基于VHDL的電梯控制系統(tǒng)設計

1、VHDL數(shù)字系統(tǒng)設計與測試實驗報告基于VHD啲電梯控制系統(tǒng)設計一、設計背景及說明隨著高層建筑的不斷涌現(xiàn)， 對電梯的需求也與日俱增， 電梯已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪?不可缺少的部分， 穩(wěn)定可靠性高的電梯系統(tǒng)成為了電梯領域的新需求。 現(xiàn)在基于 VHDL 硬 件描述語言，用 FPGA 為控制芯片控制完成一個簡單的 6層樓的電梯控制系統(tǒng)設計。我們常見的電梯控制系統(tǒng)功能都包括： 上升請求、下降請求、 電梯門控、樓層顯示燈、 電梯運動方向顯示、超載、報警、電梯內(nèi)請求信號等。根據(jù)這些常用的信號設計一個電梯 系統(tǒng)，實現(xiàn)所要求的功能。控制方式的選擇：1）內(nèi)部請求優(yōu)先控制方式內(nèi)部請求控制方式類似于出租車的工作方式，先

2、將車上的人送至目地，再去載客。作 為通用型電梯應該服務于大多數(shù)人，必須考慮電梯對內(nèi)外請求的響應。在內(nèi)部請求優(yōu)先控 制方式中，當電梯外部人的請求和電梯內(nèi)部人的請求沖突時，外部人的請求信號可能被長 時間忽略，因為它不能作為通用型電梯的設計方案。2）單層層?？刂品桨竼螌訉油？刂品绞降韧诨疖囘\行方式，遇到站即停止、開門。這種方案保證所有的人的請求都能得到響應。然而這樣對電梯的效率產(chǎn)生了消極的影響：不必要的等待消耗了大量時間，而且電梯的運作與用戶的請求無關，當無請求時電梯也照常跑空車，浪費了大量的電能。對于用戶而言這種控制方式的請求響應時間也不是很快，因而也不是理想的電 梯控制設計方案3）方向優(yōu)先控制

3、式方式方案方向優(yōu)先控制是指電梯運行到某一層樓時，先考慮這一層樓是否有請求：有則停止； 無則繼續(xù)上升或者下降。 停止后再啟動時， 考慮上方或者下方是否有請求， 有則繼續(xù)前進， 無則停止。檢測后方是否有請求，有請求則轉(zhuǎn)向運行，無請求則維持停止狀態(tài)。這種運作 方式下，電梯對用戶的請求相應率為 100%，而且響應的時間較短。方向優(yōu)先控制方式的效率遠遠大于單向?qū)訉油５瓤刂品绞降男?。而且，方向控制?式下，電梯在維持停止狀態(tài)的時候可以進入省電模式，又能節(jié)省大量的電能。在本設計中 采用方向優(yōu)先控制方式。電梯的輸入信號分析 電梯的輸入信號分析主要包括外部輸入信號和內(nèi)部輸入信息的分析。對于電梯外部輸 入信號：

4、每一層電梯門外需要有上升請求按鈕和下降請求按鈕，其中一樓電梯門外只有上 升請求按鈕， 6 樓電梯門外只有下降請求按鈕。電梯內(nèi)部輸入信號包括 6 個前往樓層按鈕、 提前關門按鈕、延時關門按鈕、電梯異常求救按鈕，另外還有超重等警告信號輸入。電梯的輸出信號分析：電梯的輸出信號分析也主要包括外部輸出信號和內(nèi)部輸出信息的分析。對于電梯外部 信號包括上升請求按鈕和下降請求按鈕是否被按下指示信號燈、電梯當前所在樓層指示信 號、電梯運行方向指示信號。電梯內(nèi)部輸出信號包括 6 個前往樓層按鈕是否被按下指示信 號、是否超重等告警指示信號、 電梯當前所在樓層指示信號、 以及電梯運行方向指示信號。電梯運行規(guī)則分析：當

5、電梯處于上升模式時， 只響應比電梯所在位置更高的上樓信號， 由下至上依次執(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時，則直接升到有下降請求的最高 樓，然后進入下降模式，電梯處于下降模式時，則與上升模式相反。電梯系統(tǒng)框圖如下圖所示：按鍵輸入乘坐電梯者所想要去的樓層，控制電梯門的開關，可編程邏輯芯片接收到信號后進行處理，發(fā)送信號給控制電機系統(tǒng)來控制電梯的上升下降等狀態(tài)，同時通過LED數(shù)碼管顯示所在的樓層，以及電梯的運動狀態(tài)。該控制器完成 6 層電梯的載客服務，而且遵循方向優(yōu)先原則，并能相應提前關門、延 時關門，并且有超載報警和故障報警。同時指示電梯的運行情況以及電梯內(nèi)外請求信息。二、

