FPGA 串行通信电梯的研究

陈堂敏，孙凤涓

（1.江苏省光伏风电控制工程技术研发中心，江苏 苏州，215009；2.苏州经贸职业技术学院机电系，江苏 苏州，215009）

1 前言

传统的电梯控制系统都是由继电控制或PLC控制构成主控制器，形成集中控制系统，由主控制器对各楼层的外呼、电梯轿箱的内呼、电梯平层、门控系统、安全防护系统及显示系统进行集中运算与控制。这种集中控制系统存在着许多缺陷，一是控制柜体积庞大，响应速度慢，系统扩展性差，不利于高层电梯控制；二是需要的线缆数量多，接线繁杂，井道中电缆纵横交错，线头多，可靠性差，不利于维修；三是每一种楼层的电梯的控制系统都需要单独设计，楼层越多，控制器所需要的点数就越多，研发费和造价高昂，通用性差。[1]为了克服以上缺陷，伴随着串行通信的出现和应用，串行通信技术也在电梯控制系统得到了迅速而广泛的应用。通过分布式控制模式，将电梯控制划分为若干个子控制模块：如内呼控制模块、楼层外呼控制模块和主控制等模块。将各模块通过标准总线构成一个完整的电梯控制系统，在分布式控制架构下，大大节省了控制线缆的数量，将控制工作分配到各个模块，减少了主控制模块的工作量，增加了控制速度。在电梯的楼层发生变化时，控制系统可以随着楼层的变化，不需要改变主控制模块和内呼控制模块，只需要在总线上增加挂接外呼模块和改变主控模块内的控制软件，即可扩展控制的楼层，使扩展性得到极大的改善。并随着线缆和接头的减少，可靠性也得到了很大提高，同时降低了系统的研发与制造费用，使串行通信在电梯中得到迅猛发展。[2]但是由于单片微机本身的一些缺点，如复位工作方式、低速、PC 的“跑飞”、开发周期长，使电梯的实时性和可靠性受到了限制。[3]然而，可编程逻辑FPGA 具有并行处理、硬件逻辑控制方式、开发工具标准化、并可应用不同的软件改变硬件逻辑控制功能的特点，使得所构成的控制系统相比单片机控制系统，处理速度更快和可靠性更高，适合电梯控制模块的要求，使得采用基于EDA 技术的可编程逻辑FPGA 为核心的电梯控制系统具有广阔的应用前景。本文研究了采用FPGA的串行通迅电梯控制系统的实现方法，并给出了采用FPGA 的串行通迅设计方法。

2 电梯串行通信结构

图1 单台串行通信电梯结构图

单梯n 层电梯分布式控制系统如图1 所示，由以下几部分组成：1 个主控制器模块、1 个轿箱内呼控制模块、语音控制模块、内呼操作盘模块、安全防护控制模块和n 个外呼控制模块。主控制模块与其它各模块之间通过RS485 总线连接，形成1 对n 的主从分布式控制网络，连接外呼模块的总线固定在电梯井道壁上，连接电梯轿箱内呼、安防、语音和操作盘模块的总线电缆要随电梯轿箱的上下移动而运动，因此需要配备高强度并且足够长度的总线电缆，该设计最多可以控制48 层的电梯。[4]

此外, 主控制器还带有一个RS—232 监控接口、连接Modem 后，可以与电话网络连接、实现电梯远程监控。当对电梯实现集群控制时，由主控制器的主控开关决定一台电梯的主控制器处于群控主控地位，其它电梯的主控制器处于从属地位，各主控制器通过RS485 总线相连接，实现群控制电梯的最优控制，提高各台电梯的运行效率。两台电梯的并联运行时，结构图如图2 所示。

图2 串行通信电梯并联运行结构图

由图1 和图2 可以看到，RS—485 接口通常最少需要3 个，如采用顺序扫描所有的从控制器和顺序执行控制程序，所花的时间比较长，影响控制的时实性和可靠性。而FPGA 具有并行控制的特性，可以同时对各个RS—485 接口进行扫描，并同时进行逻辑控制，可以实时控制电梯，提高了电梯的可靠性。

3 FPGA 的串行通信接口的设计

FPGA 的串行通信接口采用层次化的设计方法，自顶向下进行设计，其总模块如图3 所示。串行通信接口分为：信息接收控制模块、信息发送控制模块与波特率产生模块三个部分。[5]

