電梯控制器的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

覃 琴 莊曉平

（三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

FPGA［1－3］（現(xiàn)場可編程門陣列）是一種可由用戶自定義并進(jìn)行配置的高密度專用集成電路.具有陣列型PLD器件的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)又類似掩?？删幊涕T陣列，因此具有更高的集成度和更強(qiáng)大的邏輯實(shí)現(xiàn)能力，使得設(shè)計(jì)更加靈活和容易實(shí)現(xiàn)，可大大縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)成本.

電梯控制可采用FPGA／CPLD控制方式、繼電器－接觸器控制方式、單片機(jī)控制方式、微機(jī)控制方式、PLC控制方式等.由于基于FPGA的電梯控制系統(tǒng)具有可靠性高、維護(hù)方便、開發(fā)周期短，靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以完成更為復(fù)雜的控制任務(wù)，已成為電梯控制的發(fā)展方向.

1 電梯控制器設(shè)計(jì)要求

（1）每層電梯入口處設(shè)有上下召喚按鈕各1個(gè)，電梯內(nèi)設(shè)有乘客到達(dá)樓層的數(shù)字按鈕.電梯當(dāng)前所在樓層用一位數(shù)碼管顯示，用兩只發(fā)光二極管顯示電梯上行和下行狀態(tài).

（2）電梯到達(dá)有?？空埱蟮臉菍雍螅瑫詣悠綄油＼?，打開電梯門，開門4s后，電梯門自動關(guān)閉，電梯繼續(xù)運(yùn)行.

（3）能記憶并指示電梯內(nèi)外的所有請求信號，并按照電梯運(yùn)行的規(guī)則依次響應(yīng).

（4）當(dāng)沒有請求信號時(shí)，電梯停在當(dāng)前樓層，處于等待狀態(tài).

（5）電梯能進(jìn)行故障提示.

本文設(shè)計(jì)的電梯控制器，其基本要求即滿足實(shí)際運(yùn)行電梯的要求.

2 電梯控制系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)采用方向優(yōu)先控制方式［4］，方向優(yōu)先控制是指電梯運(yùn)行到某一樓層時(shí)先考慮該樓層是否有請求:有，則停止；無，則繼續(xù)前進(jìn).停止后再啟動的步驟:考慮前方即上方或下方是否有請求:有，則前進(jìn)；無，則停止；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).

系統(tǒng)控制核心采用Altera公司CycloneⅡ系列的 EP2C35F484C8 芯 片［5］，系 統(tǒng) 時(shí) 鐘 為 50MHz，EDA軟件為QuartusⅡ.電梯控制器的設(shè)計(jì)采用模塊化多進(jìn)程的控制原理來實(shí)現(xiàn)，程序分為7個(gè)模塊:層樓信號處理（cl），指令、召喚處理（zzc），選向功能（xx），選層功能（xc），運(yùn)行控制（yk），開關(guān)門功能（kgm），故障處理及數(shù)碼管顯示（gzc）.7個(gè)模塊設(shè)計(jì)完成后再進(jìn)行組合，形成最終設(shè)計(jì).

針對任意層數(shù)的控制器算法是保證電梯控制器的實(shí)用性和適用性的關(guān)鍵.因此本文的設(shè)計(jì)思想適合任意層數(shù)的電梯控制器設(shè)計(jì).首先采用模塊化多進(jìn)程的控制原理實(shí)現(xiàn)電梯控制器的模塊設(shè)計(jì)，然后根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)方式進(jìn)行各模塊的組合.本文以6層6站電梯控制器為例，6層或多層電梯控制器只是Verilog代碼數(shù)量的不同，其設(shè)計(jì)方案相同［6］.電梯控制器的結(jié)構(gòu)及各模塊之間的連接關(guān)系如圖1所示.

