基于FPGA的電梯控制系統設計

摘 要：介紹了基于FPGA的四層電梯控制系統的設計。該系統采用Altera公司的Cyclone Ⅱ系列FPGA芯片EP2C5T144作為主控制芯片，采用Verilog-HDL編程描述，實現對電梯的智能控制，經仿真驗證，完成所要求功能。該設計采用模塊化編程，升級可實現任意多層電梯系統，具有很強的適應性和實用性。

關鍵詞：電梯控制； FPGA； Verilog; 控制模塊

中圖分類號：TN915-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0208-03

Design of Elevator Control System Base on FPGA

SUN Yan-min， PANG Xue-min， YUE Cai-qing， DANG Zhi-jun

(Institute of Science， Information Engineering University， Zhengzhou 450001， China)

Abstract： The design of four-floor elevator control system based on FPGA is introduced. The system uses the FPGA chip EP2C5T144 in Cyclone II series of Altera company as the main control chip and adopts Verilog-HDL to carry out Program description to realize the intelligent control of the elevator. The simulation result proves the required functions in the system design. The design employs the modular programming， which can implement the control of arbitrary multi-floor elevator system after upgrading. The elevator control system has strong adaptability and practicality.

Keywords： elevator control; FPGA; Verilog; control module

0 引 言

隨著社會的發展，電梯的使用越來越普遍，對電梯功能的要求也不斷提高，其相應控制方式也在不斷發生變化。電梯的微機化控制主要有：PLC控制、單板機控制、單片機控制、單微機控制、多微機控制和人工智能控制等［1-2］。隨著專用集成電路ASIC設計技術和EDA技術的發展，可編程邏輯器件的廣泛使用，為數字系統設計帶來了革命性的變化，改變了傳統的電路設計中使用的芯片多、電路復雜、出現問題不易查找、不易進行功能擴展的缺點［3-4］。本設計使用FPGA器件作為主控制芯片，采用Verilog-HDL語言設計一個四樓層單個載客箱的電梯控制系統，設計采用模塊化設計，便于修改和升級，可稍加改進，實現多層電梯控制。

1 電梯控制系統總體設計

1.1 設計任務及要求

設計一個四層電梯控制系統，要求如下：

(1) 各層電梯內部信號：各樓層請求按鍵、開關門請求按鍵，所在樓層顯示，電梯運行狀態顯示。外部信號：上升下降請求按鍵，所在樓層顯示，電梯運行狀態顯示。

(2) 能夠存儲請求信號，電梯上升(下降)過程中，根據電梯的運行狀態，首先按方向優先、循環次序響應各請求。

(3) 到達請求樓層后，該層的指示燈亮，電梯門自動打開，開門指示燈亮。延時等待時間后，電梯門自動關閉(開門指示燈滅)，電梯繼續運行。電梯空閑時，停在0層。

(4) 具有超載報警功能。

1.2 電梯控制系統硬件結構

電梯控制系統硬件結構如圖1所示。

如圖1所示，該系統主要由FPGA控制器、各輸入信號模塊、輸出驅動模塊組成。FPGA控制模塊的輸入信號有：電梯內外請求信號、樓層到達信號、重啟超載報警等信號；其輸出信號分別驅動顯示電路、電梯開關門電路、電機驅動電路、以及其他如報警電路等。FPGA控制模塊是本設計的核心。

2 FPGA控制器的設計與實現

本設計的開發軟件使用Altera公司的Quartus Ⅱ集成開發環境［5］，采用自上而下的設計方法［6］，模塊設計與Verilog-HDL描述相結合的輸入方式［7］，便于程序的維護與升級。FPGA控制器整體設計如圖2所示。

如圖2所示，FPGA控制編程主要由六個模塊組成：按鍵請求模塊、狀態控制模塊、電機驅動模塊、顯示及報警模塊、開關門控模塊、分頻模塊。各模塊的信號及功能如下：

模塊1：按鍵請求模塊

該模塊的接口信號如表1所示，模塊功能如下：

(1) 利用鎖存器對輸入的請求信號進行存儲，當請求滿足后清0。為了數據表示方便，本設計的后綴0~3分別表示1~4層。

(2) 根據電梯的運行狀態，按照方向優先、循環執行的原則，在請求信號中提取電梯下一站的樓層信號并輸出。如目前樓層為2層，狀態為升，那么判斷優先級為：p2/up2→p3/down3→down2→down1→p0/up0。