6、設計框圖及模塊說明設計電梯系統(tǒng)框圖如下圖所示：電梯系統(tǒng)大致包括 4 個模塊：1）外部數(shù)據(jù)采集模塊 對外部信號采集、處理要求電梯控制器：實現(xiàn)對外部請求信號的實時、準確采集；準確實時地捕捉達到樓層的信號； 有效防止樓層到達信號、 外部請求信號的誤判。 采用 FPGA 為系統(tǒng)控制核心，系統(tǒng)時鐘頻率足夠滿足此系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)的要求。外部請求信號的輸 入形式為按鍵輸入，到達樓層信號來自光敏傳感器，關門中斷信號及超載信號則產(chǎn)生于壓 力傳感器。2）信號存儲模塊電梯控制系統(tǒng)的請求輸入信號有 18個（電梯外有 6 個上升請求和 6個下降請求的用戶 輸入端口， 電梯內(nèi)有 6個請求用戶輸入端口） ，由于系統(tǒng)對內(nèi)外請

7、求沒有設置優(yōu)先級， 各樓 層的內(nèi)外請求信號被采集后可先進行運算， 再存到存儲器內(nèi)。 要注意的是電梯運行過程中， 由于用戶的請求信號的輸入是離散的，而且系統(tǒng)對請求的響應也是離散的，因此請求信號 的存儲要新的請求信號不能覆蓋原來的請求信號，只有響應動作完成后才能清除存儲器內(nèi) 對應的請求信號位。3）基于 FPGA 的中央處理器模塊中央數(shù)據(jù)處理模塊是系統(tǒng)的核心，通過對存儲的數(shù)據(jù)（含請求、到達樓層等信號）進 行比較、判斷以驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)的流轉(zhuǎn)。電梯工作過程中共有 9 種狀態(tài)：等待、上升、下降、 開門、關門、停止、休眠、超載報警及故障報警狀態(tài)。一般情況下電梯的工作始點是第一層，起始狀態(tài)是等待狀態(tài)，啟動條件是

8、接受上升請求。超載狀態(tài)時電梯關門動作取消，同 時發(fā)出警報，直到警報被清除（看門狗信號有效的條件是一層樓連續(xù)發(fā)生關門中斷情況超 過 3 次）。本系統(tǒng)由請求信號啟動， 運行中每檢測到一個到達樓層信號， 再參考原方向信號 來決定是否停止，轉(zhuǎn)向等動作。系統(tǒng)狀態(tài)流程圖如下圖所示：4）信號的輸出、顯示模塊 本系統(tǒng)的輸出信號有兩種：一種是電機的升降控制信號（兩位）和開門 / 關門控制信 號；另一種是面向用戶的提示信號（含樓層顯示、方向顯示、已接受請求顯示等） 。電機控制信號一般需要兩位， 本系統(tǒng)中電機有 3種工作狀態(tài)： 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)狀態(tài)。兩位控制信號作為一個三路開關的選通信號，此三路開關選用模擬電子開關

9、。 系統(tǒng)的顯示輸出包括數(shù)碼管樓層顯示、數(shù)碼管請求信號顯示和表征運動方向箭頭指示 燈的開關信號。 LED 七段數(shù)碼管顯示部分在前面的作業(yè)中已經(jīng)做了詳細的介紹及說明， 在 本系統(tǒng)中省略。本系統(tǒng)具有請求信號顯示功能， 結(jié)合方向顯示， 可以減少用戶對同一請求的輸入次數(shù)， 這樣就延長了電梯按鍵的壽命。三、電梯控制程序設計源代碼及端口說明輸入端口信號說明：elk :時鐘信號，2Hz;clr :清除警報信號，高有效，清除故障報警；e_u1、c_u2、c_u3 c_u4 c_u5:電梯外人的上升請求； c_d2、c_d3、c_d4 c_d5 c_d6:電梯外人的下降請求; deng：關門中斷，用于在需要等待時

10、，讓電梯門一直打開，停止運動；di、d2、d3、d4、d5、d6：電梯內(nèi)人的請求信號；full :超載信號，高時表示電梯內(nèi)的人過多，超載報警；g1、g2、g3、g4 g5、g6:到達樓層信號，數(shù)碼管LED將顯示其值；quick：提前關門信號，高有效，當為高時，電梯門馬上關閉；輸出端口信號說明：door1:0：電梯門控信號；led6:0:電梯所在樓層顯示；led_c_u5:0：電梯外人上升請求信號顯示；led_c_d5:0：電梯外人下降請求信號顯示；led_d5:0J電梯內(nèi)請求信號顯示；alarm 超載警告信號；up 電梯運動狀態(tài)顯示，高時表示上升；down 電梯運動狀態(tài)顯示，高時表示為下降；u

