基于FPGA的電梯控制器系統設計方案

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(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(shù)學(xué)院的實(shí)際電梯的運行情況，易于學(xué)生理解和接受，對于工學(xué)結合的教學(xué)改革，是一個(gè)非常好的實(shí)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(shí)用性。

電子設計自動(dòng)化技術(shù)是19世紀末21世紀初新興的技術(shù)，其在數字電路設計和日常的控制系統中已經(jīng)體現了強大的功能和優(yōu)勢。隨著(zhù)EDA技術(shù)的高速發(fā)展， 電子系統設計技術(shù)和工具發(fā)生了深刻的變化，大規?？删幊踢壿嬈骷?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA的出現，給設計人員帶來(lái)了諸多的方便。HDL(硬件描述語(yǔ)言)是隨著(zhù)可編程邏輯器件(PLD)發(fā)展起來(lái)的，主要用于描述數字系統的結構、行為、功能和接口，是電子設計自動(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計方法，即從系統總體要求出發(fā)進(jìn)行設計。

目前從期刊雜志中看到一些采用FPGA實(shí)現電梯控制系統的設計文章，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(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)設計一個(gè)N層電梯控制系統，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(shí)現并驗證。

1 電梯控制系統要求

電梯控制系統通常包含圖1中的功能：電梯升、降、停;電梯門(mén)開(kāi)、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(jiǎn)單，因此本文不再展開(kāi)討論。

本文著(zhù)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(shù)學(xué)院第一教學(xué)樓的電梯，其電梯控制器實(shí)現了以下功能：

(1)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(mǎn)足后，指示燈才滅;

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

(3)電梯上升過(guò)程中，首先滿(mǎn)足向上的需求，對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(mǎn)足后電梯再次下降的過(guò)程中給予滿(mǎn)足;

(4)電梯下降過(guò)程中，首先滿(mǎn)足向下的需求，對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(mǎn)足后電梯再次上升的過(guò)程中給予滿(mǎn)足。

本文設計的電梯控制器，其基本要求就是滿(mǎn)足上述實(shí)際運行電梯的要求。

2 電梯控制系統實(shí)現

2.1 整體方案設計

整體設計由四個(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;模塊輸入為系統工作時(shí)鐘clk，系統復位信號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為電梯運行控制時(shí)鐘。