自动升降电梯控制系统设计与实现.docx
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自动升降电梯控制系统设计与实现
自动升降电梯控制系统设计与实现
摘要
不断加快的我国城市化发展步伐，都使得高层建筑、公共场所对于电梯的需求不断增加，因此，本文的研究，将FPGA作为基础，对智能电梯控制系统进行了设计，并研究了电梯的核心控制电路部分。
现如今，我国的电梯输出量年均增长率始终保持在35%以上，而在未来的很长时间当中，我国都会使全球天地设备的制造核心以及最大的电梯使用国家，每年均拥有上千亿人民币的宗生产值，但是，在全部市场当中，我国的自主品牌占比仅为30%左右，且大多数的电梯在安全管理、智能化方面有不足存在，而为了对这样的现状进行改变，对一种具有较低功耗、舒适安全的电梯系统进行设计，保证合法人员到达指定楼层、非相关人员难以停靠就具有十分重要的意义。
因此，本次研究提出了一种将指纹识别技术作为基础的自动升降电梯方案，在该系统当中，只有在指纹的对应层电梯才能够得到停留，而非相关人员则无法打开电梯门，这避免了不同住户之间的干扰，且营造给用户了一种私人化空间，这也使得本次研究的创新性较强。
本次设对UPTODOWN的模块化设计方式进行应用，针对目前电梯控制系统当中存在较多按钮，在控制时可能有故障发生的问题，提出了通过FPGA芯片技术，对电梯控制系统性能进行改善的方案，此后通过VHDL硬件描述语言，使得系统各部分的功能设计得到完成。
关键词：
电梯控制系统；FPGA；VHDL语言
1绪论
1.1研究背景与意义
使用者不断提高的电梯性能高要求，也使得电梯的构成逐渐产生了变化，电梯作为十分重要的现代化建筑组成部分之一，电机技术的科技化程度受到的关注程度也在变得越来越广，而具有智能化科技且功耗较低绿色无污染的电梯，都能够向人们提供更好的服务。
近些年来，ASIC技术以及EDA技术的发展不断提升，这也从根本上改变了数字化的系统设计，使得以往电路设计当中使用的方法得到了改变。
传统的电路设计大多存在集成电路繁多、出现问题难以查找、扩展功能困难较多等问题。
而通过对FPGA/CPLD系统的应用，则能够获得较高的稳定性、便于修理，且具有较强的抗外界干扰能力，仅需要较短的周期，就可以对电路进行设计以及调试，现如今，在电梯控制当中，这也成为了最为常见的一种设计方式之一。
现如今，在我国大多数的电梯当中，都没有对足够的安全性、智能化防护进行应用，而从人员进出以及电梯权限维护的角度来看，也有大量空白存在，在实际生活当中，大部分的物业控制着门禁以及安保，因此可能存在人为疏忽的风险，一旦有问题出现，也难以对问题根源进行追查，这使得不法分子可能因此获利，为了保证人员正常使用电梯，非法人员不可随意随意使用电梯，就更在开发系统时着重考虑电梯的安全问题。
现如今，刷卡识别技术已经具有十分成熟的性能以及很快的反应速度，在电梯控制系统当中，已经成为了一种十分常用的防护手段。
但是，磁卡识别人员仍然有不完善的地方存在，例如，人们经常会忘记卡片的放置地点，磁卡也容易被人盗用或者是容易丢失。
除此之外，读卡设备由于需要与卡片接触，因此也会有磨损出现，这在一定程度上增加了故障的出现概率；而密码锁也同样有问题存在，密码锁容易暴露密码，一旦出现问题难以查找原因，缺乏足够的安全性，若建筑的安全验证等级较高，则会导致较大的安全问题存在。
分辨性、使用便捷等均为生物识别技术的优势，这使得生物识别技术能够在电梯安防领域当中得到有效的使用，生物识别技术包含有声音识别、指纹识别等多种类型，其中，指纹终生不变，且每个人的指纹均具有唯一性，因此，通过指纹控制电梯，则可有效控制外来人员的活动范围，避免对住户产生打扰。
1.2主要研究内容
在实际的写作过程当中，本文根据实际章节内容的需求，设置了不同的几个部分对本次研究课题进行论述。