11、d 電機控制信號，控制電梯的上升下降， “1”表示為上升，“0”表示為下降； wawawa 看門狗報警信號，高時表示故障報警。源代碼如下所示library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity dianti isport ( clk : in std_logic;-時鐘信號（頻率為 2Hz）full,deng,quick,clr : in std_logic;-超載、關門中斷、提前關門清除報警信號c_u1,c_u2,c_u3,c_u

12、4,c_u5: in std_logic;-電梯外人的上升請求信號c_d2,c_d3,c_d4,c_d5,c_d6 : in std_logic;-電梯外人的下降請求信號d1,d2,d3,d4,d5,d6 : in std_logic;-電梯內(nèi)人的請求信號g1,g2,g3,g4,g5,g6 : in std_logic;-到達樓層信號door : out std_logic_vector(1 downto 0);-電梯門控制信號led : out std_logic_vector(6 downto 0);-電梯所在樓層顯示led_c_u:out std_logic_vector(5 downt

13、o 0);-電梯外人上升請求信號顯示led_c_d:out std_logic_vector(5 downto 0); -電梯外人下降請求信號顯示led_d : out std_logic_vector(5 downto 0);-電梯內(nèi)請求信號顯示wahaha : out std_logic;-看門狗報警信號ud,alarm : out std_logic;-電梯運動方向顯示，超載警告信號up,down : out std_logic );-電機控制信號和電梯運動end dianti;architecture behav of dianti issignal d11,d22,d33,d44,d

14、55,d66:std_logic; -電梯內(nèi)人請求信號寄存信號signal c_u11,c_u22,c_u33,c_u44,c_u55:std_logic;-電梯外人上升請求信號寄存信號signal c_d22,c_d33,c_d44,c_d55,c_d66:std_logic;-電梯外人下降請求信號寄存信號signal q:integer range 0 to 1;-分頻信號signal q1:integer range 0 to 6;-關門延時計數(shù)器signal q2:integer range 0 to 9;-看門狗計數(shù)器signal dd,cc_u,cc_d,dd_cc:std_log

15、ic_vector(5 downto 0)電; -梯- 內(nèi)外請求信號寄存器-開門使能信號-電梯運動方向信號寄存器-預備上升、預備下降預操作使能信號-清除故障報-超載報警signal opendoor:std_logic;signal updown:std_logic;signal en_up,en_dw:std_logic;begincom:process(clk)beginif clkevent and clk=1 thenif clr=1 then q1=0;q2=0;wahaha=0; 警警elsif full=1 then alarm=1; q1=3 then door=10;else

16、 door=00;end if;elsif q=1 then q=0;alarm=0;if q2=3 then wahaha=1;-故障報警elseif opendoor=1 then door=10;q1=0;q2=0;up=0;down=0;-開門操作elsif en_up=1 then-上升預操作if deng=1 then door=10;q1=0;q2=q2+1;-關門中斷 elsif q1=6 then door=00;updown=1;up=1; - 關門完畢， 電梯進入上升狀態(tài)-電梯進入等待狀-下降預操作else q1=q1+1;door=00;end if;elsif en_

17、dw=1 thenif deng=1 then door=10;q1=0;q2=q2+1;elsif quick=1 then q1=3;elsif q1=6 then door=00;updown=0;down=3 then door=01;q1=q1+1;else q1=q1+1;door=00;end if;end if;if g1=1 then led=1001111;-電梯到達 1 樓，數(shù)碼管顯示if d11=1 or c_u11=1 then d11=0; c_u11=0;opendoor000001 then en_up=1; opendoor=0;-有上升請求，則電梯進入預備上

18、升狀if updown=1 then-電梯前一運動狀態(tài)位上升if d22=1 or c_u22=1 then d22=0; c_u22=0; opendoor000011 then en_up=1; opendoor=0;-有上升請求，則電梯進入預備上升狀 態(tài)elsif dd_cc000010 then en_dw=1; opendoor=0;-有下降請求，則電梯進入預備下降狀 態(tài)end if;-電梯前一運動狀態(tài)為下降elsif d22=1 or c_d22=1 then d22=0; c_d22=0;opendoor=1;-有當前層的請求，則電梯進入開門狀 態(tài)elsif dd_cc00001

19、0 then en_dw=1; opendoor=0;-有下降請求，則電梯進入預備下降狀 態(tài)-有上升請求，則電梯進入預備上升狀end if;if updown=1 thenif d33=1 or c_u33=1 then d33=0; c_u33=0;opendoor000111 then en_up=1; opendoor=0;elsif dd_cc000100 then en_dw=1; opendoor=0;end if;elsif d33=1 or c_d33=1 then d33=0; c_d33=0; opendoor=1;elsif dd_cc000100 then en_dw=

