基于FPGA的四层电梯控制器设计Word文档下载推荐.docx

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（6）电梯运行规则———当电梯处于上升模式时,只响应比电梯所在的位置高的上楼请求信号,由下而上逐个执行,直到最后一个上楼请求执行完毕，如果高层有下楼请求，则直接升到有下楼请求的最高楼层,然后进入下降模式，当电梯处于下降模式时，则与上升模式相反。

2、总体设计

根据上述设计要求，可以得到电梯控制器的总体结构如图1所示。

该系统包括外部数据采集模块、信号存储模块、中央处理模块、控制输出与显示模块。

外部数据采集模块负责采集用户通过按键输入的请求信号、光敏传感器采集的到达楼层信号和压力传感器采集的超载信号；

信号存贮模块负责存储电梯内外及各层用户的请求信号和故障、超载信号；

中央处理模块处理电梯运行中的各种状态,在电梯运行过程中,对信号存储模块的用户请求数据进行比对,从而确定电梯的运行状态；

显示模块主要显示电梯所在楼层、电梯运行方向和关门延时等；

控制输出主要有电梯的升、降、停和门的开、关、停以及报警等信号。

图1电梯控制器总体结构

3、详细设计

3.1中央处理模块

中央数据处理模块是系统的核心，通过对存储的数据（含用户请求、到达楼层和故障、超载等信号）进行比较、判断以驱动系统状态的转换。

电梯工作过程中共有4种状态：

第一层、第二层、第三层、第四层。

而每种状态都有等待、上升、下降、开关门、超载报警以及紧急停止动作（第一层无下降动作，第四层无上升动作）。

一般情况下，电梯工作起始点是第一层，起始状态是等待状态，启动条件是收到上升请求信号。

系统的状态流程图如图2所示。

图中超载状态时电梯关门动作取消，本系统由请求信号启动，运行中每检测到一个到达楼层信号，就将信号存储器的请求信号与楼层状态信号进行比较，再参考原方向信号来决定是否停止、转向等动作。

图2系统的状态转换图

系统输入输出端口的VHDL语言定义如下：

port（clk:

instd_logic;

--时钟信号（频率为1Hz）

o_u1,o_u2,o_u3:

--电梯外人的上升请求信号

o_d2,o_d3,o_d4:

--电梯外乘客的下降请求信号

in1,in2,in3,in4:

--电梯内乘客的请求信号

led:

outstd_logic_vector（3downto0）;

--电梯所在楼层显示

led_c:

outintegerrange0to15;

--开关门延时显示

stop,overload:

instd_logic--紧急停止运行及超载信号

）;

3.2外部数据采集模块

外部数据采集模块的功能是实时、准确的采集外部信号，以便准确、实时的捕捉楼层到达信号、用户请求信号和超载信号等，有效防止对楼层到达信号和外部请求信号的误判。

由于外界干扰，电路中会出现毛刺现象，使信号的纯净度降低，单个的毛刺往往会被错误的当成系统状态转换的触发信号，从而严重影响电梯的正常工作。

为了增强系统的抗干扰能力，提高电梯工作的可靠性，可以采用多次检测的方法，即对一个信号连续进行多次采样，以保证信号的可信度。

本设计实际不包含此模块，而是采用按键输入模拟此模块来完成相应功能的。

在实际应用中需包含此功能模块。

外部请求信号和紧急停止信号的输入形式为按键输入，电梯自动上升或下降时间为5s，超载信号来自压力传感器。

3.3信号存储模块

电梯控制器的输入请求信号有10个（电梯外有3个上升请求和3个下降请求的用户输入端口，电梯内有4个用户请求输入端口），由于系统对内、外请求没有设置优先级，各楼层的内、外请求信号被采集后可先进行运算，再存到存储器内，但对请求信号的响应有一定的优先级，即：