第一部分为本文的绪论，该部分当中主要对本次课题研究的研究背景以及研究意义进行了详细介绍，并介绍了本次论文的整体组织架构。
第二部分为本次课题设计的理论依据，在该部分当中，对本次电梯控制系统设计设计的相关理论知识进行了介绍，从而为下文的系统设计打下坚实的基础。
第三部分为系统的设计与实现，该部分是本课题设计的核心张杰，该部分当中详细的介绍了系统的总体功能以及任务需求，并重点介绍了电梯控制器模块以及指纹识别模块。
第四部分为本次设计系统的仿真部分，该部分当中详细的说明了基本上行、基本下行、上行冲突以及下行冲突四种状态。
第五部分为本次课题研究的结论。
2相关理论依据
2.1电梯控制模块
EDA概述以及特点
现如今，不断发展的电子行业，使得FPGA、CPLD器件以及第三方软件已经在多个方面得到了十分成熟的应用。
而作为现代电子高科技领域当中最新兴起的一种技术，EDA能够更加便利的设计电路并处理信号，该技术可以将PC作为平台，开发者应用了EDA软件，通过VerilogHDL或VHDL语言就可编写相应代码，此后应用第三方软件，就可以实现FPGA的一系列步骤，最后将代码下载到开发板中即可。
EDA技术的发展，大幅度的提高了设计效率，避免了过于复杂的设计，而这也有效的推动了电子行业的发展。
若通过第三方软件来对IC进行开发，则需应用从上至下的设计思路，按照实际的功能需求来对每一个功能模块及你想过设计以及仿真，直至实现整个器件。
此后，利用模块化划分的思路，描述每一项功能并进行逻辑综合，而该过程就是将软件代码综合为逻辑电路。
核心控制器介绍
可编程逻辑器件PLD的逻辑功能并不完整，在该器件当中，逻辑门以及触发器的数量十分庞大，而通过该芯片设计，则需要通过迪桑方工具对其进行编程，逻辑编程的目的，就是要连接触发器以及逻辑门，从而使得想要实现的功能得到实现，通过这样的设计步骤，器件在实践电路当中，就可以对重要的角色进行担当。
目前，FPGA以及CPLD均得到了最多的使用。
本次设计对睿智FPGA开发板进行应用，将EP2C8Q208C8作为核心处理器，该开发板对核心板与接口板分离的方式进行应用，除了FPGA、各类存储器以及用户扩展PACK之外，核心板上还包含有案件、LED、电源插座等。
由于有用户扩展PACK，因此可以使得核心板在脱离接口板的情况下单独使用，具有极好的扩展性，接口板上则对最常用的外围接口进行集成，并不需要设置任何跳线，因此能够比较方便的进行实验。
该开发板如下图所示。
软件语言的选择
本次设计主要对VerilogHDL进行应用，其主体思想是通过该描述语言对数字逻辑电路的设计功能进行说明，此后通过EDA工具来进行仿真操作，再在门级电路进行综合，此后通过FPGA逻辑器件对这些功能进行实现。
该语言使用简单，能够通过简单的语句对复杂的逻辑设计进行描述，因此，该语言目前也得到了十分广泛的应用。
一般来讲，硬件描述语言通常是通过Top-Down的方法来研发、设计系统，该思想就是通过从上到下的设计思路，将复杂功能从系统级角度出发，划分成为基本的功能单元子模块，若子模块仍然存在较高的复杂度，则可以对其进行再次划分，直至可利用库中原件来及你想过实现。
通常来讲，对于比较复杂的设计来讲，VerilogHDL的完整硬件描述语言模型可通过多个子功能模块构成，若需要划分这些功能子模块，则可以继续将其划分为若干个子模块，在该部分当中，部分功能需要对具体的硬件电路进行综合，而一些功能单元则不需要进行综合。
仿真工具的选择
作为Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，QuartusII可对原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等多种设计输出形式进行支持，并对综合仿真器进行内嵌，可以在一个环境当中对设计、综合、布局、系统验证等进行整合，且还包含第三方EDA工具接口，QuartusII设计软件可将实际需求作为基础，对完整的多平台开发环境进行提供，整个FPGA以及CPLD设计阶段的解决方案也包含其中。