图3 FPGA 串行通信接口总模块

3.1 波特率产生器的设计

波特率产生器是根据系统时钟即晶振时钟进行分频，分频的倍数可以根据串行通信的速率进行确定。并且可以使用VHDL 的GENERIC 语句对分频倍数进行更改。在确定分频倍数时，所设计的波特率产生器输出的速率不是串行通信的速率，而是串行通信速率的16 倍，这样才可以对串行通信的速率进行精确的定位，保证串行通信的可靠性。其程序比较简单，由于篇幅所限，省略。

3.2 接收模块的设计

由于串行通信是异步通信，因此，就要准确判断一帧数据的起始位，异步串行通信规定，当数据由1 变为0 时，认为接收到了起始位，但外界的干扰也会造成短暂数据由1 变0，为了消除外界的干扰，提高传输数据的可靠性，通信必须在起始位到数据位之间的一半时间内接收到0，才能确认接收到正确的起始位，即波特率产生模块产生的8 个脉冲时间内都是0 时，确认接收到了正确的起始位，开始传输数据。数据位和奇偶校验位将每隔16个内部采样时钟周期被采样一次。[6]

如图4 所示，是接收模块的接收状态机。一共有5 个状态：r_Start（等待起始位）、r_Center（求中点）、r_Wait（等待采样）、r_Sample（采样）、r_Stop（停止位接收）。

图4 串行通信接口接收状态图

其程序如下：

3.3 发送模块的设计

发送数据协议为第1 位为起始位，后面跟着发8 位数据位，一组数据发完后，再发展一位停止位和1 位奇偶校验位，每一位的发送时间为16 个时钟脉冲。如图5 所示，是发送模块的发送状态机。其程序比较简单，由于篇幅所限，省略。

图5 串行通信接口发送状态图

4 . 串行通信电梯的控制原理和功能

在图1 中，显示了通过总路线RS485 构成的主从控制框架的电梯集成控制系统，中心控制模块是主控制模块，其它从控制模块如轿箱内呼控制模块、语音控制模块、内呼操作盘模块、安全防护控制模块和外呼控制模块，统一挂接在总线上，并被分配相应的地址，主控制模块通过发出应答地址，选中相应地址的从控制模块，从控制模块做出应答，构通相应的通信通道，进行信息交换，为了保证数据交换的准确性，采用了奇偶校验技术。在电梯主从控制系统中，为了进一步提高控制速度，主控制模块设置了三个RS485 总线接口，一个控制所有外呼控制模块的通信，一个控制多台电梯间的通信，另一个控制轿箱信号和安全防护控制模块的通信，三个RS485 总线可以同时分别工作，互不干扰。

通过应用FPGA 可编程器件实现串行通信电梯的控制，使电梯控制系统具有如下功能和特点：

（1）井道全程通过脉冲编码器进行计数，省掉井道中的上下换速信号，安装调试方便；

（2）多种运行保护措施，电梯运行更加安全；

（3）电梯的内选、外呼信号的输入按钮和输出指示灯、楼层显示通过RS—485 总线进行连接，使接线大大减少。节省了成本，也减少了安装调试时间；

（4）控制柜间通过串行通信可以实现电梯的群控，提高了运行效率；

（5）可以进行远程监控；

（6）拖动系统采用进口矢量控制变频器，使运行舒适感和平层精度都得到了改善，并且基本不受环境温度等条件的影响。

（7）具有并行控制的特性，可以同时对各个RS—485 接口进行扫描，并同时进行逻辑控制，可以实时控制电梯，提高了电梯的可靠性。

（8）最多可实现48 层站电梯的控制，并可根椐用户的要求增加并联。

通过以上设计，实现了高可靠性，性能优越的电梯控制系统。

5 .结语

通过应用FPGA 可编程逻辑控制器，构建了电梯主从控制系统，该系统主控模块有三个RS485 接口，FPGA 具有并行控制的特性，可以同时对各个RS—485 接口进行扫描，并同时进行逻辑控制，可以实时控制电梯，提高了电梯的可靠性；构成的控制系统既具有软件控制的柔性化，又具有数字逻辑电路的快速特性，使电梯控制系统具有运行可靠、安装调试方便、适用范围广的特点；降低了开发费用，提高了系统的可拓展性与适应性，具有很好的推广价值。