FPGA在電梯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

 　　摘 要： 介紹了基于Altera公司EP1K30TC144芯片的電梯控制器設(shè)計過程，描述了該控制系統(tǒng)的功能。該設(shè)計采用VHDL語言進行編程，以QUARTUSⅡ軟件為開發(fā)平臺，對本設(shè)計進行了仿真，并使用JTAG將程序代碼下載到實驗板上進行了硬件驗證。

　　關(guān)鍵詞： 電梯控制器; VHDL; EP1K30TC144; QUARTUSⅡ

　　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。

　　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：

　　library ieee;

　　use ieee.std_logic_1164.all;

　　entity total5 is

　　port(uo,ut,dt,dth：in std_logic--一、二、三層樓電梯外的上下樓請求鍵。

　　o,t,th:in std_logic;--一、二、三層電梯里的按鍵。

　　pres:in std_logic;--reset信號。

　　clk:in std_logic;--時鐘信號，1 MHz。

　　lightout:out std_logic_vector(6 downto 0);--數(shù)碼管的輸入信號。

　　lu,ld:out std_logic;--電梯上升，下降的燈。

　　arr:out std_logic);--開門的燈。

　　end;

　　architecture a of total5 is

　　signal templ0,templ2:std_logic;

　　signal templ1:integer range 3 to 1;

　　Signal

　　temp1,temp2,temp3,temp4,temp5,temp6,temp7:std_logic;

　　component bigmain--調(diào)用電梯控制模塊。

　　port(upone,uptwo,downtwo,downthree

　　:in std_logic;

　　one,two,three:in std_logic;

　　reset:in std_logic;

　　clk,clk2:in std_logic;

　　p:out integer range 3 to 1;

　　lightup,lightdown:out std_logic;

　　arrive:out std_logic);

　　end component;

　　component fangdou --調(diào)用防抖動模塊。

　　port(clk:in std_logic;

　　key:in std_logic;

　　keyout:out std_logic);

　　end component;

　　component fenpin--調(diào)用分頻器模塊。

　　port(clk:in std_logic;

　　clk1,clk2:out std_logic);

　　end component;

　　component display--調(diào)用譯碼顯示模塊。

　　port(clk :in std_logic;

　　light:in integer range 3 to 1;

　　segout:out std_logic_vector(6 downto 0));

　　end component;

　　begin

　　u1:fenpin port map(clk,templ0,templ2);

　　u4:fangdou port map(templ0,uo,temp1);

　　u5:fangdou port map(templ0,ut,temp2);

　　u6:fangdou port map(templ0,dt,temp3);

　　u7:fangdou port map(templ0,dth,temp4);

　　u8:fangdou port map(templ0,o,temp5);

　　u9:fangdou port map(templ0,t,temp6);

　　u10:fangdou port map(templ0,th,temp7);

　　u11:bigmain port map(temp1,temp2,temp3,

　　temp4,temp5,temp6,temp7,pres,clk,templ2,

　　templ1,lu,ld,arr);

　　u12:display port map(clk,templ1,lightout);

　　end;

　　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)。