2.2指纹识别模块
Biovo-C2指纹识别模块
在本次课题的设计过程当中，主要采用了Biovo-C2暗背景指纹识别模块，该模块的系统算法处理过程主要包含有指纹登录过程以及指纹匹配过程。
在指纹登录的过程当中，将录入每一枚指纹两次，此后处理两次录入的图像，并对模板进行合成，在模块当中进行存储。
在匹配指纹的过程当中，则主要通过指纹头传感器，对需要验证的指纹图像进行录入并进行处理，此后比较模块当中的指纹模板，模块则会给出响应的匹配结果。
（1）串行协议
在本次课题研究当中应用了半双工异步串行通讯，具有57600bps的默认波特率，而通过对命令的应用，则可以将其设置为9600-115200bps，具有10位的传送帧格式，分别为1位0电平起始位、8位数据以及1位停止位，详情如下图所示。
图2-2半双工异步串行通讯
（2）硬件连接
模块通过串行通讯接口，可以通讯3.3V或者是5V的FPGA，模块数据发送角，即4脚TD与5脚RD分别于模块数据接收角RXD以及TXD相连接。
（3）数据包格式以及指令集汇总
模块通讯上位机，采用数据包的形式来接收并发送命令、数据以及结果，C2系列模块当中的指令共有21条，通过对不同的命令进行组合，就可实现各种指纹识别功能，其主要包含有以下几个方面：
表2-1数据包格式
包头
地址码
包标识
包长度
包内容
校验和
表2-2数据包详细定义表
名称
符号
长度
说明
包头
START
2字节
固定位0xef01，在传送时高字节在前
地址码
ADDER
4字节
默认值为0xffffffff，用户通过指令可以对新地址进行生成。
模块会对地址错误的数据包进行拒绝，在实际传送时应保证高字节在前
包标识
1字节
1字节
0x01
表示为命令表
0x02
表示为数据包且有后续宝存在，数据包不能够在执行流程当中单独进入，必须要跟在指令包、应答包之后
0x07
标识为应答包，且可以有后续包
0x08
标识为最后一个数据包也就是结束包
包长度
LENGTH
2字节
最大值为256字节；所谓的包长度就是包内容的长度与校验和的长度相加，长度将字节作为单位，在实际传送时高字节在前
包内容
DATA
-
可为指令、数据、指令参数、应答结果等
校验和
SUM
2字节
包标识、包长度、报内容的所有字节算数累计和，忽略超过2字节的进位，在传送石高字节在前
表2-3按功能分类
类型
序号
代码
功能说明
类型
序号
代码
功能说明
系统类
1
0x13
校验口令
指纹处理类
13
0x08
上传特征
2
0x12
设置口令
14
0x09
下载特征
3
0x15
设置地址
15
0x06
存储模板
4
0x0e
设置系统参数
16
0x07
读取模板
5
0x0f
读系统参数
17
0x0c
删除模板
6
0x1f
读指纹模板索引表
18
0x0d
清空指纹库
7
0x1d
读指纹模板数
19
0x03
比对指纹
指纹处理类
8
0x01
录指纹图像
20
0x04
搜索指纹
9
0x0a
上传图像
10
0x0b
下载图像
其他类
21
0x14
采样随机数
11
0x02
图像转特征
12
0x05
特征合成模板
表2-4按指令代码顺序
代码
助记符
功能说明
代码
助记符
功能说明
0x01
GenImg
录指纹图像
0x0d
Empty
清空指纹库
0x02
Img2Tz
图像转特征
0x0e
SetSysPara
设置系统参数
0x03
Match
指纹比对
0x0f
ReadSysPara
读系统参数
0x04
Serach
搜索指纹
0x12
SetPwd
设置口令
0x05
RegModel
特征合成模板
0x13
VfyPwd
