基于FPGA的電梯控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著社會(huì)的發(fā)展，電梯的使用越來(lái)越普遍，對(duì)電梯功能的要求也不斷提高，相應(yīng)地其控制方式也在不斷發(fā)生變化。對(duì)于電梯的控制,傳統(tǒng)的方法是使用繼電器-接觸器控制系統(tǒng)進(jìn)行控制,進(jìn)入全微機(jī)化控制的時(shí)代，微型計(jì)算機(jī)在電梯控制上的應(yīng)用日益廣泛。電梯的微機(jī)化控制主要有以下幾種形式：①PLC控制；②單板機(jī)控制；③單片機(jī)控制；④單微機(jī)控制；⑤多微機(jī)控制；⑥人工智能控制。隨著EDA技術(shù)的快速發(fā)展，CPLD/FPGA因其高速處理信號(hào)的能力、可在線編程、易于實(shí)現(xiàn)、開(kāi)發(fā)周期短、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，使FPGA已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)控制的各個(gè)方面。本文就是使用一片Altera公司的EP1K30TC144為控制中心，以VHDL編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)進(jìn)行了電梯控制器的設(shè)計(jì)，并做了仿真。

1 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

電梯控制器[1]的功能：每層電梯入口處設(shè)有上下請(qǐng)求開(kāi)關(guān)；電梯內(nèi)設(shè)有乘客到達(dá)層次的停站請(qǐng)求開(kāi)關(guān)；電梯所處位置指示裝置及電梯運(yùn)行模式指示裝置；電梯每分鐘升降一層樓。電梯到達(dá)有停站請(qǐng)求的樓層后，經(jīng)過(guò)5 s電梯開(kāi)門，開(kāi)門指示燈亮，開(kāi)門10 s后電梯門關(guān)閉，電梯繼續(xù)運(yùn)行，直到運(yùn)行完最后一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)后停在當(dāng)前層;能記憶電梯內(nèi)外所有請(qǐng)求信號(hào)，并按照電梯運(yùn)行規(guī)則依次響應(yīng)，每個(gè)信號(hào)保留至執(zhí)行后消除。

電梯運(yùn)行規(guī)則：遵循方向優(yōu)先的原則，電梯上升時(shí)，只響應(yīng)比電梯所在位置高的上樓請(qǐng)求信號(hào)，由下到上逐個(gè)執(zhí)行，直到最后一個(gè)上樓請(qǐng)求執(zhí)行完畢，如更高層有請(qǐng)求下樓信號(hào)，則直接上升到有下樓請(qǐng)求的最高層，然后進(jìn)入下樓狀態(tài)。電梯下降時(shí)，與上升狀態(tài)規(guī)則相反。

輸入信號(hào)定義：

系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)：reset，高電平有效；
電梯入口處一層、二層的上樓請(qǐng)求開(kāi)關(guān)：upone、uptwo；
電梯入口處二層、三層的下樓請(qǐng)求開(kāi)關(guān)：downtwo、downthree;
電梯內(nèi)部到達(dá)樓層的停站請(qǐng)求開(kāi)關(guān)：one、two、three;
所有輸入信號(hào)的規(guī)定為：1表示有請(qǐng)求，0表示無(wú)請(qǐng)求；

輸出信號(hào)定義：

電梯外部上升和下降請(qǐng)求指示燈：lightup和lightdown，這些信號(hào)與upone、uptwo、downtwo和downthree信號(hào)相對(duì)應(yīng)；
電梯內(nèi)部乘客到達(dá)樓層的停站請(qǐng)求燈：arr，該信號(hào)與one、two和three相對(duì)應(yīng)；
電梯所在樓層指示：p表示電梯在對(duì)應(yīng)樓層；
電梯的運(yùn)行狀態(tài)：lightdown指示向下運(yùn)行，lightup向上運(yùn)行，arr指示電梯的開(kāi)關(guān)門狀態(tài)及是否到達(dá)樓層。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。


2.2頂層電路的設(shè)計(jì)

縱觀各種基于FPGA的電梯控制器，很少有人介紹并使用構(gòu)造體的結(jié)構(gòu)描述方式。即在多層次的設(shè)計(jì)中，高層次的設(shè)計(jì)模塊調(diào)用低層次的設(shè)計(jì)模塊，或者直接使用門電路設(shè)計(jì)單元來(lái)完成一個(gè)復(fù)雜的邏輯電路的描述方法。結(jié)構(gòu)描述方式最能提高設(shè)計(jì)效率，它可以將已有的設(shè)計(jì)成果方便地運(yùn)用到新的設(shè)計(jì)中去。

本系統(tǒng)的頂層電路設(shè)計(jì)就采用構(gòu)造體的結(jié)構(gòu)描述方式。易于實(shí)現(xiàn)，易于糾錯(cuò)，易于修改程序。

