詳細(xì)講解基于FSM的電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

Max+PlusⅡ是Altera公司提供的FPGA/CPLD開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，它可獨(dú)立完成簡(jiǎn)單VHDL程序的編譯。然而，自動(dòng)電梯控制程序是一個(gè)復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)描述，Max+PlusⅡ無(wú)法獨(dú)立完成該程序的綜合編譯。Synplify Pro是 Synplicity 公司針對(duì)復(fù)雜可編程邏輯設(shè)計(jì)的 FPGA 綜合工具，它帶來(lái)了無(wú)與倫比的電路性能和最有效的可編程設(shè)計(jì)的資源利用率，所獨(dú)有的對(duì)電路的調(diào)試與優(yōu)化功能和極快的運(yùn)算速度使之成為了業(yè)界倍受歡迎的的綜合工具。Synplify pro所特有的FSM綜合器可以自動(dòng)識(shí)別有限狀態(tài)機(jī)并根據(jù)約束條件選擇最佳的編碼方式。通過(guò)Max+PlusⅡ中的接口，把Synplify pro 用于對(duì)電梯控制程序的綜合與優(yōu)化，可大大提高設(shè)計(jì)效率，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法的有效性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

在電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，核心是電梯運(yùn)行的狀態(tài)控制器的設(shè)計(jì)。為突出狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，令電梯以同一速率升降。主要需要考慮：（1）電梯的人工手動(dòng)控制;（2）電梯的運(yùn)行狀態(tài)顯示;（3）電梯的安全性控制;（4）電梯的策略控制設(shè)計(jì)。

電梯狀態(tài)控制器部分用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)?；灸Ｐ腿缦拢海?） 每一層電梯的入口處設(shè)有上下請(qǐng)求開(kāi)關(guān)，電梯內(nèi)設(shè)有顧客到達(dá)層次的停站請(qǐng)求開(kāi)關(guān);（2）設(shè)有電梯所處位置指示裝置以及電梯運(yùn)行模式（上升或下降）指示裝置;（3）電梯初始狀態(tài)為第一層開(kāi)門，電梯每一秒升（降）一層樓;（4）設(shè)計(jì)一個(gè)異步的置位端口，用于在系統(tǒng)不正常的時(shí)候回到初始狀態(tài);（5）電梯到達(dá)有停站請(qǐng)求樓層，經(jīng)過(guò)1 秒電梯門打開(kāi)，開(kāi)門4 秒后，電梯門關(guān)閉（開(kāi)門指示燈熄滅），電梯繼續(xù)運(yùn)行，直至執(zhí)行完最后一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)后停留在當(dāng)前樓層;（6）能記憶電梯內(nèi)外的所有請(qǐng)求信號(hào)，并按照電梯運(yùn)行規(guī)則按順序響應(yīng)，每個(gè)請(qǐng)求信號(hào)保留至執(zhí)行完后消除;（7）電梯運(yùn)行規(guī)則：當(dāng)電梯處于上升模式時(shí)，只響應(yīng)比電梯所在位置高的上樓請(qǐng)求信號(hào)，由下而上逐個(gè)執(zhí)行，直到最后一個(gè)上樓請(qǐng)求執(zhí)行完畢;如果高層有下樓請(qǐng)求，則直接升至有下樓請(qǐng)求的最高樓層，然后進(jìn)入下降模式。當(dāng)電梯處于下降模式的時(shí)候與上升模式相反。

整個(gè)電梯控制系統(tǒng)將由一片CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。外圍的電路主要包括：分頻器，七段數(shù)碼顯示模塊、發(fā)光二極管顯示模塊，以及按鍵開(kāi)關(guān)模塊。

