基于CPLD和VHDL的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著社會(huì)的發(fā)展。使用電梯越來(lái)越普遍，已從原來(lái)只在商業(yè)大廈、賓館過(guò)渡到在辦公室、居民樓等多種建筑中，并且對(duì)電梯功能的要求也不斷提高，其相應(yīng)控制方式也在不斷發(fā)生變化。電梯的微機(jī)化控制主要有：PLC控制、單板機(jī)控制、單片機(jī)控制、單微機(jī)控制、多微機(jī)控制和人工智能控制等。隨著EDA技術(shù)的快速發(fā)展，PLD器件已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)與控制的各個(gè)方面。這里使用CPLD器件，采用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)一個(gè)16 樓層單個(gè)載客箱的電梯控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)具有使用安全可靠，功能全面的特點(diǎn)，方便人們生活。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)采用單片CPLD器件實(shí)現(xiàn)一個(gè)多樓層單個(gè)載客箱的電梯控制器，該控制器可控制電梯完成 16個(gè)樓層的載客服務(wù)，而且遵循方向優(yōu)先的原則，能夠提前關(guān)電梯門(mén)和延遲關(guān)電梯門(mén)、提供電梯運(yùn)行的開(kāi)關(guān)控制鍵同時(shí)指示電梯運(yùn)行情況、樓層間的運(yùn)行時(shí)間以及電梯所在樓層的等待時(shí)間。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，并考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可驗(yàn)證性，整個(gè)系統(tǒng)的輸入、輸出接口設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　各輸入端口的功能如下：

　　CLKIN：基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，為系統(tǒng)提供2 Hz的時(shí)鐘脈沖，上升沿有效;

　　UPIN：電梯上升請(qǐng)求鍵。由用戶(hù)向電梯控制器發(fā)出上升請(qǐng)求。高電平有效;

　　DOWNIN：電梯下降請(qǐng)求鍵，由用戶(hù)向電梯控制器發(fā)出下降請(qǐng)求，高電平有效;

　　ST_CH[2..0]：樓層選擇鍵人鍵，結(jié)合DIRECT完成樓層選擇的鍵入，高電平有效;

　　CLOSE：提前關(guān)門(mén)輸入鍵.可實(shí)現(xiàn)無(wú)等待時(shí)間的提前關(guān)門(mén)操作，高電平有效;

　　DELAY：延遲關(guān)門(mén)輸入鍵?？蓪?shí)現(xiàn)有等待時(shí)間的延遲關(guān)門(mén)操作，高電平有效;

　　RUN STOP：電梯運(yùn)行或停止開(kāi)關(guān)鍵。可實(shí)現(xiàn)由管理員控制電梯的運(yùn)行或停止，高電平有效。

　　以下為輸出端口：

　　LAMP：電梯運(yùn)行或等待指示鍵，指示電梯的運(yùn)行或等待狀況。高電平有效;

　　RUN_WAIT[3…0]：電梯運(yùn)行或等待時(shí)間指示鍵，指示電梯運(yùn)行狀況或等待時(shí)間的長(zhǎng)短，高電平有效;

　　ST_OUT[3…0]：電梯所在樓層指示數(shù)碼管，指示電梯當(dāng)前所在的樓層數(shù)。即1"16層，高電平有效;

　　DIRECT[3…0]：樓層選擇指示數(shù)碼管，指示用戶(hù)所要選擇的樓層數(shù)，高電平有效。

　　該設(shè)計(jì)中，電梯的控制狀態(tài)包括運(yùn)行狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)及等待狀態(tài)，其中運(yùn)行狀態(tài)又包含向上和向下?tīng)顟B(tài)。主要?jiǎng)幼饔虚_(kāi)、關(guān)門(mén)，?？亢蛦?dòng)。乘客可通過(guò)鍵入開(kāi)、關(guān)門(mén)按鈕，呼喚按鈕，指定樓層按鈕控制電梯。因此，整個(gè)電梯控制器應(yīng)包括5個(gè)組成部分：時(shí)序輸出及樓選計(jì)數(shù)器;電梯服務(wù)請(qǐng)求處理器;電梯升降控制器;上升及下降寄存器和電梯次態(tài)生成器，圖2為電梯控制器系統(tǒng)框圖。圖3為電梯控制器的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)。

