基于FPGA的四層電梯控制器設(shè)計

1、山東大學(xué)威 海 分 校課 程 設(shè) 計 報 告設(shè)計題目： _基于fpga的四層電梯控制器設(shè)計 指導(dǎo)教師： 李素梅 鄭亞民 董曉舟 _姓 名：學(xué) 號：20058002089院 系： 信息工程學(xué)院專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)年 級： 2005級2008年 7月 15 日目 錄摘 要1關(guān)鍵詞11、設(shè)計要求12、總體設(shè)計13、詳細(xì)設(shè)計23.1 中央處理模塊23.2 外部數(shù)據(jù)采集模塊33.3 信號存儲模塊33.3 顯示模塊44、仿真45、結(jié)語5附 錄 ：源程序5摘 要: 本文介紹了基于fpga的電梯控制器的總體設(shè)計方案，闡述了其內(nèi)部功能模塊的工作原理，基于狀態(tài)機的原理，利用vhdl語言對各功能模塊進(jìn)行了編程

2、、編譯、仿真，并下載到實驗箱上進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，該電梯控制器按進(jìn)循方向優(yōu)先的原則可為四個樓層提供載客服務(wù)，并具有電梯運行情況指示功能。文中使用的設(shè)計方法不僅簡化了電路設(shè)計、節(jié)約了設(shè)計成本，而且提高了控制器的可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。關(guān)鍵詞：vhdl; fpga; 狀態(tài)機; 電梯控制1、設(shè)計要求(1) 使用vhdl語言與狀態(tài)機設(shè)計思想設(shè)計一個4層建筑的電梯控制器；(2) 每層電梯入口設(shè)有上下請求開關(guān)及電梯內(nèi)設(shè)有到達(dá)樓層請求開關(guān)；(3) 電梯每5秒鐘升(降)一層；(4) 電梯到達(dá)有請求的樓層自動開門并定時關(guān)門和緊急狀態(tài)緊急停止運行的功能；(5) 能記憶電梯內(nèi)外所有請求信號并按照電梯運行規(guī)則按順序

3、響應(yīng), 每個請求信號留至執(zhí)行完后消除；(6) 電梯運行規(guī)則當(dāng)電梯處于上升模式時, 只響應(yīng)比電梯所在的位置高的上樓請求信號, 由下而上逐個執(zhí)行, 直到最后一個上樓請求執(zhí)行完畢，如果高層有下樓請求，則直接升到有下樓請求的最高樓層, 然后進(jìn)入下降模式，當(dāng)電梯處于下降模式時，則與上升模式相反。2、總體設(shè)計根據(jù)上述設(shè)計要求，可以得到電梯控制器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)包括外部數(shù)據(jù)采集模塊、信號存儲模塊、中央處理模塊、控制輸出與顯示模塊。外部數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集用戶通過按鍵輸入的請求信號、光敏傳感器采集的到達(dá)樓層信號和壓力傳感器采集的超載信號；信號存貯模塊負(fù)責(zé)存儲電梯內(nèi)外及各層用戶的請求信號和故障、超載

4、信號；中央處理模塊處理電梯運行中的各種狀態(tài),在電梯運行過程中,對信號存儲模塊的用戶請求數(shù)據(jù)進(jìn)行比對, 從而確定電梯的運行狀態(tài)；顯示模塊主要顯示電梯所在樓層、電梯運行方向和關(guān)門延時等；控制輸出主要有電梯的升、降、停和門的開、關(guān)、停以及報警等信號。中央處理器計時器時鐘樓層請求故障請求超載超載、故障報警樓層、關(guān)門延時顯示門開、關(guān)、停電梯升、降、停信號存儲外部數(shù)據(jù)采集圖1 電梯控制器總體結(jié)構(gòu)3、詳細(xì)設(shè)計3.1 中央處理模塊中央數(shù)據(jù)處理模塊是系統(tǒng)的核心，通過對存儲的數(shù)據(jù)（含用戶請求、到達(dá)樓層和故障、超載等信號）進(jìn)行比較、判斷以驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。電梯工作過程中共有4種狀態(tài)：第一層、第二層、第三層、第四層