各模塊的功能：電梯狀態(tài)控制模塊，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，完成電梯的狀態(tài)控制;顯示模塊，主要是將系統(tǒng)信息顯示出來(lái)，判斷電梯運(yùn)行是否正常;分頻器模塊，由4MHZ的原始頻率分頻得到系統(tǒng)所需要的頻率;按鍵開(kāi)關(guān)模塊，消除由于機(jī)械按鍵輸入的誤操作和防抖動(dòng)。

圖1 電梯的結(jié)構(gòu)圖

2.2 電梯狀態(tài)控制器的設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)思路

（1）電梯輸入輸出端口設(shè)計(jì)。輸入端口包括：一個(gè)異步的置位端口，用于在系統(tǒng)不正常的時(shí)候回到初始狀態(tài);在電梯外部的升降的請(qǐng)求端口，一層不需要有下降請(qǐng)求，最高層不需要上升請(qǐng)求，中間層上升、下降請(qǐng)求端口都應(yīng)具備;在電梯內(nèi)部的各層停留的請(qǐng)求端口;一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)電梯的上升下降以及開(kāi)門關(guān)門等動(dòng)作時(shí)鐘輸入端口以及一個(gè)時(shí)鐘頻率比電梯高得多的按鍵時(shí)鐘輸入端口。而響應(yīng)的輸出端口包括：升降請(qǐng)求信號(hào)響應(yīng)端口，有請(qǐng)求信號(hào)以后，該輸出端口的輸出邏輯“1”，被響應(yīng)后則恢復(fù)到邏輯“0”;電梯內(nèi)部的各層停留響應(yīng)端口;在電梯外部指示電梯的位置端口;電梯開(kāi)門關(guān)門的狀態(tài)指示端口以及電梯升降指示端口。

（2）電梯控制器的實(shí)現(xiàn)通過(guò)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，將電梯等待的每秒鐘以及開(kāi)門關(guān)門都看成一個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)。由于電梯每一秒升（降）一層，所以就可以通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的1 秒為周期的時(shí)鐘來(lái)觸發(fā)狀態(tài)機(jī)。由此，狀態(tài)機(jī)設(shè)置了10 個(gè)狀態(tài)，分別是“stopon1（電梯停留在1 層）”、“dooropen（開(kāi)門）”、 “doorclose（關(guān)門）”、“doorwait1（開(kāi)門等待第1 秒）”、“doorwait2（開(kāi)門等待第2 秒）”、“doorwait3（開(kāi)門等待第3 秒）”、“doorwait3（開(kāi)門等待第4 秒）”、“up（上升）”、“down（下降）”和“stop（停止）”狀態(tài)。每個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件由設(shè)計(jì)要求決定。

2.2.2程序設(shè)計(jì)

在構(gòu)造體的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)程相互配合，一個(gè)是狀態(tài)機(jī)進(jìn)程，另外一個(gè)是信號(hào)燈控制進(jìn)程。狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中的很多判斷條件是以信號(hào)燈進(jìn)程產(chǎn)生的信號(hào)燈信號(hào)為依據(jù)的，而信號(hào)燈進(jìn)程中信號(hào)燈的熄滅又是由狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中傳出來(lái)的“up（上升）”和“down（下降）”信號(hào)來(lái)控制的。

在狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中，在電梯處于上升狀態(tài)時(shí)，通過(guò)對(duì)信號(hào)燈來(lái)判斷，決定下一個(gè)狀態(tài)是繼續(xù)上升還是停止;在電梯下降狀態(tài)中，也是通過(guò)對(duì)信號(hào)燈的判斷，決定下一個(gè)狀態(tài)時(shí)繼續(xù)下降還是停止;在電梯停止?fàn)顟B(tài)中，判斷是最為復(fù)雜的，通過(guò)對(duì)信號(hào)燈的判斷，決定電梯是上升、下降還是停止。

