基于FPGA的電梯控制器系統(tǒng)設計

　　摘 要：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，然后根據該算法設計了一個三層電梯控制器，該電梯控制器的正確性經過了仿真驗證和硬件平臺的驗證。本文的電梯控制器設計，結合了深圳信息職業(yè)技術學院的實際電梯的運行情況，易于學生理解和接受，對于工學結合的教學改革，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，具有很強的適應性和實用性。

　　電子設計自動化技術是19世紀末21世紀初新興的技術，其在數字電路設計和日常的控制系統(tǒng)中已經體現了強大的功能和優(yōu)勢。隨著EDA技術的高速發(fā)展， 電子系統(tǒng)設計技術和工具發(fā)生了深刻的變化，大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA的出現，給設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，主要用于描述數字系統(tǒng)的結構、行為、功能和接口，是電子設計自動化（EDA）的關鍵技術之一。它通常采用一種自上而下的設計方法，即從系統(tǒng)總體要求出發(fā)進行設計。

　　目前從期刊雜志中看到一些采用FPGA實現電梯控制系統(tǒng)的設計文章，在這些文章中看不到針對任意樓層的控制器算法，而針對任意層數的控制器算法是保證控制器實用性和適用性的關鍵。因此，本文嘗試采用EDA技術來設計一個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；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。

　　針對深圳信息職業(yè)技術學院第一教學樓的電梯，其電梯控制器實現了以下功能：

　?。?）電梯內部每層均有相應的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，當被按下后，相應的指示燈亮，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、停止時相應的指示燈要亮，樓層隨時顯示；

　　（3）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

　　2.1 整體方案設計

　　整體設計由四個模塊組成，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, //電梯間內部各層按鈕，每1位代表1層，當相應位置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，當相應位置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，當相應位置1時表示該層down按鈕被按下；

　　stop_r, //電梯內各層按鍵信息

　　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：該模塊根據各層按鈕被按下的情況，控制電梯運行，并設置指示燈。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, //電梯復位按鈕，復位后電梯停在一樓；

　　stop_r, //電梯內各層按鍵信息

　　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, //當前樓層位置，每1位代表1層，當相應的位置1時表示電梯運行至該層；

　　stoplight, //內部各層按鈕指示燈，每1位代表1層，當相應位置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，當相應位置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，當相應的位置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表示關門

　　d. 顯示模塊：該模塊用于譯碼顯示當前電梯所在樓層，模塊定義如下：

　　module Display（liftclk,position,disp）；

　　2.2 模塊設計與實現

　　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，其算法是最復雜的，也是最容易出錯的。本文采用使用有限狀態(tài)機來設計該模塊，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換，具體狀態(tài)轉換如圖2所示。

圖2 電梯控制器狀態(tài)轉換圖

表1 電梯控制器狀態(tài)轉換條件

　　上表中， pos 表示當前樓層， up[pos ] 、down[pos]、stop[pos]分別表示當前樓層的向上、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

　　本文根據上述算法，采用Verilog HDL語言在FPGA上實現了一個三層電梯控制器。對于實現來說，三層電梯或者多層電梯的控制器只是Verilog代碼數量的不同，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（包括按鈕的數量、指示燈的數量）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：電梯內外按鈕，當其值由0變?yōu)?即表示被按下。圖中，各層電梯間內外的銨鈕被按下是隨機發(fā)生的。

　　由仿真波形可以看出，電梯的運行符合設計要求。

　　2.4 硬件驗證

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

　　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對應電梯內各層的按鈕；鍵4、5對應一二樓層電梯外的向上銨鈕；鍵6、7對應二三樓層電梯外的向下銨鈕；鍵8對應系統(tǒng)復位鍵；燈1、2、3指示電梯內各層的按鈕被按下；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。

　　電梯所在層數由數碼管1指示。

　　3 結論

　　本文的電梯控制器設計，結合了深圳信息職業(yè)技術學院的實際電梯的運行情況，易于學生理解和接受，對于工學結合的教學改革，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，具有很強的適應性和實用性。