基于FPGA的電梯控制器系統(tǒng)設計

本文首先提出了一種基于有限狀態(tài)機的電梯控制器算法，然后根據(jù)該算法設計了一個三層電梯控制器，該電梯控制器的正確性經(jīng)過了仿真驗證和硬件平臺的驗證。本文的電梯控制器設計，結合了深圳信息職業(yè)技術學院的實際電梯的運行情況，易于學生理解和接受，對于工學結合的教學改革，是一個非常好的實踐項目。另外，本文提出的電梯控制器算法適合于任意樓層，具有很強的適應性和實用性。

電子設計自動化技術是19世紀末21世紀初新興的技術，其在數(shù)字電路設計和日常的控制系統(tǒng)中已經(jīng)體現(xiàn)了強大的功能和優(yōu)勢。隨著EDA技術的高速發(fā)展， 電子系統(tǒng)設計技術和工具發(fā)生了深刻的變化，大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA的出現(xiàn)，給設計人員帶來了諸多的方便。HDL（硬件描述語言）是隨著可編程邏輯器件（PLD）發(fā)展起來的，主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結構、行為、功能和接口，是電子設計自動化（EDA）的關鍵技術之一。它通常采用一種自上而下的設計方法，即從系統(tǒng)總體要求出發(fā)進行設計。

目前從期刊雜志中看到一些采用FPGA實現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)的設計文章，在這些文章中看不到針對任意樓層的控制器算法，而針對任意層數(shù)的控制器算法是保證控制器實用性和適用性的關鍵。因此，本文嘗試采用EDA技術來設計一個N層電梯控制系統(tǒng)，具體思路是：首先給出電梯控制器的算法，然后在硬件平臺上實現(xiàn)并驗證。

1 電梯控制系統(tǒng)要求

電梯控制系統(tǒng)通常包含圖1中的功能：電梯升、降、停；電梯門開、關；請求信號顯示、樓層顯示；超載、故障報警。其中超載、故障報警需要用到傳感器，該控制相對比較簡單，因此本文不再展開討論。

本文著重討論涉及其他功能的控制器算法。

針對第一教學樓的電梯，其電梯控制器實現(xiàn)了以下功能：

　　（1）電梯內(nèi)部每層均有相應的STop按鈕；電梯外部除頂層外每層都有up按鈕，除底層外每層都有down按鈕；up按鈕被按下表示該層有人要去高層，down按鈕被按下表示該層有人要去低層，stop按鈕被按下表示該層有人要出電梯。對于stop、up、down按鈕，當被按下后，相應的指示燈亮，直到該請求被滿足后，指示燈才滅；

　　（2）電梯運行過程中，上升、下降、停止時相應的指示燈要亮，樓層隨時顯示；

　?。?）電梯上升過程中，首先滿足向上的需求，對于低層或者向下的需求，在電梯上升過程中會記錄該需求，然后在電梯向上需求全部滿足后電梯再次下降的過程中給予滿足；

　?。?）電梯下降過程中，首先滿足向下的需求，對于高層或者向上的需求，在電梯下降過程中會記錄該需求，然后在電梯向下需求全部滿足后電梯再次上升的過程中給予滿足。

本文設計的電梯控制器，其基本要求就是滿足上述實際運行電梯的要求。

2 電梯控制系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 整體方案設計

整體設計由四個模塊組成，各模塊功能具體描述如下：

a. 分頻器模塊：該模塊實現(xiàn)了任意時鐘頻率輸入，任意頻率輸出的功能，輸出頻率精度為1Hz；模塊輸入為系統(tǒng)工作時鐘clk，系統(tǒng)復位信號rst，輸出為分頻時鐘。模塊定義如下：

　　module freq_div（reset,clk,keyclk,liftclk）；

模塊中keyclk為處理按鍵時鐘，liftclk為電梯運行控制時鐘。

b. 按鍵請求模塊：該模塊實現(xiàn)了記錄并處理各樓層的up、down和stop按鈕被按下的情況，模塊端口如下：

　　module key_req（

　　reset,keyclk,

　　stop, //電梯間內(nèi)部各層按鈕，每1位代表1層，當相應位置1時表示指示該層的按鈕被按下；

　　up, //各樓層up按鈕（頂層無），每1位代表1層，當相應位置1時表示該層up按鈕被按下

　　down, //各樓層down按鈕（底層無），每1位代表1層，當相應位置1時表示該層down按鈕被按下；

　　stop_r, //電梯內(nèi)各層按鍵信息

　　up_r, //電梯外各層向上按鍵信息

　　down_r //電梯外各層向下按鍵信息

　?。?；