当电梯处于上升模式时,只响应比电梯所在的位置高的上楼请求信号,由下而上逐个执行,直到最后一个上楼请求执行完毕；

如果高层有下楼请求则直接升到有下楼请求的最高楼层,然后进入下降模式。

当电梯处于下降模式时则与上升模式相反。

电梯运行过程中，由于用户请求信号的输入是离散的，而且系统对请求的响应也是离散的，因此，请求信号的存储要保证新的请求信号不能覆盖原来的请求信号，只有当响应动作完成后才能清除存储器内对应的请求信号位。

对应某一楼层的请求信号的存储、清除电路如图3所示。

图3请求信号操作电路图

3.3显示模块

系统的显示输出包括楼层显示及关门延时显示（若需要，还可以增加请求信号显示和电梯运动方向指示）。

电梯每到一新楼层时，楼层数码管便会更新显示为新楼层的层数；

关门时会有3秒的倒计时显示。

4、仿真结果

该电梯控制器使用VHDL语言设计，用Atera公司Cyclone系列中的EP1C3T144C8芯片实现，在QuartusII7.2（32-Bit）环境下通过编译和仿真，并下载到实验箱上进行了验证,其中部分仿真结果如图4和图5所示。

从图中可以看出，电梯在1楼（led＝0）时处于等待状态，当有乘客在一楼电梯外请求要上3楼时（o_u1=1,in3=1）,电梯开门后延时3秒（3个时钟周期，实际中1个时钟周期就是1秒，仿真时为提高速度时钟周期取10ns）后关门（led_c=3,2,1,0）；

电梯将要到达二楼时，有乘客在三楼电梯外请求要上四楼（o_u3=1），电梯到达三楼时开门，释放第一批乘客，接入第二批乘客；

到达四楼后，进入第三批乘客要去二楼，当关门倒计时器数到1时（led_c=1）,发现超载（overload=1），此时关门倒计时器停止，电梯一直处于四楼，对二楼乘客的请求（in2=1）也不响应；

超载信号消失后（overload=0），电梯一直下降至二楼，在关门倒计时器数到3时（led_c=3）,有人请求紧急停止（stop=1），此时电梯保持不动，紧急停止信号消失后（stop=0），电梯完成关门，在二楼等待。

图4仿真图（0~400ns）

图5续图4（400ns~）

5、结语

本文设计的基于FPGA的电梯控制器能够很好的控制电梯完成四层楼的载客服务，其硬件电路简单，可靠性高。

只要稍微改变程序就可以实现更多层的电梯控制，便于扩展，灵活性好，需用批量足够大时容易做成专用集成电路芯片，设计成本低具有较好的应用前景。

参考文献

略

附录：

源程序

--文件名：

dianti.vhd。

--功能：

4层楼的电梯控制系统。

--最后修改日期：

2008.7.20。

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

useieee.std_logic_unsigned.all;

useieee.std_logic_arith.all;

entitydiantiis

--时钟信号（频率为1Hz）

--电梯外乘客的上升请求信号

--电梯外乘客的下降请求信号

--电梯内乘客的请求信号

--电梯所在楼层显示

--开关门延时

instd_logic--紧急停止运行,超载

enddianti;

architecturebehavofdiantiis

signalopendoor:

std_logic;

--开门使能信号

signalupdown:

--电梯运动方向信号寄存器

signalen_up,en_dw:

--预备上升、预备下降预操作使能信号

typestateis（g1,g2,g3,g4）;

signalg:

state;

signalen:

std_logic;

--1电梯下一步动作使能;

0进行动作上升，下降，开关门

begin

process（clk,en,stop,overload）

variablein1_r,in2_r,in3_r,in4_r:

--电梯内乘客请求信号寄存信号

variableo_u1_r,o_u2_r,o_u3_r:

--电梯外乘客上升请求信号寄存信号

variableo_d2_r,o_d3_r,o_d4_r:

--电梯外乘客下降请求信号寄存信号

variablein_all,o_u_all,o_d_all,o_i_all:

std_logic_vector（3downto0）;