5、。而每種狀態(tài)都有等待、上升、下降、開關(guān)門、超載報警以及緊急停止動作（第一層無下降動作，第四層無上升動作）。一般情況下，電梯工作起始點是第一層，起始狀態(tài)是等待狀態(tài)，啟動條件是收到上升請求信號。系統(tǒng)的狀態(tài)流程圖如圖2所示。圖中超載狀態(tài)時電梯關(guān)門動作取消，本系統(tǒng)由請求信號啟動，運行中每檢測到一個到達(dá)樓層信號，就將信號存儲器的請求信號與樓層狀態(tài)信號進(jìn)行比較，再參考原方向信號來決定是否停止、轉(zhuǎn)向等動作。第一層第二層第四層第三層上升下降等待、開關(guān)門、超載、緊急停止上升下降上升下降等待、開關(guān)門、超載、緊急停止等待、開關(guān)門、超載、緊急停止等待、開關(guān)門、超載、緊急停止圖2 系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖系統(tǒng)輸入輸出端口的vh

6、dl語言定義如下：port ( clk : in std_logic; -時鐘信號（頻率為1hz） o_u1,o_u2,o_u3: in std_logic; -電梯外人的上升請求信號 o_d2,o_d3,o_d4 : in std_logic; -電梯外乘客的下降請求信號 in1,in2,in3,in4 : in std_logic; -電梯內(nèi)乘客的請求信號 led : out std_logic_vector(3 downto 0);-電梯所在樓層顯示 led_c : out integer range 0 to 15; -開關(guān)門延時顯示 stop,overload : in std_lo

7、gic -緊急停止運行及超載信號 ); 3.2 外部數(shù)據(jù)采集模塊外部數(shù)據(jù)采集模塊的功能是實時、準(zhǔn)確的采集外部信號，以便準(zhǔn)確、實時的捕捉樓層到達(dá)信號、用戶請求信號和超載信號等，有效防止對樓層到達(dá)信號和外部請求信號的誤判。由于外界干擾，電路中會出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，使信號的純凈度降低，單個的毛刺往往會被錯誤的當(dāng)成系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號，從而嚴(yán)重影響電梯的正常工作。為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力，提高電梯工作的可靠性，可以采用多次檢測的方法，即對一個信號連續(xù)進(jìn)行多次采樣，以保證信號的可信度。 本設(shè)計實際不包含此模塊，而是采用按鍵輸入模擬此模塊來完成相應(yīng)功能的。在實際應(yīng)用中需包含此功能模塊。外部請求信號和緊急停止信

8、號的輸入形式為按鍵輸入，電梯自動上升或下降時間為5s，超載信號來自壓力傳感器。3.3 信號存儲模塊電梯控制器的輸入請求信號有10個（電梯外有 3個上升請求和3個下降請求的用戶輸入端口，電梯內(nèi)有4個用戶請求輸入端口），由于系統(tǒng)對內(nèi)、外請求沒有設(shè)置優(yōu)先級，各樓層的內(nèi)、外請求信號被采集后可先進(jìn)行運算，再存到存儲器內(nèi)，但對請求信號的響應(yīng)有一定的優(yōu)先級，即：當(dāng)電梯處于上升模式時, 只響應(yīng)比電梯所在的位置高的上樓請求信號, 由下而上逐個執(zhí)行, 直到最后一個上樓請求執(zhí)行完畢；如果高層有下樓請求則直接升到有下樓請求的最高樓層, 然后進(jìn)入下降模式。當(dāng)電梯處于下降模式時則與上升模式相反。電梯運行過程中，由于用戶請

9、求信號的輸入是離散的，而且系統(tǒng)對請求的響應(yīng)也是離散的，因此，請求信號的存儲要保證新的請求信號不能覆蓋原來的請求信號，只有當(dāng)響應(yīng)動作完成后才能清除存儲器內(nèi)對應(yīng)的請求信號位。對應(yīng)某一樓層的請求信號的存儲、清除電路如圖3所示。ram的對應(yīng)位與與外部某層請求信號內(nèi)部某層請求信號響應(yīng)信號（clr）圖3 請求信號操作電路圖3.3 顯示模塊系統(tǒng)的顯示輸出包括樓層顯示及關(guān)門延時顯示（若需要，還可以增加請求信號顯示和電梯運動方向指示）。電梯每到一新樓層時，樓層數(shù)碼管便會更新顯示為新樓層的層數(shù)；關(guān)門時會有3秒的倒計時顯示。4、仿真結(jié)果該電梯控制器使用vhdl語言設(shè)計，用atera公司cyclone系列中的ep1c

