基于FPGA的電梯控制系統設計

◇武漢輕工大學電氣與電子工程學院 陶云軒 李素芬 張祥武 楊文卓

使用FPGA器件作為主控制芯片，Quartus II作為編程軟件，使用DE10-NANO作為編程后的硬件板子，設計一個基于DE10-NANO板的電梯控制系統，便于實現更多層電梯控制，有較強的靈活性。

電梯在生活中隨處可見，大型的商城中、高檔的酒店內都少不了電梯的身影。現階段，電梯控制系統硬件由轎廂操縱盤、廳門信號、PLC、變頻器、調速系統構成，變頻器只完成調速功能，而邏輯控制部分是由PLC完成的。PLC負責處理各種信號的邏輯關系，從而向變頻器發出起停信號，同時變頻器也將本身的工作狀態輸送給PLC，形成雙向聯絡關系[1-2]。

FPGA，其實是一種開發者在短時間內利用個人PC就可以在實現多次重寫的廉價設備，是高密度可編程邏輯器件的主流產品[3]，具有運行效率高，操作簡易，易于實現大規模系統和二次開發的系統。

Quartus II 是Altera公司的綜合性CPLD/FPGA開發軟件，原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware 支持DescriptionLanguage）等多種設計輸入形式，內嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計流程[4]。

本研究將使用FPGA器件作為主控制芯片，Quartus II作為編程軟件，設計一個基于DE10-NANO板五層電梯控制系統。

1 電梯的控制要求[5]

（1）該電梯五層，除第一、五層，每層都設有上下鍵，一層設有上鍵，五層設有下鍵。

（2）電梯內有防超重系統、緊急呼叫按鈕、故障指示燈、報警系統和樓層按鈕等。

（3）電梯到達指定樓層后，過2秒后電梯門打開，開門4s電梯開始關閉，再經過6s電梯開始上下行。

（4）電梯沒有接到指令時，在3樓待命。

2 系統設計

2.1 電梯控制器的模塊設計

電梯控制器主要由指令請求模塊、電梯運行狀態模塊、顯示模塊、開關門模塊、超重報警模塊這五個模塊組成。以下為這五個模塊的功能。

（1）指令請求模塊。

表1 指令請求模塊信號

電梯在運行的過程中，并不是簡單的按照順序優先邏輯，而是按照最佳方案來運行的，例如：當電梯在1樓時，同時收到4樓和5樓的下降請求信號，則電梯首先上升到5樓，然后再下降到4樓，這樣可以最大化的節省電能。在沒有請求時，電梯會自動到3樓待機。

（2）電梯運行狀態模塊。

電梯運行狀態分為上升、下降、預上升、預下降、停止。

當電梯沒有收到請求信號時，電梯自動回到3樓，進入待機狀態，或者說是預上升狀態，此時電梯只能接收到上升信號。

當電梯在2、3、4樓時，如果沒有收到信號，則返回3樓進入待機狀態；如果收到上升信號，則進入預上升狀態，準備上升；若收到下降信號，則進入預下降狀態，準備下降。

當電梯在5樓時，此時電梯只能接收到下降信號。若沒有請求信號，則自動返回3樓待機；若收到下降信號，則進入預下降狀態，準備下降。

進一步分析，當電梯處于停滯狀態，如果有樓層上升信號（out_upi，i為2至5）產生時，電梯就會進入預上升狀態（pre_up），電梯門處于關閉狀態（door<=2'b00），過6s后電梯進入上升狀態（up<=1'b1）；如果有樓層下降（out_dowi，i為2至5）信號產生時，電梯就會進入預下降狀態（pre_dow），電梯門處于關閉狀態（door<=2'b00），過6s后電梯進入下降狀態（down<=1'b1）。

表2 運行狀態模塊信號

（3）顯示模塊。

顯示模塊包括以下兩部分：

a、用七段數碼表示的電梯樓層顯示。如用display<=7'b011 0000表示電梯到達1樓，display<=7'b1101101表示電梯到達2，display<=7'b1111001表示電梯到達3樓，display<=7'b0110011表示電梯到達4樓display<=7'b1011111表示電梯到達5樓。其原理為：當電梯在某樓時，其中一部分接上正電源，此時數碼管將顯示該樓層的數字。

b、電梯超重報警（alarm）。

表3 顯示模塊信號

（4）開關門模塊。

該模塊用來控制電梯門的開關。當電梯到達指定樓層時，電梯門為打開狀態（door<=2'b10），經過4s后，電梯開始關門（close<=2'b10），再經過6s，電梯開始進行向上（up）或向下（down）操作。還可以在電梯關門期間中斷關門（stop<=2'b10）和電梯處于開門期間提前關門（close<=2'b10）。

并且，在出現電梯超載的情況下，電梯門不會關閉（close<=2'b00），直到電梯處于安全狀態，才關閉電梯門。

表4 開關門模塊信號

（5）超重報警模塊。

本模塊用來防止電梯超重。當電梯超重（full）時，電梯接到超載警告信號（alarm），電梯門會處于打開狀態（door<=2'b10），當電梯不再超載時，清除警報（sys），電梯進入關門狀態。

表5 超重報警模塊信號

2.2 仿真及其分析

當電梯在1樓（att_floor1）時，5樓產生了向下的請求信號（out_dow5），于是電梯進入預上升狀態，電梯門（door）關閉。在判斷無超載信號（full）產生后，電梯進入上升狀態（up）。電梯經過2樓（att_floor2）、3樓（att_floor3）、4樓（att_floor4）后抵達5樓（att_floor5），電梯停止上升，電梯門（door）打開，電梯進入停止狀態（stop）。

圖1 接收到向下的請求信號

當電梯抵達5樓（att_floor5）后，電梯接收到電梯內部到2樓的指令請求（out_ord2），但此時電梯接受到超載信號（full），于是發出警報（alar），電梯門（door）處于打開狀態，電梯處于停止狀態。等到超重狀態解除時時，電梯門關閉（door），電梯進入預下降狀態，隨后電梯開始下降（down）。電梯經過4樓（att_floor4）、3樓（att_floor3）后抵達2樓（att_floor5），電梯門打開（door）。

圖2 電梯內部收到向2樓的指令請求

3 結語

本文基于FPGA，運用Quartus II軟件設計了一個五層電梯，詳細介紹了電梯控制系統的模塊設計（包括了指令請求模塊、電梯運行狀態模塊、顯示模塊、開關門模塊、超重報警模塊這五個模塊）。并且本設計在追求電路簡單化、性能穩定、運行安全可靠、操作便捷的同時，也能及時查找出問題，便于修改和升級，以實現更多層電梯控制。