圖1 電梯控制器的結(jié)構(gòu)圖

3 單元模塊設(shè)計(jì)

3.1 層樓信號處理

層樓信號的作用有兩個(gè):一是指示樓層，使人們看到轎廂所在的層站；二是參與定向與選層，是電梯判斷運(yùn)行方向和停靠位置的主要因素之一.設(shè)計(jì)中，在轎頂安裝兩個(gè)感應(yīng)器，在井道內(nèi)每層（上下端站除外）上、下方向減速點(diǎn)位置安裝隔磁板（遮光板），在上、下端站減速點(diǎn)位置另外裝感應(yīng)器.在取得減速點(diǎn)信號的同時(shí)獲得層樓信號，可大量減少井道內(nèi)的感應(yīng)器數(shù)量.實(shí)現(xiàn)思想是用一個(gè)存儲單元來存儲層樓信號，當(dāng)電梯上升一層存儲單元加“1”；當(dāng)電梯下降一層存儲單元減“1”；當(dāng)電梯運(yùn)行至頂站（6樓）時(shí)，上強(qiáng)迫減速感應(yīng)器動作，存儲單元被置為6，實(shí)現(xiàn)上端站強(qiáng)迫校準(zhǔn)；當(dāng)電梯運(yùn)行至基站（1樓）時(shí)，下強(qiáng)迫減速感應(yīng)器動作，存儲單元被置為1，實(shí)現(xiàn)下端站強(qiáng)迫校準(zhǔn)，因此當(dāng)電梯層樓信號有誤時(shí)，只需將電梯開到頂站或基站即可進(jìn)行校準(zhǔn).

3.2 指令、召喚處理

對于每一個(gè)指令和召喚按鈕都有相應(yīng)的存儲單元進(jìn)行記憶.而在實(shí)現(xiàn)轎內(nèi)指令和廳外召喚的記憶和消除功能時(shí)必須注意其記憶和消除條件.當(dāng)按下一個(gè)指令按鈕或召喚按鈕，且電梯不在該樓層時(shí)，對應(yīng)的存儲單元被賦值“1”，且輸出該信號，供其它模塊使用及點(diǎn)亮相應(yīng)的按鈕指示燈.當(dāng)電梯正常到達(dá)該樓層時(shí)，如果滿足該指令或召喚信號的停車條件時(shí)，電梯在該層停車，且消除對應(yīng)的指令或召喚信號（對應(yīng)的存儲單元被賦值“0”）.

3.3 選向模塊

電梯在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)才會進(jìn)行選向.首先出現(xiàn)且具備參與選向資格的指令或召喚信號，被稱為有效選向信號.選向的控制原則是:有效的選向信號（指令、召喚）與電梯的實(shí)際位置相比較，有效的選向信號（指令或召喚）在電梯所處樓層之上，則選擇上方向運(yùn)行，反之則選擇下方向運(yùn)行.方向信號通過兩位輸出（上方向和下方向）給變頻器和運(yùn)行方向指示燈，以及其它需要用到方向信號的模塊.當(dāng)電梯運(yùn)行至選定樓層，且到達(dá)平層位置時(shí)，選向模塊應(yīng)使輸出方向斷開，即上方向和下方向都輸出“0”，電梯停車制動.

當(dāng)電梯處于檢修或故障狀態(tài)時(shí)，指令和召喚信號都無效，如果按慢上行（或慢下行）按鈕，電梯以電動方式上（下）運(yùn)行.

3.4 選層模塊

在電梯運(yùn)行過程中，電梯該在第幾層停車，什么位置開始減速，什么位置停車，關(guān)鍵在于對選層模塊的處理.當(dāng)電梯運(yùn)行至某層時(shí)，若該層存在滿足下列條件之一的指令信號，則滿足電梯在該層停車的條件，選層模塊輸出減速停車信號.（1）電梯運(yùn)行方向向上而且該層存在上召喚信號；（2）電梯運(yùn)行方向向下而且該層存在下召喚信號；（3）電梯運(yùn)行方向向上，而該層存在下召喚信號，且在當(dāng)前樓層之上無指令或召喚信號；（4）電梯運(yùn)行方向向下，而該層存在上召喚信號，且在當(dāng)前樓層之下無指令或召喚信號.

