基于FPGA芯片的电梯自动控制系统.docx

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基于FPGA芯片的电梯自动控制系统

陇东学院2013-2014学年第一学期

微机原理与接口技术课程论文（设计）

题目：

基于FPGA的电梯

自动控制系统设计

学院：

信息工程学院

专业：

计算机科学与技术

班级：

11级3班

姓名：

聂丽霞

学号：

2011051339

基于FPGA芯片的电梯自动控制系统

摘要：

本论文是基于FPGA的电梯控制器的研究，是电梯控制的核心技术，通过电梯控制器可以对电梯运行模式和状态进行全面的控制，这也是此次论文研究的重要性；由于FPGA技术近些年来蓬勃发展，而且在很多领域已经应用的十分成熟，所以用FPGA可以实现对电梯精确、稳定、实时性控制，同时用于FPGA开发的芯片都是一些微处理器芯片，便于集成和智能化设计。

关键字：

FPGA；VHDL；电梯；状态机

1设计目的

1.1设计背景

目前，电梯的设计、工艺不断提高，电梯的品种也逐渐增多，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新：

手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等；多台电梯还出现了并联控制、智能群控；双层轿箱电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势，变速式自动人行道扶梯大大节省了行人的时间；不同外形的电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。

1.2设计要求

电梯的结构分为：

四大空间，八大系统；四大空间：

机房部分、井道及地坑部分、轿厢部分、层站部分；八大系统：

曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统；电梯的功能结构决定电梯的八大应用技术：

⑴全数字识别乘客技术（所有乘客进入电梯前进行识别，其中包括眼球识别、指纹识别）

2数字智能型安全控制技术（通过乘客识别系统或者IC卡以及数码监控设备，拒绝外来人员进入）

3第四代无机房电梯技术（主机必须与导轨和轿厢分离，完全没有共振共鸣，速度可以达到2.0M/S以上，最高可以使用在30层以上。

）

4双向安全保护技术（双向安全钳、双向限速器，在欧洲必须使用，中国正在被普遍使用）

5快速安装技术（改变过去的电梯安装方法，能够快速组装）

6节能技术（采用节能技术，使电梯更节约能源）　　

7数字监控技术（完全采用计算机进行电梯监控与控制）

8无线远程控制及报警装置（当电梯产生故障时，电梯可以通过无线装置给手机发送故障信息，并通过手机发送信号对电梯进行简单控制。

）

本论文主要是控制电梯的运行模式和状态，对信号进行处理的模块，重点在对响应的信号进行处理，并将处理结果反馈给对应功能的控制端口，实现对电梯运行的全面控制。

2总体方案

电梯方向优先控制方式控制系统框图

2.1.论文研究的主要内容

本论文的电梯控制器所有的程序可以集成在一个FPGA开发芯片上面，不用在用其他功能的分立逻辑元件，达到集成度高、响应快、功耗低的特点。

本论文是基于FPGA的电梯控制器的研究，是电梯控制的核心技术，通过电梯控制器可以对电梯运行模式和状态进行全面的控制，这也是次论文的研究重要性；电梯的层数为6层，本次论文采用模块化设计，主要分为四大模块：

时钟分频模块、按键处理模块、电梯运行控制模块、数码管显示模块。

由于FPGA技术近些年来蓬勃发展，而且在很多领域已经应用的十分成熟，用FPGA可以实现对电梯精确、实时性控制，而且用于FPGA开发的芯片都是一些微处理器芯片，便于集成和智能化设计，而且大大缩短了开发周期。

3.FPGA概述

FPGA（FieldProgrammableGateArry）即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点；FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输入输出模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。

4.FPGA硬件体系结构

FPGA采用逻辑单元阵列（LCA，LogicCellArray）新概念，内部包括可配置逻辑模块（CLB，ConfigurableLogicBlock）、输入输出模块（IOB，InputOutputBlock）和内部互连资源（IR，InterconnectResources）三部分组成。

1可配置逻辑块（CLB，ConfigurableLogicBlock）是FPGA的主要组成部分，主要是由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。

2输入输出模块（IOB，InputOutputBlock）提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接，主要是由输入触发器、输入缓冲器和输出触发、锁存器、输出缓冲器组成。

3可编程互连资源（IR，InterconnectResources）可以将FPGA内部的CLB和CLB之间、CLB和IOB之间连接起来，构成各种具有复杂功能的系统，IR主要由许多金属线段构成，这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接。

5.电梯控制器的工作原理

本次论文是实现6层电梯的运行控制，当在某一楼层按下上升或者下降请求按钮时，控制器响应该请求并控制电梯前往该楼层，当到达该楼层时，电梯开门，当进入电梯后，电梯关门，此时按下要到达的楼层按钮，控制器响应该请求并控制电梯前往该楼层，当到达前往楼层后，电梯开门，走出电梯，然后关门......，就这样往复的实现电梯的控制功能。

在电梯运行时遵循如下规则：

当电梯处于上升模式时，只响应比电梯所在位置高的上楼信号，由下至上依次执行；直到最后一个上楼请求执行完毕，如有更高层有下楼请求时，则直接升到有下降请求的最高楼，然后进入下降模式，电梯处于下降模式时，则与上升相反。