10、3t144c8芯片實現(xiàn)，在 quartus ii 7.2 (32-bit)環(huán)境下通過編譯和仿真，并下載到實驗箱上進(jìn)行了驗證,其中部分仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，電梯在1樓（led0）時處于等待狀態(tài)，當(dāng)有乘客在一樓電梯外請求要上3樓時(o_u1=1,in3=1),電梯開門后延時3秒（3個時鐘周期，實際中1個時鐘周期就是1秒，仿真時為提高速度時鐘周期取10ns）后關(guān)門（led_c=3,2,1,0）；電梯將要到達(dá)二樓時，有乘客在三樓電梯外請求要上四樓(o_u3=1)，電梯到達(dá)三樓時開門，釋放第一批乘客，接入第二批乘客；到達(dá)四樓后，進(jìn)入第三批乘客要去二樓，當(dāng)關(guān)門倒計時器數(shù)到1時（led_

11、c=1）,發(fā)現(xiàn)超載（overload=1），此時關(guān)門倒計時器停止，電梯一直處于四樓，對二樓乘客的請求（in2=1）也不響應(yīng)；超載信號消失后（overload =0），電梯一直下降至二樓，在關(guān)門倒計時器數(shù)到3時（led_c=3）,有人請求緊急停止（stop=1），此時電梯保持不動，緊急停止信號消失后（stop=0），電梯完成關(guān)門，在二樓等待。三樓乘客要上四樓超載一樓乘客要上三樓 關(guān)門倒計時器值樓層指示圖4 仿真圖（0400ns）緊急制動圖5 續(xù)圖4（400ns）5、結(jié) 語本文設(shè)計的基于fpga的電梯控制器能夠很好的控制電梯完成四層樓的載客服務(wù)，其硬件電路簡單，可靠性高。只要稍微改變程序就可以實現(xiàn)

12、更多層的電梯控制，便于擴(kuò)展，靈活性好，需用批量足夠大時容易做成專用集成電路芯片，設(shè)計成本低具有較好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)略附 錄 ：源程序-文件名：dianti.vhd。-功能：4層樓的電梯控制系統(tǒng)。-最后修改日期：2008.7.20。library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity dianti is port ( clk : in std_logic; -時鐘信號（頻率為1hz） o_u1,o_u2,o_u3: in std_

13、logic; -電梯外乘客的上升請求信號 o_d2,o_d3,o_d4 : in std_logic; -電梯外乘客的下降請求信號 in1,in2,in3,in4 : in std_logic; -電梯內(nèi)乘客的請求信號 led : out std_logic_vector(3 downto 0); -電梯所在樓層顯示 led_c : out integer range 0 to 15; -開關(guān)門延時 stop,overload : in std_logic -緊急停止運行,超載 ); end dianti;architecture behav of dianti issignal opendo

14、or:std_logic; -開門使能信號signal updown:std_logic; -電梯運動方向信號寄存器signal en_up,en_dw:std_logic; -預(yù)備上升、預(yù)備下降預(yù)操作使能信號type state is(g1,g2,g3,g4);signal g:state;signal en : std_logic ; - 1 電梯下一步動作使能;0 進(jìn)行動作上升，下降，開關(guān)門beginprocess(clk,en,stop,overload)variable in1_r,in2_r,in3_r,in4_r:std_logic; -電梯內(nèi)乘客請求信號寄存信號variable

15、 o_u1_r,o_u2_r,o_u3_r:std_logic; -電梯外乘客上升請求信號寄存信號variable o_d2_r,o_d3_r,o_d4_r:std_logic; -電梯外乘客下降請求信號寄存信號variable in_all,o_u_all,o_d_all,o_i_all:std_logic_vector(3 downto 0); -電梯內(nèi)外請求信號寄存器beginif clkevent and clk=1 then -if alarm=1then-in1_r:=1;in2_r:=0;in3_r:=0;in4_r:=0;-o_u1_r:=0;o_u2_r:=0;o_u3_r:

16、=0;-o_d2_r:=0;o_d3_r:=0;o_d4_r:=0; -elseif in1=1 then in1_r:=1; end if; -對電梯內(nèi)乘客請求信號進(jìn)行檢測和寄存 if in2=1 then in2_r:=1;end if;if in3=1 then in3_r:=1;end if;if in4=1 then in4_r:=1;end if;if o_u1=1 then o_u1_r:=1;end if; -對電梯外乘客上升請求信號進(jìn)行檢測和寄存if o_u2=1 then o_u2_r:=1;end if;if o_u3=1 then o_u3_r:=1;end if; i

