基于FPGA的电梯控制系统设计

    摘要：介绍了基于FPGA的四层电梯控制系统的设计。该系统采用Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C5T144作为主控制芯片，采用Verilog-HDL编程描述，实现对电梯的智能控制，经仿真验证，完成所要求功能。该设计采用模块化编程，升级可实现任意多层电梯系统，具有很强的适应性和实用性。
关键词：电梯控制；FPGA；Verilog；控制模块

0 引言
    随着社会的发展，电梯的使用越来越普遍，对电梯功能的要求也不断提高，其相应控制方式也在不断发生变化。电梯的微机化控制主要有：PLC控制、单板机控制、单片机控制、单微机控制、多微机控制和人工智能控制等。随着专用集成电路ASIC设计技术和EDA技术的发展，可编程逻辑器件的广泛使用，为数字系统设计带来了革命性的变化，改变了传统的电路设计中使用的芯片多、电路复杂、出现问题不易查找、不易进行功能扩展的缺点。本设计使用FPGA器件作为主控制芯片，采用Verilog-HDL语言设计一个四楼层单个载客箱的电梯控制系统，设计采用模块化设计，便于修改和升级，可稍加改进，实现多层电梯控制。

1 电梯控制系统总体设计
1．1 设计任务及要求
    设计一个四层电梯控制系统，要求如下：
    (1)各层电梯内部信号：各楼层请求按键、开关门请求按键，所在楼层显示，电梯运行状态显示。外部信号：上升下降请求按键，所在楼层显示，电梯运行状态显示。
    (2)能够存储请求信号，电梯上升(下降)过程中，根据电梯的运行状态，首先按方向优先、循环次序响应各请求。
    (3)到达请求楼层后，该层的指示灯亮，电梯门自动打开，开门指示灯亮。延时等待时间后，电梯门自动关闭(开门指示灯灭)，电梯继续运行。电梯空闲时，停在0层。
    (4)具有超载报警功能。
1．2 电梯控制系统硬件结构
    电梯控制系统硬件结构如图1所示。

    如图1所示，该系统主要由FPGA控制器、各输入信号模块、输出驱动模块组成。FPGA控制模块的输入信号有：电梯内外请求信号、楼层到达信号、重启超载报警等信号；其输出信号分别驱动显示电路、电梯开关门电路、电机驱动电路、以及其他如报警电路等。FPGA控制模块是本设计的核心。

2 FPGA控制器的设计与实现
    本设计的开发软件使用Altera公司的QuartusⅡ集成开发环境，采用自上而下的设计方法，模块设计与Verilog-HDL描述相结合的输入方式，便于程序的维护与升级。FPGA控制器整体设计如图2所示。

  如图2所示，FPGA控制编程主要由六个模块组成：按键请求模块、状态控制模块、电机驱动模块、显示及报警模块、开关门控模块、分频模块。各模块的信号及功能如下：
    模块1：按键请求模块
    该模块的接口信号如表1所示，模块功能如下：
    (1)利用锁存器对输入的请求信号进行存储，当请求满足后清0。为了数据表示方便，本设计的后缀0～3分别表示1～4层。
    (2)根据电梯的运行状态，按照方向优先、循环执行的原则，在请求信号中提取电梯下一站的楼层信号并输出。如目前楼层为2层，状态为升，那么判断优先级为：p2／up2→p3／down3→down2→downl→p0／up0。
    (3)当无请求信号时，下一站楼层为0。

    模块2：状态控制模块
    本模块是系统设计的核心控制模块。本文把电梯运行划分为4个状态，分别为：上升、下降、停止、空闲。控制系统的状态转换图如图3所示。

系统重启时(res=1)，进入空闲状态(Idle)，空闲状态下，输出信号posit=up=down=open=0，当输入信号goto为0时，保持空闲状态；当goto信号不为0时，进入上升状态(Stop)。当第一层上升信号触发时，进入停止状态。停止状态下，open信号上升沿触发电梯开门；up=down =0，posit=goto。在电梯开门延时期间(dooropen=1)，保持停止状态；当电梯门关上时(dooropen=0)，判断下一站楼层，若大于目前楼层，进入上升状态，若小于目前楼层，进入下降状态。上升状态下，up=1，updown=01，posit=goto，触发电机控制模块拖拽电机上升。楼层达到信号，使系统进入停止状态。下降状态同理。本模块接口信号如表2所示。

    模块3：电机控制模块
    本模块输入信号有：上升触发信号(up)、下降触发信号(down)、所在楼层(posit)以及下一站楼层(goto)，输出信号：4个位不同相位的电机驱动信号。模块由升降信号触发，经电机状态控制器，产生4个相位的电机驱动信号P[3：0]，输出至电机驱动电路，其频率决定电机转动，其相位决定电机的转动方向。P[3：0]的各频率信号由分频器模块提供。
    模块4：显示模块
    本模块功能用于电梯所在楼层(posit)、电梯运行状态(updown)的七段码显示或LED显示。以及超载信号(over)的报警和显示。
    模块5：门控模块
    本模块用来控制电梯门状态，由输入门控信号open信号触发开门(doorstat=1)，经过延时，电梯门自动闭合(doorstat=0)。所超载(over=1)，则电梯门不合，电梯保持开门状态，直到超载信号清除。
    模块6：分频模块
    分频模块用来对系统时钟信号分频，产生向电机控制模块提供的各频率信号。

3 仿真验证
    本设计顶层采用模块化设计，各模块采用VerilogHDL硬件描述语言。自顶向下的设计方式，便于程序查错、升级、改进，本设计稍加修改，即可实现任意楼层电梯控制。对所设计程序进行分析、编译、综合、布线后产生的电路进行功能仿真和时序仿真，均可获得符合设计要求的逻辑值。时序仿真波形如图4所示。

    由图4可以看出：控制器始终能有效存储各楼层请求信号，能按照方向优先、循环次序执行各楼层请求。各信号状态符合设计要求。信号延时为10 ns级，在允许范围内。
    本设计硬件实现采用康芯KX_7CH最小系统版。程序经引脚锁定并编程下载到器件，经测试，逻辑完全正确，达到设计要求。

4 结论
    基于FPGA的数字电路设计方式在可靠性、体积、成本上的优势是巨大的，它已经成为实现数字电路的主要手段之一。本文设计的四层电梯控制器，稍加改进即适合于任意楼层，灵活性强，运行可靠，具有很强的适应性和实用性。