為保證電梯安全運(yùn)行，當(dāng)電梯到達(dá)兩端站時(shí)不論有無指令和召喚，電梯必須執(zhí)行減速停車動作.另外，電梯運(yùn)行時(shí)如果無運(yùn)行方向，電梯必須就近停車.

3.5 運(yùn)行控制

電梯運(yùn)行控制是電梯控制的核心.電梯運(yùn)行控制決定電梯何時(shí)啟動、如何加速、何時(shí)減速、如何減速及何時(shí)平層停車.

由于拖動形式的不同，運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)的方法也不同，本設(shè)計(jì)中使用的是交流調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速方式.電梯的運(yùn)行方向是由選向模塊輸出給變頻器；電梯的啟動信號由運(yùn)行控制模塊輸出給變頻器；電梯的選層（減速）信號由選層模塊輸出給變頻器，用于電梯減速到停車之用；電梯到達(dá)目標(biāo)樓層的平層位置時(shí)，運(yùn)行控制模塊輸出停車制動信號給變頻器；如果電梯是檢修運(yùn)行時(shí)，則控制器輸出檢修狀態(tài)信號給變頻器執(zhí)行慢速運(yùn)行.電梯啟動加速正常運(yùn)行、減速平層停車、檢修運(yùn)行的速度曲線均由變頻器數(shù)據(jù)設(shè)定完成.變頻器輸入信號端子的意義也由變頻器參數(shù)設(shè)定.控制器只需給變頻器相應(yīng)的控制信號即可完成各種相應(yīng)的動作.

3.6 開關(guān)門模塊

電梯的開關(guān)門由控制器輸出開門或關(guān)門信號給門機(jī)實(shí)現(xiàn)，分為開門和關(guān)門兩個(gè)環(huán)節(jié).

開門環(huán)節(jié)包括6種情況:（1）電梯自動運(yùn)行停車時(shí)的開門；（2）呼梯開門；（3）電梯關(guān)門過程中重新開門；（4）防夾或超載開門；（5）電梯在檢修時(shí)的開門；（6）電梯在運(yùn)行中禁止開門.

關(guān)門環(huán)節(jié)包括4種情況:（1）自動關(guān)門；（2）提前關(guān)門；（3）檢修關(guān)門；（4）電梯超重時(shí)禁止關(guān)門.

在VHDL程序設(shè)計(jì)中，如電梯工作于檢修狀態(tài)時(shí)，開門由開門按鈕實(shí)現(xiàn)（km＝＇1＇）；電梯自動運(yùn)行時(shí)，開門可由不同的激勵信號激勵（km＝＇1＇or tk＝＇1＇or fjin＝＇1＇or cz－in＝＇1＇or zk1＝＇1＇or zk2＝＇1＇or zk3＝＇1＇or zk4＝＇1＇or zk5＝＇1＇or zk6＝＇1＇），它們分別對應(yīng)于上述不同的開門情況，而每個(gè)激勵信號都有相應(yīng)的產(chǎn)生進(jìn)程.

3.7 故障處理及數(shù)碼管顯示

當(dāng)電梯出現(xiàn)安全條件故障時(shí)，數(shù)碼管交替顯示0、1；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)碼管交替顯示0、2；當(dāng)出現(xiàn)門過長時(shí)間未關(guān)或出現(xiàn)關(guān)門或開門無法到位時(shí)，數(shù)碼管交替顯示0、3；當(dāng)電梯出現(xiàn)超重現(xiàn)象時(shí)，數(shù)碼管交替顯示0、4；當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上故障時(shí)，數(shù)碼管交替顯示0、5；當(dāng)以上情況均未出現(xiàn)時(shí)，電梯處于正常運(yùn)行狀態(tài)，則顯示當(dāng)前位置（層樓）信息.層樓信號處理模塊輸出的層樓信號或故障顯示信號需要再經(jīng)過譯碼，才能輸出給數(shù)碼管顯示.