效验口令
0x06
Store
存储模板
0x14
GetRandomCode
采样随机数
0x07
LoadChar
读取模板
0x15
SetAdder
设置地址
0x08
UpChar
上传特征
0x1d
TempleteNum
读指纹模板数
0x09
DowFMhr
下载特征
0x1f
ReadConList
读指纹模板索引表
0x0a
UpImage
上传图像
0x0b
DownImage
下载图像
0x0c
DeletChar
删除模板
（4）指纹识别程序开发流程图
录入指纹流程以及搜索指纹流程分别如下所示。
指纹提取与匹配过程
在本次设计的指纹识别模块信息提取当中，对BiovoDemo进行了应用，其中主要包含有指纹图像获取、图像特征提取等功能，该模块具有较高的模块指纹识别率，且操作简单，能够使得本次课题的设计要求得到实现。
首先应用RS232通信协议将电脑与指纹识别模块连接起来。
登录指纹时电机“录入指纹”，此时传感器红灯亮起并采集指纹，每枚指纹均需要录入2次指纹，此后对其进行处理之后存储在模块当中，并对FingerID编号进行应用，实际编程时，只需要根据指纹设定对应楼层，就可构建数据库，从而对用户的指纹信息进行有效的提取。
在匹配指纹时，也可将指纹头传感器作为基础，对需要验证的指纹图像进行录入并进行相应的处理，此后匹配、比较木块当中的指纹模板，本次设计当中，对指纹搜索模式进行应用，即匹配多个模板，模板此后将给出响应的匹配结果，通知是否能够对匹配的数据进行找到，并对相应的FingerID编号进行给出，因此具有搜索时间较短、准确率高的优势。
2.3状态显示模块
为了能够使得系统当中FPGA的作用得到体现，本次设计在完成仿真验证的同时，通过对电子设计知识的应用，利用实物演示使得该设计的功能得到更好的体现，使得电梯控制系统的演示工作能够得到实现。
下图，为基于FPGA的电梯控制系统设计，电梯控制器的昂中的请求输入信号共有10个，在升降机的运行过程当中，由于用户请求具有离散的输入，且系统对于请求的相应也是离散的，因此，存储请求信号要求新的请求信号不能够对原油请求进行覆盖，只有完成动作之后，才能够对存储器当中的对应信号位进行清除。
3自动升降电梯控制系统设计
3.1系统总体设计
在本次课题的研究过程当中，对基于FPGA的智能电梯控制系统进行了设计，本次设计的核心采用EP2C8Q208C8芯片，系统时钟为20MHz，EDA软件环境则为QuartusII。
在本次设计的系统当中，FPGA控制模块为其中的关键部分，其中主要包含有指纹识别、楼层判断、上下行控制等功能，本次还设计了虚拟电梯模块，该模块主要是为了能够有效的仿真，可模拟电梯的上下行以及开关门动作，从而驱动电梯控制器的正常运行。
在本次设计过程当中，应用了指纹输入以及按键输入两种方式，初始状态采用和指纹识别技术，该技术将有效的实现楼宇安全性能，减少操作步骤。
为了能够更好的展示系统运行方式，本次课题还设计了模拟电路板，通过按键输入以及指纹识别的方式，利用LED灯来模拟电梯运行。
3.2系统硬件结构
电梯控制系统结构图
本次设计主要从四个角度出发，对整个系统进行阐述，详情如下图所示。
图3-1电梯控制系统结构图
在整个系统当中，电梯控制模块是其中的核心，主要包含有指纹识别、楼层判断、上下行控制、开关门控制、照明装置等部分，而虚拟电梯模块则主要是为了仿真能够得到实现，需要模拟电梯的上下行以及开关门动作，并正常驱动电梯控制器，本次课题应用了指纹输入以及按键输入两种方式，初始状态为指纹识别技术，该技术的应用，将有效提高楼宇安全性并减少操作步骤，使得智能化需求得到实现。
为了可更好的展示系统运行方式，本次研究还设计了模拟电路板，模拟电路板也可对指纹识别、按键输入给予支持，并通过LED灯的点亮以及关闭来对电梯运行的过程进行模拟。
图3-2电梯控制器硬件结构图
电梯控制器功能说明