电梯的输入信号主要包括外部输入信号和内部输入信号；对于电梯外部输入信号主要有：

每一层电梯门外都有上升请求和下降请求按钮，其中一楼电梯门外只有上升请求按钮，6楼电梯门外只有下降请求按钮。

对于电梯内部输入信号主要有：

6个前往楼层的按钮、提前关门按钮、延时关门按钮、电梯异常按钮。

电梯输出信号也主要包括外部输出信号和内部输出信号；对于电梯外部输出信号包括上升请求按钮和下降按钮指示信号、电梯当前所在楼层指示信号、电梯运行方向指示信号。

电梯内部输出信号包括6个前往楼层按钮指示信号、超重等警告指示信号、电梯当前所在楼层指示信号、电梯运行方面指示信号。

6.电梯控制系统的设计内容

本次论文是基于FPGA的电梯控制器的研究，是电梯控制的核心技术，通过电梯控制器可以对电梯运行模式和状态进行全面的控制，这也是次论文的研究重要性；电梯的层数为6层，本次论文采用模块化设计方法，主要分为四大模块：

时钟分频模块、按键处理模块、电梯运行控制模块、数码管显示模块。

本论文是基于FPGA的电梯控制器的研究，是电梯控制的核心技术，通过电梯控制器可以对电梯运行模式和状态进行全面的控制，这也是次论文的研究重要性；电梯的层数为6层，本次论文采用模块化设计方法，主要分为四大模块：

时钟分频模块、按键处理模块、电梯运行控制模块、数码管显示模块。

其方框原理图如下：

电梯控制器原理图

7.时钟分频模块

时钟分频模块功能是将系统频率分频为两种不同的频率，一个是2分频时钟供电梯运行控制模块使用，另一个8分频时钟供其他模块使用，其源代码如下：

时钟分频模块：

clkdiv.vhd

LibraryIeee;UseIeee.Std_Logic_1164.All;

UseIeee.Std_Logic_unsigned.All;//定义所用的标准库

Port（clk:

InStd_Logic;//系统时钟频率

clk_2:

OutStd_Logic;//2分频脉冲（作为电梯控制时钟）

clk_8:

OutStd_Logic//8分频脉冲（作为按键处理时钟）

）;//定义输入输出变量

Endclkdiv;

Signalcnt:

Std_Logic_Vector（7Downto0）;//定义一个8位的变量

BeginProcess（clk）//时钟分频进程

BeginIfclk'eventandclk='1'Then//时钟脉冲上升沿有效

cnt<=cnt+1;

clk_2<=cnt

（1）;//变量cnt的第1位输出2分频

clk_8<=cnt（4）;//变量cnt的第3位输出8分频

EndProcess;

Endone;

源程序编写完成后，进行调试、运行并生成模块文件，确认没有错误之后进行功能仿真、时序分析。

其模块原理图如下：

时钟分频模块原理图

8.电梯运行控制模块

电梯运行控制模块是此次设计的核心，电梯运行的模式和状的态控制效果完全取决于电梯控制模块，它的功能是在系统2分频时钟下，根据按键处理模块输出的信号，控制电梯上升与下降运行模式和状态，当电梯关门时输出相应的上升与下降清除信号，同时输出电梯当前所在楼层的数码管输出信号与电梯运行方向，本次是设计的6层电梯控制系统，在源程序中具体要体现一下功能：

1每层电梯（除1楼和6楼外，1楼只有上升请求按钮，6楼只有下降请求按钮）入口出设置有上升和下降请求按钮，电梯内部设有要到达楼层的请求按钮1-6楼。

2设有电梯所处位置数码管显示部分，电梯运行模式的LED显示部分。

3电梯能记忆电梯外部所有信号请求，并按照电梯运行规则进行顺序响应，每个电梯请求信号保留到电梯响应结束。

4电梯运行规则：

当电梯上升时候，只响应比电梯所在楼层高的上楼信号，由下到上依次执行，直到最后一个上升请求信号执行完毕，当电梯下降时候，只响应比电梯所在楼层低的下楼信号，由上到下依次执行，直到最后一下下降请求信号执行完毕。

电梯运行控制模块的源程序如下：

电梯运行控制模块：

elevator_run.vhd

LibraryIeee;

UseIeee.Std_Logic_1164.All;

UseIeee.Std_Logic_Arith.All;

UseIeee.Std_Logic_unsigned.All;//定义所用的标准库

Entityelevator_runIs

Port（clk:

InStd_Logic;//电梯时钟

rst:

InStd_Logic;//异步置位按键

alarm:

inStd_Logic;

up_light:

inStd_Logic_Vector（6Downto1）;//电梯外部上升请求指示灯

down_light:

inStd_Logic_Vector（6Downto1）;//电梯外部下降请求指示灯

inside_light:

inStd_Logic_Vector（6Downto1）;//电梯内部楼层请求指示灯

position:

outintegerrange1to6;//电梯位置变量

door_light:

OutStd_Logic;//电梯门开关指示灯

clear_up:

outStd_Logic;//用于清除上升请求指示灯信号

clear_down:

outStd_Logic//用于清除下降请求指示灯信号

delay:

InStd_Logic;//延时关门变量

advance:

InStd_Logic;//提前关门变量

updown_light:

BufferStd_Logic_Vector（7Downto0）;//电梯升降显示

）;