基于VHDL的電梯控制系統(tǒng)設計

1、VHD吸字系統(tǒng)設計與測試實驗報告基于VHDL勺電梯控制系統(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)成為我們日常生活中不可缺少的部分，穩(wěn)定可靠性高的電梯系統(tǒng)成為了電梯領域的新需求?，F(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?？刂品绞降倪x擇：1）內部請求優(yōu)先控制方式內部請求控制方式類似于出租車的工作方式，先將車上的人送至目地，

2、再去載客。作為通用型電梯應該服務于大多數(shù)人，必須考慮電梯對內外請求的響應。在內部請求優(yōu)先控制方式中，當電梯外部人的請求和電梯內部人的請求沖突時，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、r計方案。2）單層層停控制方案單層層?？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)先控制式方式方案方向優(yōu)先控制

3、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層層停等控制方式的效率。而且，方向控制方式下，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部輸入信息的分析。對于電梯外部輸入信號：每一層電梯門外需要有上升請求按鈕和下降請求

4、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，

5、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：電梯按鍵N FPGA /&控制芯片&J電機控制系統(tǒng)LED ae 362514! Clr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

6、指示電梯的運行情況以及電梯內外請求信息。二、設計框圖及模塊說明設計電梯系統(tǒng)框圖如下圖所示:提前關門電梯升降停系統(tǒng)時鐘關門中斷超載、故障 報警樓層顯示樓層請求門開關停故障清除請求信號顯 示超載FPGA信號存儲狀態(tài)存儲6*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

7、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，電梯內有6個請求用戶輸入端口），由于系統(tǒng)對內外請求 沒有設置優(yōu)先級，各樓層的內外請求信號被采集后可先進行運算，再存到存儲器內。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消除存儲器內對應的請求信號位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、判斷以驅動系統(tǒng)狀態(tài)的流轉。電梯工作過程中共有9種狀態(tài)：等待、

8、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，直到警報被消除（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）o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，轉向等動作。系統(tǒng)狀態(tài)流程圖如下圖所示:清除 警報 超載、前方（上）請求未響應超載看門狗信號有效故障 ，清除警報上升到頂層轉向關門二前方（下）* 1;請求未響應到底層轉向下降停止信號有效<停止信繼續(xù)號有效前進出現(xiàn)請求休眠請求未響 應完畢3開門 完畢

9、關門開門1停止止作成 停動荒 7/等待 時間 超時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、反轉 和停轉狀態(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。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，結合方向顯示，可以減少用戶

10、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rJoorll .UI2叩阿O.匚廳日0)口仃_&3.口1V VftWS'WftudQlGirmURdawn輸入端口信號說明：clk:時鐘信號，2Hz;clr：清除警報信號，高有效，清除故障報警;c_u1、c_u2、c_u& 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，讓電梯門一直打開，停止運動；di、d2、d3、d4、d5、d6:電梯內人的請求信號；full ：超載信號，

11、高時表示電梯內的人過多，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_d5:0 ：電梯內請求信號顯示；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；ud: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

12、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 isfull,deng,quick,clr : in std_logic;- 時鐘信號（頻率為2Hz）-超載、關門中斷、提前關門清除報警信port ( clk : in std_logic;c_u1,c_u2,c_u3,c_u4,c_u5: in std_logic;c_d2,c_d3,c_d4,c_d5,c_d6 : in s

13、td_logic;d1,d2,d3,d4,d5,d6 : in std_logic;g1,g2,g3,g4,g5,g6 : in std_logic;door : out std_logic_vector(1 downto 0);led : out std_logic_vector(6 downto 0);led_c_u:out std_logic_vector(5 downto 0);led_c_d:out std_logic_vector(5 downto 0);-電梯外人的上升請求信號-電梯外人的下降請求信號-電梯內人的請求信號-到達樓層信號-電梯門控制信號-電梯所在樓層顯示-電梯外人上

14、升請求信號顯示-電梯外人下降請求信號顯示-電梯內請求信號顯示led_d : out std_logic_vector(5 downto 0);elsif full='1' then alarm<='1' q1<=0;-超載報警wahaha : out std_logic;-看門狗報警信號-電梯運動方向顯示，超載警告信號ud,alarm : out std_logic;-電機控制信號和電梯運動up,down : out std_logic );end dianti;architecture behav of dianti issignad11,d22,

15、d33,d44,d55,d66:std_logic;-電梯內人請求信號寄存信號signac_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signac_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signaq:integer range 0 to 1;-分頻信號signaq1:integer range 0 to 6;-關門延時計數(shù)器signaq2:integer range 0 to 9;-看門狗計數(shù)器signadd,cc_u,cc_d,dd_cc:std_logic

16、_vector(5 downto 0); -電梯內外請求信號寄存器signaopendoor:std_logic;-開門使能信號signaupdown:std_logic;- 電梯運動方向信號寄存器signaen_up,en_dw:std_logic;-預備上升、預備下降預操作使能信號begin com:process(clk) beginif clk'event and clk='1' then-清除故障報警if clr='1' then q1<=0;q2<=0;wahaha<='0'if q1>=3 then

17、door<="10"elsedoor<="00"end if;elsif q=1 then q<=0;alarm<='0'if q2=3 then wahaha<='1'elseif opendoor='1' then door<="10"q1<=0;q2<=0;up<='0'down<='0'elsif en_up='1' thenif deng='1' then