在整个系统当中，FPGA电梯控制模块都是其中的核心关键部分，其中主要包含有指纹识别、开关门控制、上下行控制等不同的几个部分，FPGA电梯控制器的输入输出信号引脚图如下所示。
（1）按键消抖模块
该模块的输入信号如下：
Clk，reset_n，up_key[1:
0]，down_key[2:
0],inside_key[3:
0]
该模块的输出信号如下：
Up_key_in[1:
0],down_key_in[2:
0],inside_key_in[3:
0]
下图为按键消抖模块。
图3-4按键请求消抖模块
该模块的功能为：
本次课题设计共应用了按键输入以及指纹输入两种方式。
在应用按键输入方式时，外呼系统的按钮分别为2个上行按钮以及3个下行俺就，内箱当中的楼层选择按钮则为4个，若直接对按钮进行按下，则可能出现接触不稳的问题，难以对信号进行明确，此后在对楼层进行判断的过程当中，则无法正常确认相关指示。
若通过D触发器消抖处理按键，则受到每个信号的带动就可消除毛躁信号，处理后，若仍然有按键结合不稳的情况，也可明确的输出按键信号。
（2）指纹识别解析模块
指纹识别解析模块的接口输入信号如下：
Clk,uart_tx,uart_rx
指纹识别解析模块的接口输出信号如下：
Clk,uart_tx,uart_rx
该模块的功能为：
指纹解析模块可接受电梯初始位置的数据指令，此后需要对指纹库当中的数据进行匹配，如果指纹库当中存在着相关的指纹记录，则需要发送之前设定好的信息，并发送至判断模块，如果不存在相关指纹存储信息，则不会发送开门指令，从而实现无关人员不能够进入到楼宇的目的。
（3）楼层判断模块
楼层判断模块的接口输入信号为：
Clk,reset_n,up_key_in[1:
0],down_key_in[2:
0],inside_key_in[3:
0]
楼层判断模块的接口输出信号为：
Up_request,up_done,down_request,down_done
楼层判断模块详情如下图所示。
楼层判断模块的功能为：
该模块从前端信号的输入角度出发，与当前楼层信息进行对比，电梯运行时遵循运行方向有限原则，从需要执行的请求信号指令当自动选择运行方向并执行。
楼层判断的输出端信号，可作为输入端运行指令信号，保证系统正常运行。
（4）运行状态机模块
运行状态机模块接口的输入信号为：
Floor_in[3:
0],open_done,close_done,time_up.over_weight_in
运行状态机模块接口的输出信号为：
Up_ctrl,down_ctrl,open_ctrl,close_ctrl,over_weight,light_ctrl
运行状态机模块功能为：
该模块可从楼层判断模块反馈的指令信号触发，运行状态机模块，实现电梯的相关功能。
（5）运行装填模块汇总
上下门控制、开关门控制、状态显示、照明装置以及超载报警分别体现了电梯运行状态当中的五种情况，而该模块则主要用来汇总上述四个模块功能实现反馈的信号。
FPGA控制器虚拟仿真结构
在整个系统当中的核心为FPGA电梯控制器，但是，本次设计值设计了硬件仿真，并未实际驱动电梯，而为了可以使得电梯控制器得到正常运行，并使得本次设计的功能得到体现，本次设计将一个寄存器在FPGA的内部进行设定，并将其作为虚拟电梯模块，其主要可以用来仿真楼层运行情况以及开关门情况，并向电梯控制器对信号进行反馈，详情如下图所示。
虚拟电梯模块输入端口的信号为：
Up_ctrl,down_ctrl,open_ctrl,close_ctrl
虚拟电梯模块输出端口的信号为：
Floor_in[3:
0],open_done,close_done,time_up
模块端口的信号定义分别如下：