20、1; opendoor000111 then en_up=1; opendoor=0;end if;elsif g4=1 then led=1001100;-電梯到達 4 樓，數(shù)碼管顯示4if updown=1 thenif d44=1 or c_u44=1 then d44=0; c_u44=0; opendoor001111 then en_up=1; opendoor=0;elsif dd_cc001000 then en_dw=1; opendoor=0;end if;elsif d44=1 or c_d44=1 then d44=0; c_d44=0; opendoor=1;elsi

21、f dd_cc001000 then en_dw=1; opendoor001111 then en_up=1; opendoor=0;elsif g5=1 then led=0100100;-電梯到達 5 樓，數(shù)碼管顯示 5if updown=1 thenif d55=1 or c_u55=1 then d55=0; c_u55=0;opendoor011111 then en_up=1;opendoor=0;elsif dd_cc010000 then en_dw=1;opendoor=0;end if;elsif d55=1 or c_d55=1 then d55=0; c_d55=0;

22、opendoor=1;elsif dd_cc010000 then en_dw=1; opendoor011111 then en_up=1; opendoor=0;end if;elsif g6=1 then led=0100000;-電梯到達 6 樓，數(shù)碼管顯示6if d66=1 or c_d66=1 then d66=0; c_d66=0;opendoor=1;elsif dd_cc100000 then en_dw=1; opendoor=0;end if;else en_up=0;en_dw=0; -電梯進入上升或下降狀態(tài)end if;end if;else q=1;alarm=0;

23、 -清除超載報警if d1=1 or d1=0 then d11=d1;-對電梯內(nèi)人請求信號進行檢測和寄存elsif d2=1 or d2=0 then d22=d2;elsif d3=1 or d3=0 then d33=d3;elsif d4=1 or d4=0 then d44=d4;elsif d6=1 or d6=0 then d66=d6;end if;if c_u1=1 or c_u1=0 then c_u11=c_u1;-對電梯外人上升請求信號進行檢測和寄存elsif c_u2=1 or c_u2=0 then c_u22=c_u2;elsif c_u3=1 or c_u3=0

24、 then c_u33=c_u3;elsif c_u4=1 or c_u4=0 then c_u44=c_u4;elsif c_u5=1 or c_u5=0 then c_u55=c_u5;end if;if c_d2=1 or c_d2=0 then c_d22=c_d2;-對電梯外人下降請求信號進行檢測和寄存elsif c_d3=1 or c_d3=0 then c_d33=c_d3;elsif c_d4=1 or c_d4=0 then c_d44=c_d4;elsif c_d5=1 or c_d5=0 then c_d55=c_d5;elsif c_d6=1 or c_d6=0 the

25、n c_d66=c_d6;end if;dd=d66&d55&d44&d33&d22&d11;-電梯內(nèi)人請求信號并置cc_u=0&c_u55&c_u44&c_u33&c_u22&c_u11; -電梯外人上升請求信號并置 cc_d=c_d66&c_d55&c_d44&c_d33&c_d22&0; -電梯外人下降請求信號并置 dd_cc=dd or cc_u or cc_d;-電梯內(nèi)、外人請求信號進行綜ud=updown;-電梯運動狀態(tài)顯示led_d=dd;-電梯內(nèi)人請求信號顯示led_c_u=cc_u;-電梯外人上升請求信號顯示led_c_d=cc_d;-電梯外人下降請求信號顯示end if;e

26、nd process;end behav;此次電梯控制系統(tǒng)設計使用的是 Altera 公司的 MAX-II ，由下資源使用情況圖可見這 款芯片足夠滿足本次設計需求。四、仿真結(jié)果及說明假設電梯初始狀態(tài)在一樓，此時 2、3樓電梯外有人要下樓， 4 樓電梯外有人要上樓， 在此后輸入等待、快速關門、超載等信號，觀察仿真圖得出結(jié)論：電梯控制程序仿真全圖注：實際使用時電梯的時鐘為2Hz,為了仿真時便于觀察我們在仿真時，將頻率加倍為25MHz。電梯控制程序仿真局部放大圖 -1注：1.電梯停在一樓時，接受到請求信號 c_d3、c_d2、c_u4和d6，并把請求信號寫入相 應的寄存器。 led 顯示電梯所在樓層； led_d 、 led-c_u 和 led_c_d 顯示用戶的請求。2. 電梯經(jīng)過準備上升狀態(tài)后，進入上升狀態(tài)，到達 2 樓、 3 樓時，由于 2、 3 樓的乘 客要求的是下降，所以不停繼續(xù)前進。3. 電梯上升到4樓時，響應請求（c_u4），開門載客；載客時電梯的門狀態(tài) door先 由 10（電梯門打開）跳到 00（等待）再跳到 01（電梯門關閉），完成乘客的進入；此后進入預備上升狀態(tài)電梯控制程序仿真局部放大圖 -2注：1. 電梯上升到