　　從程序中可以看到，若第3層用戶(hù)發(fā)送上升/下降請(qǐng)求。則電梯處于等待狀態(tài);若第3層用戶(hù)沒(méi)有發(fā)送上升/下降請(qǐng)求，且4～16層的用戶(hù)發(fā)送上升，下降請(qǐng)求，或者1.2層的用戶(hù)沒(méi)有發(fā)送任何請(qǐng)求，則電梯處于上升狀態(tài);反之，電梯處于下降狀態(tài)。

　　程序設(shè)計(jì)中采用方向優(yōu)先原則，即若電梯處于上升狀態(tài)，即使有1，2層用戶(hù)發(fā)出上升/下降請(qǐng)求，電梯也不響應(yīng)，而繼續(xù)上升，直到響應(yīng)完所有4～16層用戶(hù)的請(qǐng)求后，再下降;反之，若電梯處于下降狀態(tài)，即使4～16用戶(hù)發(fā)出上升/下降請(qǐng)求，電梯也不響應(yīng)，繼續(xù)下降，直到響應(yīng)完所有用戶(hù)的請(qǐng)求后再上升。

　　(4)P4進(jìn)程該進(jìn)程主要完成電梯運(yùn)行樓層計(jì)數(shù)及提前/延遲關(guān)門(mén)控制。

　　3 VHDL源程序的仿真

　　系統(tǒng)程序編寫(xiě)完畢后，在MAX+pluslI軟件環(huán)境下對(duì)其編譯仿真。其仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

　　圖4中，輸入信號(hào)為：UPIN，ST_CH，RUN_STOP，DOWNIN，DELAY，CLOSE和CLKIN;輸出信號(hào)為：ST_OUT， RUN_WAIT，LAMP，DIRECT，DIR，LIFTOR和WAI_T。當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，若WAI_T=0，則它的下一狀態(tài)為6;因 DELAY信號(hào)始終為低電平，故WAI_T依次自減1計(jì)數(shù)。RUN_WAIT是WAI_T和0的并置運(yùn)算，故其值和WAI_T相同。

　　當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，DIR進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，且當(dāng)DIR=0XF時(shí)，DIR的下一狀態(tài)值為0。與此同時(shí)，DIR加1并賦值給DIRECT。

　　當(dāng)LAMP為低電平時(shí)，電梯處于等待狀態(tài)，故LIFTOR保持其原值不變保持0和3不變;當(dāng)LAMP為高電平時(shí)，電梯處于運(yùn)行狀態(tài)，因UPIN始終為高電平，DOWNIN始終為低電平，故當(dāng)RUN_STOP為高電平時(shí)，電梯只能處于上升狀態(tài)，故LIFFOR進(jìn)行自加1計(jì)數(shù)，同時(shí)，LIFTOR加1賦值給 ST_OUT。

　　4 硬件實(shí)驗(yàn)

　　在MAx+plusII軟件編譯完后，采用EPM7128SLC84-6器件下載VHDL源程序，進(jìn)行硬件試驗(yàn)。

　　其下載步驟為：首先，指定采用可編程器件EPM7128SLC84-6;其次，依據(jù)輸入、輸出端口指定與之對(duì)應(yīng)的引腳;然后，使用Pof2Jed軟件將編譯后的下載文件*.Pof。轉(zhuǎn)換成*.Jed文件;最后，使用Atmel ISP軟件將轉(zhuǎn)換后的*.Jed文件轉(zhuǎn)換成*.Chn文件。

　　硬件系統(tǒng)試驗(yàn)表明，輸出信號(hào)的顯示與軟件仿真結(jié)果完全相符，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　5 結(jié)論

　　該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，成功編譯并仿真VHDL源程序，且對(duì)仿真圖進(jìn)行合理分析。在硬件實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)VHDL源程序進(jìn)行成功下載，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與軟件仿真結(jié)果完全相符，從而證明電梯運(yùn)行控制器的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足系統(tǒng)功能要求。