Up_ctrl,down_ctrl,open_ctrl,close_ctrl分别表示控制电梯上升电信号、控制电梯下降的信号、控制电梯开门的信号、控制电梯关门的信号；Floor_in[3:
0],Floor_in[0]，Floor_in[1]，Floor_in[2]，Floor_in[3]则分别表示当前楼层状态信息、电梯在一层、电梯在二次、电梯在三层以及电梯在四层，open_done,close_done,time_up分别表示开门动作信号已经完成、关门动作信号已经完成以及已经达到了系统设定的时间。
信号输入模块结构
本次设计的信号输入模块主要包含有案件输入信号模块以及指纹识别输入信号模块，其实现方式，均是要将外部案件信号向电梯运行控制模块的外部请求信号进行转化，并将电梯内部按键信号向电梯控制模块的电梯前往信号进行转化，此后将电梯所在楼层作为基础，对电梯外部、内部的按键信号进行及时的清除。
（1）按键输入信号模块
本次共设计了9个按键输入信号按钮，外呼系统单昂中包含有2个上行按钮以及3个下行按钮，上行按钮位于中间两层，而下行按钮则位于除了一层之外的所有楼层；内向呼叫系统当中主要有4个按钮，分别代表4个不同的楼层，可以选择相应的楼层。
由于本次设计当中并没有实际轿厢，因此并没有故障报警、超重两种状态存在，在实际的模拟过程当中，则主要通过LED灯的运转，对电梯上下行、开关门、楼层位置等进行显示。
从按键输入信号模块原理图来看，若楼层处于初始状态，此时外呼系统、内箱呼叫系统某一层按键没有被按下闭合，所有信号均会对高电平进行输出，若按下某个按键，则信号将会向低电平转化，此后就在寄存器当中得到自动存储。
本次设计的按钮电路在每个按键旁边对上拉电阻进行了设计，从而使得按键闭合时瞬间加在按键上的电压过大烧毁按键得到防止，对有效分压的作用进行发挥。
若直接按下按钮，可能会发生接触不稳导致的信号不明确问题，此后，楼层难以对按钮情况正常确认，而通过D触发器小都处理，则可消除毛躁信号，在进行处理之后，如果仍然有按键结合不稳的问题存在，也可输出明确的按键信号。
（2）指纹识别输入信号模块
本次设计之所以选择将FPGA技术作为基础，与FPGA可靠性较高、设计周期短、抗干扰性较强之间具有密切的联系，这些优点均能够有效的保障乘客的安全。
而根据相关调查来看，现如今大多数的电梯在安全管理、智能化方面并没有对过多的措施进行应用，对于人员出入、电梯权限管理方面仍然有空白存在。
而在实际情况当中，楼宇的物业管理也不够智能化，具有较大的隐患存在，这使得非法人员具有了可乘之机，为了保证合法人员能够对电梯正常使用，并对非法人员的进入进行放置，因此，本次课题在电梯的初始阶段当中，对指纹识别技术进行了应用。
根据目前的研究来看，每个人的指纹都具有唯一特征值的特点，且难以对其进行自行更改，相比如IC卡来开，不需要多忘带的问题进行考虑，具有较强的方便性，因此，通过指纹识别对电梯使用者权限进行判定，对电梯门自动开关、楼层停靠进行控制，能够使得外来人员、非相关人员的活动范围得到有效的控制，避免对住户产生不必要的打扰，对更加私人化的空间进行营造。
可实现对楼宇当中的正常入户指纹信息进行采集，并在指纹库当中进行存储，此后针对该指纹对固定的楼层信息进行设定，住户在初始位置时，只要扫描指纹，就可以自动打开照明装置，此后打开电梯门并自动到达相关楼层，使得安全、便捷的目的得到实现。
状态显示模块电路图
在虚拟电梯模块当中，FPGA内部将对电梯正常运转的各种状态进行开展，为了使得程序控制的结果得到体现，本次设计对状态显示模块进行设计，其验证主要通过LED灯运转来实施，状态显示模块如下图所示。
状态显示模块、按键输入模块一起对自制演示电路板进行构成，其中按键部分将能够为虚拟电梯模块、状态显示模块同时对控制信号及你想过提供，并将输入信号提供给控制器内部的运行以及硬件展示。
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