--电梯内外请求信号寄存器

ifclk'

eventandclk='

1'

then

--ifalarm='

then

--in1_r:

='

;

in2_r:

0'

in3_r:

in4_r:

--o_u1_r:

o_u2_r:

o_u3_r:

--o_d2_r:

o_d3_r:

o_d4_r:

--else

ifin1='

thenin1_r:

endif;

--对电梯内乘客请求信号进行检测和寄存

ifin2='

thenin2_r:

endif;

ifin3='

thenin3_r:

ifin4='

thenin4_r:

ifo_u1='

theno_u1_r:

--对电梯外乘客上升请求信号进行检测和寄存

ifo_u2='

theno_u2_r:

ifo_u3='

theno_u3_r:

ifo_d2='

theno_d2_r:

--对电梯外乘客下降请求信号进行检测和寄存

ifo_d3='

ifo_d4='

--endif;

in_all:

=in4_r&

in3_r&

in2_r&

in1_r;

--电梯内乘客请求信号并置

o_u_all:

&

o_u3_r&

o_u2_r&

o_u1_r;

--电梯外乘客上升请求信号并置

o_d_all:

=o_d4_r&

o_d3_r&

o_d2_r&

'

--电梯外乘客下降请求信号并置

o_i_all:

=in_alloro_u_alloro_d_all;

--电梯内、外乘客请求信号进行综合

anden='

andstop='

andoverload='

casegis

wheng1=>

led<

="

0001"

--电梯到达一楼，数码管显示1

ifin1_r='

oro_u1_r='

then--有当前层的请求，则电梯进入开门状态

in1_r:

o_u1_r:

en_up<

en_dw<

opendoor<

g<

=g1;

elsifo_i_all="

0000"

then--无请求时，电梯停在1楼待机

elsifo_i_all>

"

then--有上升请求，则电梯进入预备上升状态

=g2;

endif;

wheng2=>

0010"

--电梯到达二楼，数码管显示2

ifupdown='

then--电梯前一运动状态位上升

ifin2_r='

oro_u2_r='

oro_d2_r='

then--有当前层的请求，则电梯进入开门状态

in2_r:

o_u2_r:

o_d2_r:

en_up<

elsifo_i_all="

thenen_up<

elsifo_i_all>

0011"

then--有上升请求，则电梯进入预备上升状态

g<

=g3;

--无请求时，电梯停在二楼待机

elsifo_i_all<

then--有下降请求，则电梯进入预备下降状态

endif;

else--电梯前一运动状态为下降

o_d2_r:

wheng3=>

--电梯到达三楼，数码管显示3

ifin3_r='

oro_u3_r='

oro_d3_r='

in3_r:

o_u3_r:

en_up<

0111"

=g4;

0100"

else

then

o_d3_r:

wheng4=>

--电梯到达四楼，数码管显示4

ifin4_r='

oro_d4_r='

in4_r:

o_d4_r:

elsifo_i_all<

1000"

whenothers=>

null;

--en_up<

--电梯进入上升或下降状态

endcase;

endprocess;

process（clk,en_up,en_dw,opendoor,stop,overload）

variablev_en:

std_logic;

variablet1:

integerrange0to3;

--开关门延时计数器

variablet2:

integerrange0to5;

--开关门延时计数器

variableflag:

------

if（rising_edge（clk）andstop='

andoverload='

）then

if（（en_uporen_dworopendoor）='

）thenv_en:

elsev_en:

ifopendoor='

if（t1=0andflag='

）then--

flag:

t1:

=3;

elsif（t1=0andflag='

v_en:

--flag:

else

=t1-1;

--开门操作--

elsif（en_up='

）then--上升预操作

=0;

flag:

updown<

if（t2=5）then

t2:

t2:

=t2+1;

--开门操作

elsifen_dw='

then--下降预操作

t1:

updown<

endif;

en<

=v_en;

led_c<

=t1;

endbehav;

资料仅供参考!

!