基于FPGA的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于FPGA的四層電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C5T144作為主控制芯片，采用Verilog-HDL編程描述，實(shí)現(xiàn)對電梯的智能控制，經(jīng)仿真驗(yàn)證，完成所要求功能。該設(shè)計(jì)采用模塊化編程，升級可實(shí)現(xiàn)任意多層電梯系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：電梯控制；FPGA；Verilog；控制模塊

0 引言
    隨著社會(huì)的發(fā)展，電梯的使用越來越普遍，對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。隨著專用集成電路ASIC設(shè)計(jì)技術(shù)和EDA技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件的廣泛使用，為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了革命性的變化，改變了傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中使用的芯片多、電路復(fù)雜、出現(xiàn)問題不易查找、不易進(jìn)行功能擴(kuò)展的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用FPGA器件作為主控制芯片，采用Verilog-HDL語言設(shè)計(jì)一個(gè)四樓層單個(gè)載客箱的電梯控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于修改和升級，可稍加改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)多層電梯控制。

1 電梯控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求
    設(shè)計(jì)一個(gè)四層電梯控制系統(tǒng)，要求如下：
    (1)各層電梯內(nèi)部信號：各樓層請求按鍵、開關(guān)門請求按鍵，所在樓層顯示，電梯運(yùn)行狀態(tài)顯示。外部信號：上升下降請求按鍵，所在樓層顯示，電梯運(yùn)行狀態(tài)顯示。
    (2)能夠存儲(chǔ)請求信號，電梯上升(下降)過程中，根據(jù)電梯的運(yùn)行狀態(tài)，首先按方向優(yōu)先、循環(huán)次序響應(yīng)各請求。
    (3)到達(dá)請求樓層后，該層的指示燈亮，電梯門自動(dòng)打開，開門指示燈亮。延時(shí)等待時(shí)間后，電梯門自動(dòng)關(guān)閉(開門指示燈滅)，電梯繼續(xù)運(yùn)行。電梯空閑時(shí)，停在0層。
    (4)具有超載報(bào)警功能。
1．2 電梯控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    電梯控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    如圖1所示，該系統(tǒng)主要由FPGA控制器、各輸入信號模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊組成。FPGA控制模塊的輸入信號有：電梯內(nèi)外請求信號、樓層到達(dá)信號、重啟超載報(bào)警等信號；其輸出信號分別驅(qū)動(dòng)顯示電路、電梯開關(guān)門電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、以及其他如報(bào)警電路等。FPGA控制模塊是本設(shè)計(jì)的核心。

2 FPGA控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    本設(shè)計(jì)的開發(fā)軟件使用Altera公司的QuartusⅡ集成開發(fā)環(huán)境，采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，模塊設(shè)計(jì)與Verilog-HDL描述相結(jié)合的輸入方式，便于程序的維護(hù)與升級。FPGA控制器整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

    如圖2所示，F(xiàn)PGA控制編程主要由六個(gè)模塊組成：按鍵請求模塊、狀態(tài)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示及報(bào)警模塊、開關(guān)門控模塊、分頻模塊。各模塊的信號及功能如下：
    模塊1：按鍵請求模塊
    該模塊的接口信號如表1所示，模塊功能如下：
    (1)利用鎖存器對輸入的請求信號進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)請求滿足后清0。為了數(shù)據(jù)表示方便，本設(shè)計(jì)的后綴0～3分別表示1～4層。
    (2)根據(jù)電梯的運(yùn)行狀態(tài)，按照方向優(yōu)先、循環(huán)執(zhí)行的原則，在請求信號中提取電梯下一站的樓層信號并輸出。如目前樓層為2層，狀態(tài)為升，那么判斷優(yōu)先級為：p2／up2→p3／down3→down2→downl→p0／up0。
    (3)當(dāng)無請求信號時(shí)，下一站樓層為0。

    模塊2：狀態(tài)控制模塊
    本模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心控制模塊。本文把電梯運(yùn)行劃分為4個(gè)狀態(tài)，分別為：上升、下降、停止、空閑。控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

