陳堂敏，孫鳳涓

（1.江蘇省光伏風(fēng)電控制工程技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 蘇州，215009；2.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，江蘇 蘇州，215009）

1 前言

傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)都是由繼電控制或PLC控制構(gòu)成主控制器，形成集中控制系統(tǒng)，由主控制器對各樓層的外呼、電梯轎箱的內(nèi)呼、電梯平層、門控系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)進(jìn)行集中運(yùn)算與控制。這種集中控制系統(tǒng)存在著許多缺陷，一是控制柜體積龐大，響應(yīng)速度慢，系統(tǒng)擴(kuò)展性差，不利于高層電梯控制；二是需要的線纜數(shù)量多，接線繁雜，井道中電纜縱橫交錯，線頭多，可靠性差，不利于維修；三是每一種樓層的電梯的控制系統(tǒng)都需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，樓層越多，控制器所需要的點(diǎn)數(shù)就越多，研發(fā)費(fèi)和造價(jià)高昂，通用性差。[1]為了克服以上缺陷，伴隨著串行通信的出現(xiàn)和應(yīng)用，串行通信技術(shù)也在電梯控制系統(tǒng)得到了迅速而廣泛的應(yīng)用。通過分布式控制模式，將電梯控制劃分為若干個子控制模塊：如內(nèi)呼控制模塊、樓層外呼控制模塊和主控制等模塊。將各模塊通過標(biāo)準(zhǔn)總線構(gòu)成一個完整的電梯控制系統(tǒng)，在分布式控制架構(gòu)下，大大節(jié)省了控制線纜的數(shù)量，將控制工作分配到各個模塊，減少了主控制模塊的工作量，增加了控制速度。在電梯的樓層發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)可以隨著樓層的變化，不需要改變主控制模塊和內(nèi)呼控制模塊，只需要在總線上增加掛接外呼模塊和改變主控模塊內(nèi)的控制軟件，即可擴(kuò)展控制的樓層，使擴(kuò)展性得到極大的改善。并隨著線纜和接頭的減少，可靠性也得到了很大提高，同時降低了系統(tǒng)的研發(fā)與制造費(fèi)用，使串行通信在電梯中得到迅猛發(fā)展。[2]但是由于單片微機(jī)本身的一些缺點(diǎn)，如復(fù)位工作方式、低速、PC 的“跑飛”、開發(fā)周期長，使電梯的實(shí)時性和可靠性受到了限制。[3]然而，可編程邏輯FPGA 具有并行處理、硬件邏輯控制方式、開發(fā)工具標(biāo)準(zhǔn)化、并可應(yīng)用不同的軟件改變硬件邏輯控制功能的特點(diǎn)，使得所構(gòu)成的控制系統(tǒng)相比單片機(jī)控制系統(tǒng)，處理速度更快和可靠性更高，適合電梯控制模塊的要求，使得采用基于EDA 技術(shù)的可編程邏輯FPGA 為核心的電梯控制系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。本文研究了采用FPGA的串行通迅電梯控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并給出了采用FPGA 的串行通迅設(shè)計(jì)方法。

2 電梯串行通信結(jié)構(gòu)

圖1 單臺串行通信電梯結(jié)構(gòu)圖

單梯n 層電梯分布式控制系統(tǒng)如圖1 所示，由以下幾部分組成：1 個主控制器模塊、1 個轎箱內(nèi)呼控制模塊、語音控制模塊、內(nèi)呼操作盤模塊、安全防護(hù)控制模塊和n 個外呼控制模塊。主控制模塊與其它各模塊之間通過RS485 總線連接，形成1 對n 的主從分布式控制網(wǎng)絡(luò)，連接外呼模塊的總線固定在電梯井道壁上，連接電梯轎箱內(nèi)呼、安防、語音和操作盤模塊的總線電纜要隨電梯轎箱的上下移動而運(yùn)動，因此需要配備高強(qiáng)度并且足夠長度的總線電纜，該設(shè)計(jì)最多可以控制48 層的電梯。[4]

此外, 主控制器還帶有一個RS—232 監(jiān)控接口、連接Modem 后，可以與電話網(wǎng)絡(luò)連接、實(shí)現(xiàn)電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)對電梯實(shí)現(xiàn)集群控制時，由主控制器的主控開關(guān)決定一臺電梯的主控制器處于群控主控地位，其它電梯的主控制器處于從屬地位，各主控制器通過RS485 總線相連接，實(shí)現(xiàn)群控制電梯的最優(yōu)控制，提高各臺電梯的運(yùn)行效率。兩臺電梯的并聯(lián)運(yùn)行時，結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 串行通信電梯并聯(lián)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

由圖1 和圖2 可以看到，RS—485 接口通常最少需要3 個，如采用順序掃描所有的從控制器和順序執(zhí)行控制程序，所花的時間比較長，影響控制的時實(shí)性和可靠性。而FPGA 具有并行控制的特性，可以同時對各個RS—485 接口進(jìn)行掃描，并同時進(jìn)行邏輯控制，可以實(shí)時控制電梯，提高了電梯的可靠性。

3 FPGA 的串行通信接口的設(shè)計(jì)

FPGA 的串行通信接口采用層次化的設(shè)計(jì)方法，自頂向下進(jìn)行設(shè)計(jì)，其總模塊如圖3 所示。串行通信接口分為：信息接收控制模塊、信息發(fā)送控制模塊與波特率產(chǎn)生模塊三個部分。[5]

圖3 FPGA 串行通信接口總模塊

3.1 波特率產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)

