基于CPLD的电梯控制器的设计完整论文.pdf

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基于CPLD的电梯控制器的设计完整论文pdf,基于CPLD的电梯控制器的设计完整论文
CPLD based design of elevator controller abstract As the development of technical microcomputer on elevator controller lay by day widespread, now already entered the time which the entire microcomputer controls. At present the lift control system ma inly has the follow ing several forms: (1 PLC control system; (2 Microcomputer control systcm; CPLD control systcm. As the EDA technical fast devclopment CPLD has been widcly used in communications, acrospace, med ical electronics, industrial control and other fields This design use d cpld to realize tthe elevator control, Introduce the design of elevator controller based on the CPld, has carried on the software simulation and hard ware circuit's realization The elevator controller follows the direction first principle, realized 8 floors passengers multiuser and multi duties service, and instructed elevator's operational aspect. System anti- jamming, the movement is stable and accurate, the system design and the debugging cycle are short, on the side service and system upgrade are convenient Keyword: CPLD VHDL ele vator controller state machine 目录 摘要 Abstract......,,,,,,,,,,,, 第一章前言. 1课题研宄背景 1.2国内外发展状况和存在问题. 3电梯控制器的研究意义 ·· 1.4课题主要研究工作. 第二章控制系统的设计方案. 4 第三章CPLD控制器及其开发 3.1CPLD心片的发展 ··春春春垂 3.2 MAX II器件的介绍和结构原理 3.3控制器EM240T100C5介绍. ·鲁 3.4CPLD开发所需硬件条件 3.5CPLD编程语言的介绍 ,,,,,10 3.6状态机的介绍 3.7 Quartus ll7.2软件的介绍. 3.8本章小结 第四章系统硬件设计. ,,,,,,,,,,,,,13 4.1系统供电电源电路设计 4.2CPLD供电电源电烙设计. ,,,,,13 4.3系统分频电路设计 14 4.4JTAG接口电路设计 ,14 4.5电梯门外电路设计. 4.6电梯门内电路设计 ,16 4.7PCB电路板抗干扰设计. 4.8本章小结. 第五章软件系统设计. ......,19 5.1分频模块设计 19 5.2主控模块设计 19 III 5.3顶层文件设计...20 5.4本章小结 21 第六章结果与分析 ,,,,,,,22 6.1程序编译报告. 22 6.2时序仿真和功能仿真结果. 6.3系统实际运行结果. 24 6.4本章小结 垂··· 垂·● 第七章设计总结与展望. 26 7.1设计总结 26 7.2工作展望 26 第八章结束语. 27 参考文献. 28 附录一电梯控制系统图 29 附录二系统部分程序 30 致谢 38 第一章前言 1.1课题研究背景 电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的生活和工作日益紧密联系。在 电梯的几种控制形式中PLC控制系统运行可靠性髙,抗干扰性强,但控制方式不 灵活、开发成本较高;微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能,但存在抗 干扰性差,系统设计复杂,一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷;而CPL控 制系统集合了以上两种控制系统的优点:运行可靠性高,抗干扰性强,设计和调 试周期较短,开发成本低等,越来越受开发人员的重视,目前已成为电梯控制系 统屮使用最多的控制方式,广泛用于对传统继电器控制系统的技术改造。CPLD是 种专门从事逻辑控制的复杂可编程逻辑器件,自90年代后期CPLD引入我国电 梯行业以来,由于CPLD的性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活和仿真精度高 等特点,出CPLD组成的电梯控制系统逐渐被众多电梯生产厂商普遍采用,并形成 了一系列的定型产品。电梯系统分为调速部分和逻辑控制部分,调速部分的性能 对电梯运行是乘客的舒适感有着重要的影响,而逻辑控制部分则是电梯安全可靠 运行的关键。为了改善电梯的舒适感和运行的可靠性,现在都改为用CPLD来控制 电梯的运行,这样人大提高了电梯的性能。CPLD的规模比较人,适合于时序、组 合等逻辑电路应用场合,它可以代替几十块甚至上百块通用IC芯片,这样的CPLD 实际上就是一个子系统部件。这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点 CPLD芯片及其开发系统问世不久就受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注 和普遍欢迎。 2国内外发展状况和存在问题 当今世界,电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程 度的标志之一。世界上知名的几家电梯公司,诸如:美国奥梯斯公司、瑞士讯达公 司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等,其电梯的产量已占世界市场的51%。 