基于FPGA的電梯控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文首先提出了一種基于有限狀態(tài)機(jī)的電梯控制器算法，然后根據(jù)該算法設(shè)計(jì)了一個(gè)三層電梯控制器，該電梯控制器的正確性經(jīng)過了仿真驗(yàn)證和硬件平臺(tái)的驗(yàn)證。本文的電梯控制器設(shè)計(jì)，結(jié)合了深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實(shí)際電梯的運(yùn)行情況，易于學(xué)生理解和接受，對(duì)于工學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革，是一個(gè)非常好的實(shí)踐項(xiàng)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(qiáng)的適應(yīng)性和實(shí)用性。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)是19世紀(jì)末21世紀(jì)初新興的技術(shù)，其在數(shù)字電路設(shè)計(jì)和日常的控制系統(tǒng)中已經(jīng)體現(xiàn)了強(qiáng)大的功能和優(yōu)勢(shì)。隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展， 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)和工具發(fā)生了深刻的變化，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA的出現(xiàn)，給設(shè)計(jì)人員帶來了諸多的方便。HDL(硬件描述語(yǔ)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(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通常采用一種自上而下的設(shè)計(jì)方法，即從系統(tǒng)總體要求出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

目前從期刊雜志中看到一些采用FPGA實(shí)現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)文章，在這些文章中看不到針對(duì)任意樓層的控制器算法，而針對(duì)任意層數(shù)的控制器算法是保證控制器實(shí)用性和適用性的關(guān)鍵。因此，本文嘗試采用EDA技術(shù)來設(shè)計(jì)一個(gè)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(tái)上實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)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(guān);請(qǐng)求信號(hào)顯示、樓層顯示;超載、故障報(bào)警。其中超載、故障報(bào)警需要用到傳感器，該控制相對(duì)比較簡(jiǎn)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(duì)深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院第一教學(xué)樓的電梯，其電梯控制器實(shí)現(xiàn)了以下功能：

(1)電梯內(nèi)部每層均有相應(yīng)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(duì)于stop、up、down按鈕，當(dāng)被按下后，相應(yīng)的指示燈亮，直到該請(qǐng)求被滿足后，指示燈才滅;

(2)電梯運(yùn)行過程中，上升、下降、停止時(shí)相應(yīng)的指示燈要亮，樓層隨時(shí)顯示;

(3)電梯上升過程中，首先滿足向上的需求，對(duì)于低層或者向下的需求，在電梯上升過程中會(huì)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;

(4)電梯下降過程中，首先滿足向下的需求，對(duì)于高層或者向上的需求，在電梯下降過程中會(huì)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(shè)計(jì)的電梯控制器，其基本要求就是滿足上述實(shí)際運(yùn)行電梯的要求。

2 電梯控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)由四個(gè)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(shí)現(xiàn)了任意時(shí)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(shí)鐘clk，系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)rst，輸出為分頻時(shí)鐘。模塊定義如下：

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

模塊中keyclk為處理按鍵時(shí)鐘，liftclk為電梯運(yùn)行控制時(shí)鐘。