17、f o_d2=1 then o_d2_r:=1;end if; -對電梯外乘客下降請求信號進(jìn)行檢測和寄存if o_d3=1 then o_d2_r:=1;end if;if o_d4=1 then o_d2_r:=1;end if; -end if;in_all:=in4_r&in3_r&in2_r&in1_r; -電梯內(nèi)乘客請求信號并置 o_u_all:=0&o_u3_r&o_u2_r&o_u1_r; -電梯外乘客上升請求信號并置 o_d_all:=o_d4_r&o_d3_r&o_d2_r&0; -電梯外乘客下降請求信號并置 o_i_all:=in_all or o_u_all or o_d

18、_all; -電梯內(nèi)、外乘客請求信號進(jìn)行綜合 end if; if clkevent and clk=1 and en=1 and stop=0and overload=0thencase g iswhen g1 = led=0001; -電梯到達(dá)一樓，數(shù)碼管顯示1if in1_r=1 or o_u1_r=1 then -有當(dāng)前層的請求，則電梯進(jìn)入開門狀態(tài)in1_r:=0; o_u1_r:=0;en_up=0;en_dw=0;opendoor=1; g=g1; elsif o_i_all=0000 then-無請求時，電梯停在1樓待機 en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g

19、0001 then -有上升請求，則電梯進(jìn)入預(yù)備上升狀態(tài)en_up=1;en_dw=0;opendoor=0; g led=0010; -電梯到達(dá)二樓，數(shù)碼管顯示2if updown=1 then -電梯前一運動狀態(tài)位上升 if in2_r=1 or o_u2_r=1 or o_d2_r=1 then -有當(dāng)前層的請求，則電梯進(jìn)入開門狀態(tài) in2_r:=0; o_u2_r:=0;o_d2_r:=0;en_up=0;en_dw=0;opendoor=1; g=g2; elsif o_i_all=0000 then en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g0011 then -有

20、上升請求，則電梯進(jìn)入預(yù)備上升狀態(tài) en_up=1;en_dw=0;opendoor=0;g=g3;-無請求時，電梯停在二樓待機elsif o_i_all0010 then -有下降請求，則電梯進(jìn)入預(yù)備下降狀態(tài)en_up=0;en_dw=1;opendoor=0;g=g1;end if; else-電梯前一運動狀態(tài)為下降 if in2_r=1 or o_d2_r=1 or o_u2_r=1 then -有當(dāng)前層的請求，則電梯進(jìn)入開門狀態(tài)in2_r:=0; o_d2_r:=0;o_u2_r:=0;en_up=0;en_dw=0;opendoor=1; g=g2;elsif o_i_all=0000

21、 then en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g=g2;-無請求時，電梯停在二樓待機elsif o_i_all0010 then -有下降請求，則電梯進(jìn)入預(yù)備下降狀態(tài)en_up=0;en_dw=1;opendoor=0; g0011 then -有上升請求，則電梯進(jìn)入預(yù)備上升狀態(tài) en_up=1;en_dw=0;opendoor=0; g led=0011;-電梯到達(dá)三樓，數(shù)碼管顯示3if updown=1 then if in3_r=1 or o_u3_r=1 or o_d3_r=1 then in3_r:=0; o_u3_r:=0;o_d3_r:=0;en_up=0;

22、en_dw=0;opendoor=1; g=g3;elsif o_i_all=0000 then en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g0111 then en_up=1;en_dw=0;opendoor=0; g=g4;elsif o_i_all0100 then en_up=0;en_dw=1;opendoor=0; g=g2; end if;elseif in3_r=1 or o_d3_r=1 or o_u3_r=1then in3_r:=0; o_d3_r:=0;o_u3_r:=0;en_up=0;en_dw=0;opendoor=1;g=g3; elsif o_i

23、_all=0000 then en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g=g3; elsif o_i_all0100 then en_up=0;en_dw=1;opendoor=0;g0111 then en_up=1;en_dw=0;opendoor=0; g led=0100; -電梯到達(dá)四樓，數(shù)碼管顯示4 if in4_r=1 or o_d4_r=1 then in4_r:=0; o_d4_r:=0;en_up=0;en_dw=0;opendoor=1;g=g4;elsif o_i_all=0000 then en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g=g4; elsif o_i_all1000 then en_up=0;en_dw=1;opendo