18、 door<="10"q1<=0;q2<=q2+1;-故障報警-開門操作-上升預操作-關門中斷elsif quick='1' thenq1<=3;-提前關門elsif q1=6 then door<="00"updown<='1 'up<='1一關門完畢，電梯進入上升狀態(tài)elsif q1>=3 then door<="01"q1<=q1+1;elseq1<=q1+1 ;door<="00"end if;e

19、lsif en_dw='1' thenif deng='1' then door<="10"q1<=0;q2<=q2+1;elsif quick='1' thenq1<=3;elsif q1=6 then door<="00"updown<='0'down<='r；elsif q1>=3 then door<="01"q1<=q1+1;-電梯進入關門狀態(tài)-電梯進入等待狀態(tài)-下降預操作elseq1<=

20、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'opendoor<='1-有當前層的請求，則電梯進入開門狀態(tài)elsif dd_cc>"000001" thenen_up<='1' opendoor&l

21、t;='0'-有上升請求，則電梯進入預備上升狀elsif dd_cc="000000" then opendoor<='0' -無請求時，電梯停在1 樓待機end if;elsif g2='1' then led<="0010010"-電梯到達2樓，數(shù)碼管顯示2if 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<='

22、0' opendoor<='1'-有當前層的請求，則電梯進入開門狀態(tài)elsif dd_cc>"000011" 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_cc<"000010" 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

23、_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_cc<"000010" then en_dw<='1' opendoor<='0'- -有下降請求，則電梯進入預備下降狀態(tài)elsif dd_cc>"000011" then en_up<='1' opendoor<='0'- -

24、有上升請求，則電梯進入預備上升狀態(tài)end if;elsif g3='1' then led<="0000110"-電梯到達 3樓，數(shù)碼管顯示3if updown='1' thenif d33='1' or c_u33='1' then d33<='0' c_u33<='0'opendoor<='1'elsif dd_cc>"000111" then en_up<='1' opendoor<

25、;='0'elsif dd_cc<"000100" 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_cc<"000100" then en_dw<='1' opendoor<='0&

26、#39;elsif dd_cc>"000111" 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' opendoor<='1&#

27、39;elsif dd_cc>"001111" then en_up<='1' opendoor<='0'elsif dd_cc<"001000" then en_dw<='1' opendoor<='0'end if;elsif d44='1' or c_d44='1' then d44<='0' c_d44<='0' opendoor<='1'elsif

28、dd_cc<"001000" then en_dw<='1' opendoor<='0'elsif dd_cc>"001111" then en_up<='1' opendoor<='0'end if;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&

29、#39; then d55<='0' c_u55<='0'opendoor<='1'elsif dd_cc>"011111" then en_up<='1' opendoor<='0'elsif dd_cc<"010000" then en_dw<='1' opendoor<='0'end if;elsif d55='1' or c_d55='1' then

30、d55<='0' c_d55<='0'opendoor<='1'elsif dd_cc<"010000" then en_dw<='1' opendoor<='0'elsif dd_cc>"011111" then en_up<='1' opendoor<='0'end if;elsif g6='1' then led<="0100000"-電梯到達

31、 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_cc<"100000" 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;al

32、arm<='0'-清除超載報警if d1='1' or d1='0' then d11<=d1;-對電梯內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 d5='1' or d5='0' th

33、en d55<=d5;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' then c_u33<=c_u3;elsif c_u4='1&#

34、39; 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' t

35、hen 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' then c_d66<=c_d6;end if;dd<=d66&d55&d44&d33&d22&d11;-電梯內人請求信號并置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

36、_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、外人請求信號進行綜end if;ud<=updown;led_d<=dd;led_c_u<=cc_u； led_c_d<=cc_d;end if;end process;end behav;-電梯運動狀態(tài)顯示-電梯內人請求信號顯示-電梯外人上升請求信號顯示-電梯外人下降請求信號顯示此次電梯控制系統(tǒng)設計使用的是 Altera公司的MAX-II ,

37、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。Flow StatusQuartus II VersLcnRtvi Mion NameTcp"lavel Entity HaneSuccessful - Fri J皿 15 16:03:25 20129 0 Build 132 02/25/2009 SJ Fulldi antiFvniDeviceTiming ModelsMet timing r«uir?mtntsTotal logic elementsTotal pinsTotal virtual pinsVFN blocksMM IIEP124H100C3Final

38、7S / 240 ( 32 % )59 / 8U ( T4 % ) 00 / 1 ( 0 % )li inti四、仿真結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，觀察仿真圖得出結論：4- 3 bt£wlk，qMytrrt:J布 b*-lj12 *tQdettgur quckL J2r二二二5 r 7我、奇不小i ；:noCD IQD& J3WBt 如皿-JTyrxcoon ioTc«j bZOCDCD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，

39、將頻率加倍為25MHzA-downderrq"O np7k ud*總忸L0量ZDDpn' lUOJ陷BTOpi與 LQib I g. I q蚪18卜 I叩.2 ?士 2工舊工11rt2邙專 22g 西工卻事rI#4krmi克才l3i>Tls* 自 L飾 LK a/中 W虱 M IdM包, Lh/ “木 a ec/：匚 oanp (" ibioio J' »t>iiionrrra-i 丁 一 " 血血一 _工師1匚mron一血沛一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)。g；出口 NQuo工冬. 3期a r- ?U3- gs *42了03 *皿-iH (町fl口訓uinruuuifuifum咖