FPGA在電梯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

田紅光

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001)

隨著社會的發(fā)展，電梯的使用越來越普遍，對電梯功能的要求也不斷提高，相應(yīng)地其控制方式也在不斷發(fā)生變化。對于電梯的控制,傳統(tǒng)的方法是使用繼電器-接觸器控制系統(tǒng)進行控制,進入全微機化控制的時代，微型計算機在電梯控制上的應(yīng)用日益廣泛。電梯的微機化控制主要有以下幾種形式：①PLC控制；②單板機控制；③單片機控制；④單微機控制；⑤多微機控制；⑥人工智能控制。隨著EDA技術(shù)的快速發(fā)展，CPLD/FPGA因其高速處理信號的能力、可在線編程、易于實現(xiàn)、開發(fā)周期短、便于維護等優(yōu)點，使FPGA已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計控制的各個方面。本文就是使用一片Altera公司的EP1K30TC144為控制中心，以VHDL編程語言為基礎(chǔ)進行了電梯控制器的設(shè)計，并做了仿真。

1 系統(tǒng)功能簡介

電梯控制器[1]的功能：每層電梯入口處設(shè)有上下請求開關(guān)；電梯內(nèi)設(shè)有乘客到達層次的停站請求開關(guān)；電梯所處位置指示裝置及電梯運行模式指示裝置；電梯每分鐘升降一層樓。電梯到達有停站請求的樓層后，經(jīng)過5 s電梯開門，開門指示燈亮，開門10 s后電梯門關(guān)閉，電梯繼續(xù)運行，直到運行完最后一個請求信號后停在當(dāng)前層;能記憶電梯內(nèi)外所有請求信號，并按照電梯運行規(guī)則依次響應(yīng)，每個信號保留至執(zhí)行后消除。

電梯運行規(guī)則：遵循方向優(yōu)先的原則，電梯上升時，只響應(yīng)比電梯所在位置高的上樓請求信號，由下到上逐個執(zhí)行，直到最后一個上樓請求執(zhí)行完畢，如更高層有請求下樓信號，則直接上升到有下樓請求的最高層，然后進入下樓狀態(tài)。電梯下降時，與上升狀態(tài)規(guī)則相反。

輸入信號定義：

系統(tǒng)復(fù)位信號：reset，高電平有效；

電梯入口處一層、二層的上樓請求開關(guān)：upone、uptwo；

電梯入口處二層、三層的下樓請求開關(guān)：downtwo、downthree;

電梯內(nèi)部到達樓層的停站請求開關(guān)：one、two、three;

所有輸入信號的規(guī)定為：1表示有請求，0表示無請求；

輸出信號定義：

電梯外部上升和下降請求指示燈：lightup和lightdown， 這些信號與 upone、uptwo、downtwo和 downthree信號相對應(yīng)；

電梯內(nèi)部乘客到達樓層的停站請求燈：arr，該信號與 one、two和 three相對應(yīng)；

電梯所在樓層指示：p表示電梯在對應(yīng)樓層；

電梯的運行狀態(tài)：lightdown指示向下運行，lightup向上運行，arr指示電梯的開關(guān)門狀態(tài)及是否到達樓層。

2 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.2 頂層電路的設(shè)計

縱觀各種基于FPGA的電梯控制器，很少有人介紹并使用構(gòu)造體的結(jié)構(gòu)描述方式。即在多層次的設(shè)計中，高層次的設(shè)計模塊調(diào)用低層次的設(shè)計模塊，或者直接使用門電路設(shè)計單元來完成一個復(fù)雜的邏輯電路的描述方法。結(jié)構(gòu)描述方式最能提高設(shè)計效率，它可以將已有的設(shè)計成果方便地運用到新的設(shè)計中去。

本系統(tǒng)的頂層電路設(shè)計就采用構(gòu)造體的結(jié)構(gòu)描述方式。易于實現(xiàn)，易于糾錯，易于修改程序。

上層模塊源程序[4]及注釋：

2.3 主模塊設(shè)計

控制模塊是整個設(shè)計的核心部分，本設(shè)計采用狀態(tài)機[2]的方法來實現(xiàn)。依據(jù)電梯的功能要求，這里將電梯的工作分為10個狀態(tài)。狀態(tài)機如圖2所示。(1)控制模塊有兩個進程：k1控制輸入，無論電梯在什么狀態(tài)均能接收用戶的輸入請求，該進程由1 MHz的時鐘觸發(fā)；k2控制電梯的升、降、停留，該程序由1 Hz的時鐘觸發(fā)。(2)進程k1是由1MHz的時鐘作為觸發(fā)沿，不斷地檢測用戶是否有輸入請求，對于一、二、三層信號，分別有 flag1、flag2、flag3 和 clear1、clear2、clear3 兩 套標(biāo) 志 位來控制輸入請求是否有效，是否應(yīng)該對標(biāo)志位清零。程序有兩個表示電梯的狀態(tài)：一是位置狀態(tài)，二是運行狀態(tài)。

3 電梯控制系統(tǒng)仿真

電梯控制系統(tǒng)的仿真[3]波形如圖3所示，由仿真波形可以看出，當(dāng)電梯的外部出現(xiàn)2樓下樓申請downtwo時，電梯運行p到2樓，開門等待，再關(guān)門；當(dāng)電梯的內(nèi)部有停3樓three申請時，電梯運行到3樓，開門等待，再關(guān)門；如果電梯的外部繼續(xù)有1樓上樓申請upone，電梯從3樓下降到1樓，開門等待，然后關(guān)門。電梯位置的變化及其運行和最初的設(shè)計要求完全符合。

本系統(tǒng)是基于EP1K30TC144的一個多樓層中單個載客箱的電梯控制器，該控制器可控制電梯完成3個樓層的載客服務(wù)（和多樓層的控制機理相同，可擴展至任意樓層），而且遵循方向優(yōu)先的原則，能夠提前關(guān)閉電梯門和延遲關(guān)閉電梯門，提供電梯運行的開關(guān)控制按鈕，同時指示電梯的運行狀態(tài)、樓層間的運行時間以及電梯所在樓層的等待時間。電梯對用戶的響應(yīng)率非常高，且響應(yīng)的時間比較短。電梯在維修停止?fàn)顟B(tài)時可以進入省電模式，能夠節(jié)省大量電能。

[1]侯伯亨，顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計（修訂版）[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[2]路而紅.專用集成電路設(shè)計與電子設(shè)計自動化[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]袁文波，張皓，唐振中.FPGA應(yīng)用開發(fā)從實踐到提高[M].北京：中國電力出版社，2007.