3.8 頂層設(shè)計(jì)實(shí)體

頂層設(shè)計(jì)實(shí)體如圖2所示，圖中包含了上述7個(gè)模塊之間的連接及輸入輸出端口.

圖2 電梯頂層設(shè)計(jì)實(shí)體圖

4 仿真驗(yàn)證

電梯控制器的主要仿真結(jié)果如下:如圖3所示，電梯處于1樓，1樓有乘客按上召喚按鈕，電梯自動開門，乘客進(jìn)入轎廂按下了4樓的轎內(nèi)按鈕，過了4s后電梯自動關(guān)門，電梯啟動，在電梯到達(dá)2樓之前，又有乘客分別按下了2樓下召喚按鈕和3樓上召喚按鈕，而當(dāng)電梯運(yùn)行至2樓時(shí)因?yàn)檫\(yùn)行方向與召喚信號不一致，電梯不會停站，而當(dāng)電梯到達(dá)3樓時(shí)，運(yùn)行方向與召喚信號一致，電梯停站（順向截梯），停站時(shí)間到后繼續(xù)向上，然后到達(dá)4樓，在4樓停站.

圖3 電梯運(yùn)行仿真圖

圖4仿真電梯在不同時(shí)間出現(xiàn)故障的情況.0.5s到3.5s，電梯安全窗未關(guān)上（aqc－in為高電平），出現(xiàn)安全故障，smg－gzc交替輸出＇＠＇和＇g＇，即數(shù)碼管交替顯示0和1；4.5s到7.5s，變頻器出現(xiàn)故障（bg－in為高電平），smg－gzc交替輸出＇＠＇和＇m＇，即數(shù)碼管交替顯示0和2；在8.5s的時(shí)候有人按下1樓上召喚按鈕（sza1－in出現(xiàn)脈沖），電梯開門（km－kgm 有效為高電平），km－kgm有效10s后，電梯仍未開門到位（kd－in無效為低電平），出現(xiàn)門故障，smg－gzc交替輸出＇＠＇和＇3＇，即數(shù)碼管交替顯示0和3；24.5s到28s，電梯出現(xiàn)超重現(xiàn)象，smg－gzc交替輸出＇＠＇和＇%＇，即數(shù)碼管交替顯示0和4；21.5s到24.5s，電梯既有門故障又有超重現(xiàn)象，smg－gzc交替輸出＇＠＇和＇9＇，即數(shù)碼管交替顯示0和5.

圖4 電梯故障仿真圖

5 結(jié) 語

本文實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的6層6站電梯控制器設(shè)計(jì)，能夠完成如檢修／自動運(yùn)行、開關(guān)門、順向截梯、最遠(yuǎn)端反向截梯、指令和召喚處理、故障處理等電梯的所有功能.采用模塊化多進(jìn)程的控制原理實(shí)現(xiàn)電梯控制器的模塊設(shè)計(jì)，然后根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)方式進(jìn)行各模塊的組合.仿真結(jié)果表明系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能實(shí)現(xiàn)電梯控制器的各項(xiàng)功能，具有較強(qiáng)的靈活性、抗干擾性和良好的擴(kuò)展性.

［1］劉巖飛.基于Altera FPGA／CPLD的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［2］劉福奇.FPGA嵌入式項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［3］王文濤，王 建，朱順安.基于FPGA的女書文字切割技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.中南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，30（1）:96－100.

［4］高迎慧，侯忠霞，楊成林.基于FPGA的自動升降電梯控制器設(shè)計(jì)［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25（4）:242－244.

［5］陳兆芳.基于FPGA的電梯控制系統(tǒng)［J］.福建電腦報(bào)，2010（7）:164.

［6］賀敬凱，王瑞春，萬學(xué)元，等.基于FPGA的電梯控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，8（6）:57－60.