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[導(dǎo)讀]本文首先提出了一種基于有限狀態(tài)機的電梯控制器算法,然后根據(jù)該算法設(shè)計了一個三層電梯控制器,該電梯控制器的正確性經(jīng)過了仿真驗證和硬件平臺的驗證。本文的電梯控制器設(shè)計,結(jié)合了深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實際電梯

本文首先提出了一種基于有限狀態(tài)機的電梯控制器算法,然后根據(jù)該算法設(shè)計了一個三層電梯控制器,該電梯控制器的正確性經(jīng)過了仿真驗證和硬件平臺的驗證。本文的電梯控制器設(shè)計,結(jié)合了深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實際電梯的運行情況,易于學(xué)生理解和接受,對于工學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革,是一個非常好的實踐項目。另外,本文提出的電梯控制器算法適合于任意樓層,具有很強的適應(yīng)性和實用性。

電子設(shè)計自動化技術(shù)是19世紀(jì)末21世紀(jì)初新興的技術(shù),其在數(shù)字電路設(shè)計和日常的控制系統(tǒng)中已經(jīng)體現(xiàn)了強大的功能和優(yōu)勢。隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展, 電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)和工具發(fā)生了深刻的變化,大規(guī)??删幊踢壿嬈骷?strong>FPGA的出現(xiàn),給設(shè)計人員帶來了諸多的方便。HDL(硬件描述語言)是隨著可編程邏輯器件(PLD)發(fā)展起來的,主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口,是電子設(shè)計自動化(EDA)的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通常采用一種自上而下的設(shè)計方法,即從系統(tǒng)總體要求出發(fā)進行設(shè)計。

目前從期刊雜志中看到一些采用FPGA實現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計文章,在這些文章中看不到針對任意樓層的控制器算法,而針對任意層數(shù)的控制器算法是保證控制器實用性和適用性的關(guān)鍵。因此,本文嘗試采用EDA技術(shù)來設(shè)計一個N層電梯控制系統(tǒng),具體思路是:首先給出電梯控制器的算法,然后在硬件平臺上實現(xiàn)并驗證。

1 電梯控制系統(tǒng)要求

電梯控制系統(tǒng)通常包含圖1中的功能:電梯升、降、停;電梯門開、關(guān);請求信號顯示、樓層顯示;超載、故障報警。其中超載、故障報警需要用到傳感器,該控制相對比較簡單,因此本文不再展開討論。

本文著重討論涉及其他功能的控制器算法。

針對第一教學(xué)樓的電梯,其電梯控制器實現(xiàn)了以下功能:

  (1)電梯內(nèi)部每層均有相應(yīng)的STop按鈕;電梯外部除頂層外每層都有up按鈕,除底層外每層都有down按鈕;up按鈕被按下表示該層有人要去高層,down按鈕被按下表示該層有人要去低層,stop按鈕被按下表示該層有人要出電梯。對于stop、up、down按鈕,當(dāng)被按下后,相應(yīng)的指示燈亮,直到該請求被滿足后,指示燈才滅;

 ?。?)電梯運行過程中,上升、下降、停止時相應(yīng)的指示燈要亮,樓層隨時顯示;

 ?。?)電梯上升過程中,首先滿足向上的需求,對于低層或者向下的需求,在電梯上升過程中會記錄該需求,然后在電梯向上需求全部滿足后電梯再次下降的過程中給予滿足;

 ?。?)電梯下降過程中,首先滿足向下的需求,對于高層或者向上的需求,在電梯下降過程中會記錄該需求,然后在電梯向下需求全部滿足后電梯再次上升的過程中給予滿足。

本文設(shè)計的電梯控制器,其基本要求就是滿足上述實際運行電梯的要求。

2 電梯控制系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 整體方案設(shè)計

整體設(shè)計由四個模塊組成,各模塊功能具體描述如下:

a. 分頻器模塊:該模塊實現(xiàn)了任意時鐘頻率輸入,任意頻率輸出的功能,輸出頻率精度為1Hz;模塊輸入為系統(tǒng)工作時鐘clk,系統(tǒng)復(fù)位信號rst,輸出為分頻時鐘。模塊定義如下:

  module freq_div(reset,clk,keyclk,liftclk);

模塊中keyclk為處理按鍵時鐘,liftclk為電梯運行控制時鐘。

b. 按鍵請求模塊:該模塊實現(xiàn)了記錄并處理各樓層的up、down和stop按鈕被按下的情況,模塊端口如下:

  module key_req(

  reset,keyclk,

  stop, //電梯間內(nèi)部各層按鈕,每1位代表1層,當(dāng)相應(yīng)位置1時表示指示該層的按鈕被按下;

  up, //各樓層up按鈕(頂層無),每1位代表1層,當(dāng)相應(yīng)位置1時表示該層up按鈕被按下

  down, //各樓層down按鈕(底層無),每1位代表1層,當(dāng)相應(yīng)位置1時表示該層down按鈕被按下;

  stop_r, //電梯內(nèi)各層按鍵信息

  up_r, //電梯外各層向上按鍵信息

  down_r //電梯外各層向下按鍵信息

 ?。?;