(3) 當無請求信號時，下一站樓層為0。

本模塊是系統設計的核心控制模塊。本文把電梯運行劃分為4個狀態，分別為：上升、下降、停止、空閑。控制系統的狀態轉換圖如圖3所示。

系統重啟時(res =1)，進入空閑狀態(Idle)，空閑狀態下，輸出信號posit=up=down=open=0，當輸入信號goto為0時，保持空閑狀態；當goto信號不為0時，進入上升狀態(Stop)。當第一層上升信號觸發時，進入停止狀態。停止狀態下，open信號上升沿觸發電梯開門；up=down=0，posit=goto。在電梯開門延時期間(dooropen=1)，保持停止狀態；當電梯門關上時(dooropen=0)，判斷下一站樓層，若大于目前樓層，進入上升狀態，若小于目前樓層，進入下降狀態。上升狀態下，up=1，updown=01，posit=goto，觸發電機控制模塊拖拽電機上升。樓層達到信號，使系統進入停止狀態。下降狀態同理。本模塊接口信號如表2所示。

本模塊輸入信號有：上升觸發信號 (up)、下降觸發信號(down)、所在樓層(posit)以及下一站樓層(goto)，輸出信號：4個位不同相位的電機驅動信號。模塊由升降信號觸發，經電機狀態控制器，產生4個相位的電機驅動信號P［3:0］，輸出至電機驅動電路，其頻率決定電機轉動，其相位決定電機的轉動方向［8］。P［3:0］的各頻率信號由分頻器模塊提供。

模塊4：顯示模塊

本模塊功能用于電梯所在樓層(posit)、電梯運行狀態(updown)的七段碼顯示或LED顯示。以及超載信號(over)的報警和顯示。

模塊5：門控模塊

本模塊用來控制電梯門狀態，由輸入門控信號open信號觸發開門(doorstat=1)，經過延時，電梯門自動閉合(doorstat=0)。所超載(over=1)，則電梯門不閉合，電梯保持開門狀態，直到超載信號清除。

模塊6：分頻模塊

分頻模塊用來對系統時鐘信號分頻，產生向電機控制模塊提供的各頻率信號。

3 仿真驗證

本設計頂層采用模塊化設計，各模塊采用Verilog-HDL硬件描述語言。自頂向下的設計方式，便于程序查錯、升級、改進，本設計稍加修改，即可實現任意樓層電梯控制。對所設計程序進行分析、編譯、綜合、布線后產生的電路進行功能仿真和時序仿真，均可獲得符合設計要求的邏輯值。時序仿真波形如圖4所示。

由圖4可以看出：控制器始終能有效存儲各樓層請求信號，能按照方向優先、循環次序執行各樓層請求。各信號狀態符合設計要求。信號延時為10 ns級，在允許范圍內。

本設計硬件實現采用康芯KX_7CH最小系統版。程序經引腳鎖定并編程下載到器件，經測試，邏輯完全正確，達到設計要求。

4 結 論

基于FPGA的數字電路設計方式在可靠性、體積、成本上的優勢是巨大的，它已經成為實現數字電路的主要手段之一［9-10］。本文設計的四層電梯控制器，稍加改進即適合于任意樓層，靈活性強，運行可靠，具有很強的適應性和實用性。

參 考 文 獻

［1］張漢杰.現代電梯控制技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2006.

［2］王子文，駱建華.電梯PLC控制策略及其程序設計［J］.起重運輸機械，2006(7):14-17.

［3］賀敬凱，王瑞春，萬學元.基于FPGA的電梯控制器系統設計［J］.深圳信息職業技術學院學報，2006，8(2):57-60.

［4］陳兆芳.基于FPGA的電梯控制系統［J］.福建電腦，2010(2):164-165.

［5］王誠，吳繼華.Altera FPGA/CPLD設計:基礎篇［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

［6］潘松，黃繼業.EDA技術實用教程［M］.4版.北京:科學出版社，2010.

［7］夏宇聞.Verilog數字系統設計教程［M］.2版.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［8］齊云，張永瑞.基于CPLD的電梯控制器的設計與實現［J］.電子科技，2008，21(7):69-72.

［9］李軍法.基于CPLD的電梯運行控制器的設計[J].電子設計工程，2009，17(7):59-61.

［10］高迎慧，侯忠霞，楊成林.基于FPGA的自動升降電梯控制器設計[J].遼寧工程技術大學學報，2007，26(2):242-244.

作者簡介：

孫艷敏 女，1982年出生，助教， 碩士。主要研究方向為數字信號處理技術、嵌入式系統。