电梯是集机电一体的复杂系统,不仅涉及机槭传动、电气控制和建筑等工程 领域,还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对现代电梯而言,应具有高度 的安全性。事实上,在电梯系统中己经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的 时候,对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。然而,只 有电梯的制造、安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量,才能全面保证电 梯的最终髙质量。在国外,己“法规”实行电梯制造、安裝和维修一体化,实行 由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队和维修单位,承担安装调试、定期 维修和检查测试,从而为电梯运行的可靠性和安仝性提供了保证。因此,可以说 乘坐电梯是比较安全。美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学 计算,其结论是:乘电梯比走楼梯安全5倍 我国的电梯行业的发展经历了以下几个阶段 (1)对进口电梯的销售、安装、维修阶段(1900~1949年),这一阶段我国电 梯拥有量仅约1100多台; (2)独立自主、艰苫研制、生产阶段(1950~1979年),这一阶段我国共生 产、安装电梯约1万台; (3)建立三资企业,行业快速发展阶段(自1980年至今),这一阶段我国共 生产、安装电梯约40万台。目前,我国已成为世界最大的新装电梯市场和最大的 电梯生产国。 截止到2007年底,中国大陆在用电梯总数达917313台,成为世界电梯保有 量大国之一;2007年中国大陆共制造电梯21.6万台,比上年增长28.6%,继续高 速增长。这个产量超过了全球电梯产量的40%,中国大陆继续保持全球最大的电梯 生产基地。行业专家认为:2009年中国大陆电梯产量将“继续增长,但增幅放缓” 目前我国电梯行业面临的问题:原材料成本制约、旧电梯的技术改造、新型电 梯技术更新和维修、运行可靠性和安全性等。 3电梯控制器的研究意义 随着科学技术发展,几年来,我国的电梯生产技术得到了快速的发展。电梯 生产商也在不断改进电梯的设计、修改工艺,生产更加新型的电梯。目前电梯控 制系统主要有三种控制方式:PC控制系统、微机控制系统、CPLD控制系统。我 国七八十年代安装的大部分电梯采用继电器接触器控制系统,线路复杂,接线多, 控制系统体积庞大,故障率高,维修保养难。为了提高电梯的运行质量,节约电 能资源,减少生产成本和维修成本,需要对旧控制系统的电梯进行技术改造。因 此,研究基于CPLD的电梯控制器的设计具有十分重要的意义。 1.4课题主要研究工作 (1)介绍CPID控制器发展以及其芯片结构原理,着重说明了本文所用到的 A1tera公司生产的 MAX II系列的CPLD(EPM240T100C5)芯片的主要特性。 (2)从高性能和实用性角度出发,以CPLD为核心,应用状态机设计技术, 建立了基于EPM240T100C5的电梯控制系统。并进行了CPLD外围电路电路和整个 电梯控制系统硬件电路设计。 (3)采用超髙速集成电路硬件描述语言(ⅦDL),描述分频程序和主控程 (4)在α uarutus li7.2软件上进行软件仿真,并且综合硬件电路综合验 证 第二章控制系统的设计方案 电梯控制器是按照乘客的要求自动上升、下降的装置。系统的结构框图,如图2 (1)每层楼入口处设置上下请求按键,电梯内设有乘客到达楼层的停站请求 按键。 (2)CPLD内部寄存器能够记忆电梯内外所有的请求信号,并且按照电梯运行 规则顺序响应,每个请求信号保留到有电梯响应后清除。 (3)电梯每秒升降层楼,到达有停站请求的楼层,经过1S电梯门打丌,开 门4S后电梯门自动关上,电梯继续运行,直到执行完最后一个请求信号后停留在 当前楼层。 (4)LED灯显示电梯上下运行状态和门开关状态,数码管显示电梯当前所在 楼层 (5)电梯运行规则:当电梯在上升时,只响应比电梯所在位置高的上楼请求 信号,有下而上逐个执行,直到最后一个上楼请求执行完毕;如果高层有下楼请 求,则电梯直接升到下楼请求的最髙楼层,然后进入下降模式。当电梯处于下降 模式与上升模式相反。 楼层显示 电梯外请求|匚少 运行状态显示 寄存器 CPLD 电梯内请求 门状态显示 图2-1系统的结构框图 第三章CPLD控制器及其开发 Altera在15年来CPLD领导和创新的基础之上,2004年推出了迄今为止成本 最低的 CPLD MAX II器件。 MAX II器件采用全新的体系结构,在所有的CPLD系列 中具有最低的单位I/0成本和最低的功耗。 MAX II系列即用非易失的器件系列价 格是其它CPLD的一半, MAX II器件除了提供最低成本的传统CPLD设计之外,还 为更大容量的设计改善了成本和功耗,能够替代成本更高或功率更高的FPGA、ASSP 和标准逻辑器件。MAX∏器件基于成本优化的六层金属0.18μ m FLash工艺,其 功率只有以往MAX器件的十分之一。本章将介绍 MAX LI系列CPLD控制芯片发展 过程以及开发 3.1cPLD芯片的发展 可编程逻辑器件PLD( Programmable logicDevices)是20世纪70年代发展 起来的一种新的集成器件。PLD是大规模集成电路技术发展的产物,是一种半定制 的集成电路,结合计算机软件技术(EDA技术)可以快速、方便地构建数字系统。 可编程逻辑器件大致的演变过程如下: (1)20世纪70年代,熔丝编程的PROM和PLA器件是最早的可编程逻辑器件。 (2)20世纪70年代末,对PLA进行改进,AMD公司推出了PAL (3)20世纪80年代初, Lattice公司发明电可擦写的、比PAL使用更灵活的 GAL器件。 (4)20世纪80年代中, Xilinx公司提出现场可编程概念,同时生产出了世 界上第一片FFGA器件。同一时期, Altera公司推出EPLD器件,较GAP有更高的 集成度,可以用紫外线或电擦写 (5)20世纪80年代末, Lattice公司又推出了在系统可编程技术,并且推出 了一系列具备在系统可编程能力的CPLD器件,将可编程器件的性能和应用技术推 向一个全新的高度。 (6)20世纪90年代后,可编程集成电路技术进入飞速发展时期。器件的可用 逻辑门数超过了百万门,并岀现了内嵌复杂逻辑功能模块(如加法器、乘法器、RAM CPL核、DSP核、PLL等)的SoPC。

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