c. 電梯控制器模塊和指示模塊:該模塊根據(jù)各層按鈕被按下的情況,控制電梯運行,并設(shè)置指示燈。模塊定義如下:

  module Lift_cONtrol(

  keyclk, //處理按鍵時鐘

  liftclk, //電梯運行控制時鐘

  reset, //電梯復(fù)位按鈕,復(fù)位后電梯停在一樓;

  stop_r, //電梯內(nèi)各層按鍵信息

  up_r, //電梯外各層向上按鍵信息

  down_r, //電梯外各層向下按鍵信息

  position, //當(dāng)前樓層位置,每1位代表1層,當(dāng)相應(yīng)的位置1時表示電梯運行至該層;

  stoplight, //內(nèi)部各層按鈕指示燈,每1位代表1層,當(dāng)相應(yīng)位置1時表示指示該層指示燈亮;

  uplight, //除頂層外各層外部按鈕指示燈,每1位代表1層,當(dāng)相應(yīng)位置1時表示該層up燈亮;

  downlight, //除首層外各層外部按鈕指示燈,每1位代表1層,當(dāng)相應(yīng)的位置1時表示該層的down指示燈亮;

  doorlight); //用于開門指示燈,為1表示開門,為0表示關(guān)門


d. 顯示模塊:該模塊用于譯碼顯示當(dāng)前電梯所在樓層,模塊定義如下:

  module Display(liftclk,position,disp);

2.2 模塊設(shè)計與實現(xiàn)

對于分頻器模塊、按鍵請求模塊、電梯控制器模塊和指示模塊和顯示模塊這四個模塊,電梯控制器模塊和指示模塊涉及到電梯各種運行情況的處理,其算法是最復(fù)雜的,也是最容易出錯的。本文采用使用有限狀態(tài)機來設(shè)計該模塊,具體的算法描述如下。

將電梯運行定義為7個狀態(tài),具體的狀態(tài)定義如下:

  S0:onfloor1,表示在樓層1;

  S1:dooropen_up,上升過程中,電梯開門5s;

  S2:doorclose_up,上升過程中,電梯關(guān)門;

  S3:up_lift,表示電梯上升一層;

  S4:dooropen_down,下降過程中,電梯開門5s;

  S5:doorclose_down,下降過程中,電梯關(guān)門;

  S6:down_lift,表示電梯下降一層。

各狀態(tài)在滿足一定的條件下轉(zhuǎn)換,具體狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。


            圖2 電梯控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

表1 電梯控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件

上表中, pos 表示當(dāng)前樓層, up[pos ] 、down[pos]、stop[pos]分別表示當(dāng)前樓層的向上、向下、和停止銨鈕的狀態(tài)。

顯然,上述算法并未對樓層數(shù)作限制,也就是說該算法適合于任意樓層的電梯控制器。

2.3 仿真驗證

本文根據(jù)上述算法,采用Verilog HDL語言在FPGA上實現(xiàn)了一個三層電梯控制器。對于實現(xiàn)來說,三層電梯或者多層電梯的控制器只是Verilog代碼數(shù)量的不同,其算法則完全是本文提出的算法,沒有區(qū)別。本文只所以實現(xiàn)了一個三層電梯控制器,是因為硬件開發(fā)環(huán)境的資源(包括按鈕的數(shù)量、指示燈的數(shù)量)僅滿足三層電梯控制器的驗證。

三層電梯控制器的仿真波形如圖3所示。


                  圖3 三層電梯控制器的仿真波形

仿真波形說明:電梯內(nèi)外按鈕,當(dāng)其值由0變?yōu)?即表示被按下。圖中,各層電梯間內(nèi)外的銨鈕被按下是隨機發(fā)生的。

由仿真波形可以看出,電梯的運行符合設(shè)計要求。

2.4 硬件驗證

本文的設(shè)計經(jīng)引腳鎖定并下載到硬件開發(fā)環(huán)境中,經(jīng)測試完全正確。

具體硬件開發(fā)環(huán)境為GW48-PK2實驗開發(fā)系統(tǒng)。

CLK選擇clk0,頻率可選擇為256Hz。

鍵1、2、3對應(yīng)電梯內(nèi)各層的按鈕;鍵4、5對應(yīng)一二樓層電梯外的向上銨鈕;鍵6、7對應(yīng)二三樓層電梯外的向下銨鈕;鍵8對應(yīng)系統(tǒng)復(fù)位鍵;燈1、2、3指示電梯內(nèi)各層的按鈕被按下;燈4、5指示一二樓層電梯外的向上銨鈕被按下;燈6、7指示二三樓層電梯外的向下銨鈕被按下;燈8指示開門。

電梯所在層數(shù)由數(shù)碼管1指示。

3 結(jié)論

本文的電梯控制器設(shè)計,結(jié)合了深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實際電梯的運行情況,易于學(xué)生理解和接受,對于工學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革,是一個非常好的實踐項目。另外,本文提出的電梯控制器算法適合于任意樓層,并在FPGA開發(fā)環(huán)境中進行了驗證,具有很強的適應(yīng)性和實用性。

 

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