    系統(tǒng)重啟時(shí)(res=1)，進(jìn)入空閑狀態(tài)(Idle)，空閑狀態(tài)下，輸出信號posit=up=down=open=0，當(dāng)輸入信號goto為0時(shí)，保持空閑狀態(tài)；當(dāng)goto信號不為0時(shí)，進(jìn)入上升狀態(tài)(Stop)。當(dāng)?shù)谝粚由仙盘栍|發(fā)時(shí)，進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。停止?fàn)顟B(tài)下，open信號上升沿觸發(fā)電梯開門；up=down =0，posit=goto。在電梯開門延時(shí)期間(dooropen=1)，保持停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)電梯門關(guān)上時(shí)(dooropen=0)，判斷下一站樓層，若大于目前樓層，進(jìn)入上升狀態(tài)，若小于目前樓層，進(jìn)入下降狀態(tài)。上升狀態(tài)下，up=1，updown=01，posit=goto，觸發(fā)電機(jī)控制模塊拖拽電機(jī)上升。樓層達(dá)到信號，使系統(tǒng)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。下降狀態(tài)同理。本模塊接口信號如表2所示。

    模塊3：電機(jī)控制模塊
    本模塊輸入信號有：上升觸發(fā)信號(up)、下降觸發(fā)信號(down)、所在樓層(posit)以及下一站樓層(goto)，輸出信號：4個(gè)位不同相位的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號。模塊由升降信號觸發(fā)，經(jīng)電機(jī)狀態(tài)控制器，產(chǎn)生4個(gè)相位的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號P[3：0]，輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其頻率決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，其相位決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。P[3：0]的各頻率信號由分頻器模塊提供。
    模塊4：顯示模塊
    本模塊功能用于電梯所在樓層(posit)、電梯運(yùn)行狀態(tài)(updown)的七段碼顯示或LED顯示。以及超載信號(over)的報(bào)警和顯示。
    模塊5：門控模塊
    本模塊用來控制電梯門狀態(tài)，由輸入門控信號open信號觸發(fā)開門(doorstat=1)，經(jīng)過延時(shí)，電梯門自動(dòng)閉合(doorstat=0)。所超載(over=1)，則電梯門不合，電梯保持開門狀態(tài)，直到超載信號清除。
    模塊6：分頻模塊
    分頻模塊用來對系統(tǒng)時(shí)鐘信號分頻，產(chǎn)生向電機(jī)控制模塊提供的各頻率信號。

3 仿真驗(yàn)證
    本設(shè)計(jì)頂層采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊采用VerilogHDL硬件描述語言。自頂向下的設(shè)計(jì)方式，便于程序查錯(cuò)、升級、改進(jìn)，本設(shè)計(jì)稍加修改，即可實(shí)現(xiàn)任意樓層電梯控制。對所設(shè)計(jì)程序進(jìn)行分析、編譯、綜合、布線后產(chǎn)生的電路進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真，均可獲得符合設(shè)計(jì)要求的邏輯值。時(shí)序仿真波形如圖4所示。

    由圖4可以看出：控制器始終能有效存儲(chǔ)各樓層請求信號，能按照方向優(yōu)先、循環(huán)次序執(zhí)行各樓層請求。各信號狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。信號延時(shí)為10 ns級，在允許范圍內(nèi)。
    本設(shè)計(jì)硬件實(shí)現(xiàn)采用康芯KX_7CH最小系統(tǒng)版。程序經(jīng)引腳鎖定并編程下載到器件，經(jīng)測試，邏輯完全正確，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論
    基于FPGA的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方式在可靠性、體積、成本上的優(yōu)勢是巨大的，它已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的主要手段之一。本文設(shè)計(jì)的四層電梯控制器，稍加改進(jìn)即適合于任意樓層，靈活性強(qiáng)，運(yùn)行可靠，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和實(shí)用性。