波特率產(chǎn)生器是根據(jù)系統(tǒng)時鐘即晶振時鐘進(jìn)行分頻，分頻的倍數(shù)可以根據(jù)串行通信的速率進(jìn)行確定。并且可以使用VHDL 的GENERIC 語句對分頻倍數(shù)進(jìn)行更改。在確定分頻倍數(shù)時，所設(shè)計(jì)的波特率產(chǎn)生器輸出的速率不是串行通信的速率，而是串行通信速率的16 倍，這樣才可以對串行通信的速率進(jìn)行精確的定位，保證串行通信的可靠性。其程序比較簡單，由于篇幅所限，省略。

3.2 接收模塊的設(shè)計(jì)

由于串行通信是異步通信，因此，就要準(zhǔn)確判斷一幀數(shù)據(jù)的起始位，異步串行通信規(guī)定，當(dāng)數(shù)據(jù)由1 變?yōu)? 時，認(rèn)為接收到了起始位，但外界的干擾也會造成短暫數(shù)據(jù)由1 變0，為了消除外界的干擾，提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，通信必須在起始位到數(shù)據(jù)位之間的一半時間內(nèi)接收到0，才能確認(rèn)接收到正確的起始位，即波特率產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的8 個脈沖時間內(nèi)都是0 時，確認(rèn)接收到了正確的起始位，開始傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位將每隔16個內(nèi)部采樣時鐘周期被采樣一次。[6]

如圖4 所示，是接收模塊的接收狀態(tài)機(jī)。一共有5 個狀態(tài)：r_Start（等待起始位）、r_Center（求中點(diǎn)）、r_Wait（等待采樣）、r_Sample（采樣）、r_Stop（停止位接收）。

圖4 串行通信接口接收狀態(tài)圖

其程序如下：

3.3 發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)

發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議為第1 位為起始位，后面跟著發(fā)8 位數(shù)據(jù)位，一組數(shù)據(jù)發(fā)完后，再發(fā)展一位停止位和1 位奇偶校驗(yàn)位，每一位的發(fā)送時間為16 個時鐘脈沖。如圖5 所示，是發(fā)送模塊的發(fā)送狀態(tài)機(jī)。其程序比較簡單，由于篇幅所限，省略。

圖5 串行通信接口發(fā)送狀態(tài)圖

4 . 串行通信電梯的控制原理和功能

在圖1 中，顯示了通過總路線RS485 構(gòu)成的主從控制框架的電梯集成控制系統(tǒng)，中心控制模塊是主控制模塊，其它從控制模塊如轎箱內(nèi)呼控制模塊、語音控制模塊、內(nèi)呼操作盤模塊、安全防護(hù)控制模塊和外呼控制模塊，統(tǒng)一掛接在總線上，并被分配相應(yīng)的地址，主控制模塊通過發(fā)出應(yīng)答地址，選中相應(yīng)地址的從控制模塊，從控制模塊做出應(yīng)答，構(gòu)通相應(yīng)的通信通道，進(jìn)行信息交換，為了保證數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)確性，采用了奇偶校驗(yàn)技術(shù)。在電梯主從控制系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步提高控制速度，主控制模塊設(shè)置了三個RS485 總線接口，一個控制所有外呼控制模塊的通信，一個控制多臺電梯間的通信，另一個控制轎箱信號和安全防護(hù)控制模塊的通信，三個RS485 總線可以同時分別工作，互不干擾。

通過應(yīng)用FPGA 可編程器件實(shí)現(xiàn)串行通信電梯的控制，使電梯控制系統(tǒng)具有如下功能和特點(diǎn)：

（1）井道全程通過脈沖編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)，省掉井道中的上下?lián)Q速信號，安裝調(diào)試方便；

（2）多種運(yùn)行保護(hù)措施，電梯運(yùn)行更加安全；

（3）電梯的內(nèi)選、外呼信號的輸入按鈕和輸出指示燈、樓層顯示通過RS—485 總線進(jìn)行連接，使接線大大減少。節(jié)省了成本，也減少了安裝調(diào)試時間；

（4）控制柜間通過串行通信可以實(shí)現(xiàn)電梯的群控，提高了運(yùn)行效率；

（5）可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；

（6）拖動系統(tǒng)采用進(jìn)口矢量控制變頻器，使運(yùn)行舒適感和平層精度都得到了改善，并且基本不受環(huán)境溫度等條件的影響。

（7）具有并行控制的特性，可以同時對各個RS—485 接口進(jìn)行掃描，并同時進(jìn)行邏輯控制，可以實(shí)時控制電梯，提高了電梯的可靠性。

（8）最多可實(shí)現(xiàn)48 層站電梯的控制，并可根椐用戶的要求增加并聯(lián)。

通過以上設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高可靠性，性能優(yōu)越的電梯控制系統(tǒng)。

5 .結(jié)語

通過應(yīng)用FPGA 可編程邏輯控制器，構(gòu)建了電梯主從控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主控模塊有三個RS485 接口，F(xiàn)PGA 具有并行控制的特性，可以同時對各個RS—485 接口進(jìn)行掃描，并同時進(jìn)行邏輯控制，可以實(shí)時控制電梯，提高了電梯的可靠性；構(gòu)成的控制系統(tǒng)既具有軟件控制的柔性化，又具有數(shù)字邏輯電路的快速特性，使電梯控制系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、安裝調(diào)試方便、適用范圍廣的特點(diǎn)；降低了開發(fā)費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的可拓展性與適應(yīng)性，具有很好的推廣價(jià)值。