上層模塊源程序[4]及注釋：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity total5 is
port(uo,ut,dt,dth：in std_logic--一、二、三層樓電梯外的上下樓請(qǐng)求鍵。
o,t,th:in std_logic;--一、二、三層電梯里的按鍵。
pres:in std_logic;--reset信號(hào)。
clk:in std_logic;--時(shí)鐘信號(hào)，1 MHz。
lightout:out std_logic_vector(6 downto 0);--數(shù)碼管的輸入信號(hào)。
lu,ld:out std_logic;--電梯上升，下降的燈。
arr:out std_logic);--開(kāi)門的燈。
end;
architecture a of total5 is
signal templ0,templ2:std_logic;
signal templ1:integer range 3 to 1;
Signal
temp1,temp2,temp3,temp4,temp5,temp6,temp7:std_logic;
component bigmain--調(diào)用電梯控制模塊。
port(upone,uptwo,downtwo,downthree
:in std_logic;
one,two,three:in std_logic;
reset:in std_logic;
clk,clk2:in std_logic;
p:out integer range 3 to 1;
lightup,lightdown:out std_logic;
arrive:out std_logic);
end component;
component fangdou --調(diào)用防抖動(dòng)模塊。
port(clk:in std_logic;
key:in std_logic;
keyout:out std_logic);
end component;
component fenpin--調(diào)用分頻器模塊。
port(clk:in std_logic;
clk1,clk2:out std_logic);
end component;
component display--調(diào)用譯碼顯示模塊。
port(clk :in std_logic;
light:in integer range 3 to 1;
segout:out std_logic_vector(6 downto 0));
end component;
begin
u1:fenpin port map(clk,templ0,templ2);
u4:fangdou port map(templ0,uo,temp1);
u5:fangdou port map(templ0,ut,temp2);
u6:fangdou port map(templ0,dt,temp3);
u7:fangdou port map(templ0,dth,temp4);
u8:fangdou port map(templ0,o,temp5);
u9:fangdou port map(templ0,t,temp6);
u10:fangdou port map(templ0,th,temp7);
u11:bigmain port map(temp1,temp2,temp3,
temp4,temp5,temp6,temp7,pres,clk,templ2,
templ1,lu,ld,arr);
u12:display port map(clk,templ1,lightout);
end;

2.3主模塊設(shè)計(jì)

控制模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，本設(shè)計(jì)采用狀態(tài)機(jī)[2]的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。依據(jù)電梯的功能要求，這里將電梯的工作分為10個(gè)狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)如圖2所示。(1)控制模塊有兩個(gè)進(jìn)程：k1控制輸入，無(wú)論電梯在什么狀態(tài)均能接收用戶的輸入請(qǐng)求，該進(jìn)程由1 MHz的時(shí)鐘觸發(fā)；k2控制電梯的升、降、停留，該程序由1 Hz的時(shí)鐘觸發(fā)。(2)進(jìn)程k1是由1MHz的時(shí)鐘作為觸發(fā)沿，不斷地檢測(cè)用戶是否有輸入請(qǐng)求，對(duì)于一、二、三層信號(hào)，分別有flag1、flag2、flag3和clear1、clear2、clear3兩套標(biāo)志位來(lái)控制輸入請(qǐng)求是否有效，是否應(yīng)該對(duì)標(biāo)志位清零。程序有兩個(gè)表示電梯的狀態(tài)：一是位置狀態(tài)，二是運(yùn)行狀態(tài)。


3 電梯控制系統(tǒng)仿真

電梯控制系統(tǒng)的仿真[3]波形如圖3所示，由仿真波形可以看出，當(dāng)電梯的外部出現(xiàn)2樓下樓申請(qǐng)downtwo時(shí)，電梯運(yùn)行p到2樓，開(kāi)門等待，再關(guān)門；當(dāng)電梯的內(nèi)部有停3樓three申請(qǐng)時(shí)，電梯運(yùn)行到3樓，開(kāi)門等待，再關(guān)門；如果電梯的外部繼續(xù)有1樓上樓申請(qǐng)upone，電梯從3樓下降到1樓，開(kāi)門等待，然后關(guān)門。電梯位置的變化及其運(yùn)行和最初的設(shè)計(jì)要求完全符合。

本系統(tǒng)是基于EP1K30TC144的一個(gè)多樓層中單個(gè)載客箱的電梯控制器，該控制器可控制電梯完成3個(gè)樓層的載客服務(wù)（和多樓層的控制機(jī)理相同，可擴(kuò)展至任意樓層），而且遵循方向優(yōu)先的原則，能夠提前關(guān)閉電梯門和延遲關(guān)閉電梯門，提供電梯運(yùn)行的開(kāi)關(guān)控制按鈕，同時(shí)指示電梯的運(yùn)行狀態(tài)、樓層間的運(yùn)行時(shí)間以及電梯所在樓層的等待時(shí)間。電梯對(duì)用戶的響應(yīng)率非常高，且響應(yīng)的時(shí)間比較短。電梯在維修停止?fàn)顟B(tài)時(shí)可以進(jìn)入省電模式，能夠節(jié)省大量電能。