基于FPGA的電梯控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文首先提出了一種基于有限狀態(tài)機(jī)的電梯控制器算法，然后根據(jù)該算法設(shè)計(jì)了一個(gè)三層電梯控制器，該電梯控制器的正確性經(jīng)過(guò)了仿真驗(yàn)證和硬件平臺(tái)的驗(yàn)證。本文的電梯控制器設(shè)計(jì)，結(jié)合了深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實(shí)際電梯的運(yùn)行情況，易于學(xué)生理解和接受，對(duì)于工學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革，是一個(gè)非常好的實(shí)踐項(xiàng)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(qiáng)的適應(yīng)性和實(shí)用性。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)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(jì)和日常的控制系統(tǒng)中已經(jīng)體現(xiàn)了強(qiáng)大的功能和優(yōu)勢(shì)。隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展， 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)和工具發(fā)生了深刻的變化，大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA的出現(xiàn)，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了諸多的方便。HDL(硬件描述語(yǔ)言)是隨著可編程邏輯器件(PLD)發(fā)展起來(lái)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(jì)自動(dòng)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(jì)方法，即從系統(tǒng)總體要求出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

目前從期刊雜志中看到一些采用FPGA實(shí)現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)文章，在這些文章中看不到針對(duì)任意樓層的控制器算法，而針對(duì)任意層數(shù)的控制器算法是保證控制器實(shí)用性和適用性的關(guān)鍵。因此，本文嘗試采用EDA技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)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(tái)上實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)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(qǐng)求信號(hào)顯示、樓層顯示;超載、故障報(bào)警。其中超載、故障報(bào)警需要用到傳感器，該控制相對(duì)比較簡(jiǎn)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(duì)深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院第一教學(xué)樓的電梯，其電梯控制器實(shí)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(duì)于stop、up、down按鈕，當(dāng)被按下后，相應(yīng)的指示燈亮，直到該請(qǐng)求被滿足后，指示燈才滅;

(2)電梯運(yùn)行過(guò)程中，上升、下降、停止時(shí)相應(yīng)的指示燈要亮，樓層隨時(shí)顯示;

(3)電梯上升過(guò)程中，首先滿足向上的需求，對(duì)于低層或者向下的需求，在電梯上升過(guò)程中會(huì)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(guò)程中給予滿足;

(4)電梯下降過(guò)程中，首先滿足向下的需求，對(duì)于高層或者向上的需求，在電梯下降過(guò)程中會(huì)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(guò)程中給予滿足。

本文設(shè)計(jì)的電梯控制器，其基本要求就是滿足上述實(shí)際運(yùn)行電梯的要求。

2 電梯控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)由四個(gè)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(shí)現(xiàn)了任意時(shí)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(shí)鐘clk，系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)rst，輸出為分頻時(shí)鐘。模塊定義如下：

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

模塊中keyclk為處理按鍵時(shí)鐘，liftclk為電梯運(yùn)行控制時(shí)鐘。

b. 按鍵請(qǐng)求模塊：該模塊實(shí)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(shí)表示指示該層的按鈕被按下;

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

down, //各樓層down按鈕(底層無(wú))，每1位代表1層，當(dāng)相應(yīng)位置1時(shí)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(yùn)行，并設(shè)置指示燈。模塊定義如下：

module Lift_cONtrol(

keyclk, //處理按鍵時(shí)鐘

liftclk, //電梯運(yùn)行控制時(shí)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(shí)表示電梯運(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

對(duì)于分頻器模塊、按鍵請(qǐng)求模塊、電梯控制器模塊和指示模塊和顯示模塊這四個(gè)模塊，電梯控制器模塊和指示模塊涉及到電梯各種運(yùn)行情況的處理，其算法是最復(fù)雜的，也是最容易出錯(cuò)的。本文采用使用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)該模塊，具體的算法描述如下。

將電梯運(yùn)行定義為7個(gè)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(guò)程中，電梯開門5s;

S2：doorclose_up，上升過(guò)程中，電梯關(guān)門;

S3：up_lift，表示電梯上升一層;

S4：dooropen_down，下降過(guò)程中，電梯開門5s;

S5：doorclose_down，下降過(guò)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(duì)樓層數(shù)作限制，也就是說(shuō)該算法適合于任意樓層的電梯控制器。

2.3 仿真驗(yàn)證

本文根據(jù)上述算法，采用Verilog HDL語(yǔ)言在FPGA上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)三層電梯控制器。對(duì)于實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，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(méi)有區(qū)別。本文只所以實(shí)現(xiàn)了一個(gè)三層電梯控制器，是因?yàn)橛布_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(yàn)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(shuō)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(jī)發(fā)生的。

由仿真波形可以看出，電梯的運(yùn)行符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 硬件驗(yàn)證

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

具體硬件開發(fā)環(huán)境為GW48-PK2實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)。

CLK選擇clk0，頻率可選擇為256Hz。

鍵1、2、3對(duì)應(yīng)電梯內(nèi)各層的按鈕;鍵4、5對(duì)應(yīng)一二樓層電梯外的向上銨鈕;鍵6、7對(duì)應(yīng)二三樓層電梯外的向下銨鈕;鍵8對(duì)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(jì)，結(jié)合了深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實(shí)際電梯的運(yùn)行情況，易于學(xué)生理解和接受，對(duì)于工學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革，是一個(gè)非常好的實(shí)踐項(xiàng)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(jìn)行了驗(yàn)證，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和實(shí)用性。