t ，如果每層都有請求，則這種控制方式的效率和上面的單向的單層層停等控制的方式的效率一樣，然而，當(dāng)不是每層都有請求（假定為只有6層有請求輸入）時(shí)，上面的層層停控制方式（設(shè)為A方式）的響應(yīng)時(shí)間T為： 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(shí)間為T1：B方式和A方式效率比為：由此可見，方向優(yōu)先控制方式的效率遠(yuǎn)大于單層層停等控制方式的效率。所以本設(shè)計(jì)選擇方向優(yōu)先控制方式。該控制器可控制電梯完成八層樓的載客服務(wù)而且遵循方向優(yōu)先和電梯內(nèi)外請求信息。確定系統(tǒng)的組成框圖如圖21所示。 控制器采用FPGA作為系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率是2Hz，完全可以滿足實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的要求。可以采用多次檢測的方法解決這個(gè)問題，對一個(gè)信號進(jìn)行多次采樣以保證信號的可信度。鍵盤、光敏外部輸入接口電路未設(shè)計(jì)。電梯運(yùn)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)對電梯的請求也是離散的，因此請求信號的存儲(chǔ)要求新的信號不能覆蓋原來的請求信號，只有響應(yīng)動(dòng)作完成后才能清除存儲(chǔ)器內(nèi)對應(yīng)的請求信號位。圖22 信號存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖中央處理模塊是系統(tǒng)的核心，通過對存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)（含請求、到達(dá)樓層等信號）進(jìn)行比較、判斷以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的流轉(zhuǎn)。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)條件是受到上升請求。系統(tǒng)的顯示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。同時(shí)，電梯外部的人也可以根據(jù)請求信號顯示（上升請求、下降請求、無請求），就可以避免沒有必要的重復(fù)請求信號輸入。第3章 系統(tǒng)的軟件開發(fā)1．電梯的復(fù)位狀態(tài)上電后，F(xiàn)PGA的程序已經(jīng)開始運(yùn)行，但因?yàn)殡娞萆形醋x入任何數(shù)據(jù)，也就無法在收到請求信號后通過固化在FPGA中的程序作出響應(yīng)。2．電梯的正常工作狀態(tài)根據(jù)實(shí)際情況，電梯完成一個(gè)呼叫響應(yīng)的步驟如下：（1）電梯在檢測到門廳或轎廂的呼叫信號后將此樓層信號與轎廂所在的樓層信號比較，通過運(yùn)行模塊進(jìn)行選向。轎廂運(yùn)動(dòng)速度要經(jīng)過低速轉(zhuǎn)變?yōu)橹兴僭俎D(zhuǎn)變?yōu)楦咚?，并以高速運(yùn)行至低速點(diǎn)[16] 。（4）平層后，經(jīng)過一定延時(shí)后開門，直到碰到開門到位行程開關(guān)；再經(jīng)過一定延時(shí)后關(guān)門，直到碰到關(guān)門到位行程開關(guān)。由于電梯的運(yùn)行是根據(jù)樓層和轎廂的呼叫信號、行程信號進(jìn)行控制，而樓層和轎廂的呼叫是隨機(jī)的，因此，系統(tǒng)控制采用隨機(jī)邏輯控制。另外，轎廂的位置是由脈沖數(shù)確定，并送計(jì)數(shù)器來進(jìn)行控制。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：。采用了四個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列，即上行優(yōu)先級隊(duì)列、上行次優(yōu)先級隊(duì)列、下行優(yōu)先級隊(duì)列、下行次優(yōu)先級隊(duì)列?？刂葡到y(tǒng)在電梯運(yùn)行中實(shí)時(shí)排列的四個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列，為實(shí)現(xiàn)隨機(jī)邏輯控制提供了基礎(chǔ)。根據(jù)電梯的運(yùn)行方向，將同向的優(yōu)先級隊(duì)列中的非零單元（有呼叫此單元為非零單元；無呼叫時(shí)則此單元為零單元）送入寄存器隊(duì)列，我們利用先進(jìn)先出讀出指令，將第一個(gè)單元中數(shù)據(jù)送入比較寄存器。當(dāng)電梯以某一運(yùn)行方向到達(dá)某樓層的平層位置時(shí)，判別該樓層是否有同向的呼叫信號，如有，將相應(yīng)的寄存器的脈沖數(shù)與比較寄存器進(jìn)行比較，如相同，則在該樓層平層位置停車；如果不相同，則將該寄存器數(shù)據(jù)送入比較寄存器，并將原比較寄存器數(shù)據(jù)保存，執(zhí)行該樓層的停車。，F(xiàn)PGA根據(jù)隨機(jī)邏輯控制的要求，可向變頻器發(fā)出正向運(yùn)行、反向運(yùn)行、減速以及制動(dòng)信號，再由變頻器根據(jù)一定的控制規(guī)律和控制算法來控制電機(jī)[17]。 模塊化編程系統(tǒng)是集選式