在信號(hào)燈控制進(jìn)程中，由于使用了專用的按鍵時(shí)鐘，頻率較高，所以使得按鍵的靈敏度增大，但是時(shí)鐘頻率不能過(guò)高，否則容易使按鍵過(guò)于靈敏，按鍵后產(chǎn)生的點(diǎn)亮的信號(hào)燈（邏輯值為‘1’）用于作為狀態(tài)機(jī)進(jìn)程的判斷條件，而up和down信號(hào)邏輯‘1’使得相應(yīng)的信號(hào)燈熄滅。

2.3顯示模塊的設(shè)計(jì)

采用動(dòng)態(tài)顯示模式，循環(huán)點(diǎn)亮三個(gè)數(shù)碼管，在掃描頻率大于人眼睛的視覺(jué)暫留頻率（24HZ）以上，就可以達(dá)到點(diǎn)亮單個(gè)七段數(shù)碼管顯示器，卻能像有3個(gè)數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮的視覺(jué)效果。

將樓層上升、下降以及樓層停止的信號(hào)用七段數(shù)碼管顯示出來(lái)，電梯上升、下降、停止輸出的信號(hào)用3位二進(jìn)制數(shù)表示，通過(guò)七段譯碼器將電梯狀態(tài)控制器輸出的3位二進(jìn)制數(shù)譯碼為七段數(shù)碼管的輸入所需要的7位二進(jìn)制數(shù)。最簡(jiǎn)的真值表如表2.3所示。相應(yīng)的譯碼程序以及多路選擇顯示程序從略。

2.4分頻器的設(shè)計(jì)

分頻器是將輸入的4MHZ信號(hào)分頻為1Hz的信號(hào)，提供給狀態(tài)機(jī)作為輸入信號(hào)，另外分頻器分頻到4000HZ給動(dòng)態(tài)顯示模塊以及按鍵模塊作為掃描信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)的需要設(shè)計(jì)了三個(gè)分頻器。

2.5 輸入端口設(shè)計(jì)

在狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)中，針對(duì)CPLD的容量，以三層電梯運(yùn)行為例，定義了8個(gè)按鍵輸入端。分別是：（1） 異步置位按鍵、（2）1層上升請(qǐng)求按鍵、（3） 2層上升請(qǐng)求按鍵、（4） 2層下降請(qǐng)求按鍵、（5） 3層下降請(qǐng)求按鍵 、（6）電梯1層停止請(qǐng)求按鍵、（7）電梯2層停止請(qǐng)求按鍵、（8）電梯3層停止請(qǐng)求按鍵。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

3.1 電梯狀態(tài)控制器的Synplify綜合

使用Synplify pro對(duì)用VHDL語(yǔ)言編制的有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)變化控制程序進(jìn)行綜合，經(jīng)過(guò)綜合之后的“RTL”（寄存器傳輸級(jí)）方式的電路原理圖如圖2所示。

圖2 Synplify pro 綜合后的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.2 仿真

綜合編譯完成后，值reset信號(hào)高電平有效，置為0，選擇liftclk時(shí)鐘信號(hào)為1HZ、buttonclk信號(hào)時(shí)鐘為4000HZ。配置適當(dāng)?shù)妮斎胄盘?hào)，得到如圖3的仿真結(jié)果。

原先電梯停留在第一層，電梯外第三層有下降請(qǐng)求，電梯上升到三層，乘客進(jìn)入電梯以后要求下降一層，此時(shí)，電梯二層有下降請(qǐng)求，接著又有上升請(qǐng)求，電梯首先在第二層停留，然后下降到一層，隨后再在響應(yīng)第二層上升請(qǐng)求，上升到二層，乘客進(jìn)入電梯以后要求上升到三層，所以電梯最后停留的位置是三層。

圖3 三層電梯的仿真波形圖四

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用 Max+Plus II完成VHDL描述和原理圖的層次設(shè)計(jì)。在底層設(shè)計(jì)中，用VHDL分別實(shí)現(xiàn)每一個(gè)模塊的功能，將每個(gè)模塊生成可供Max+Plus II調(diào)用的器件符號(hào)，再將這些器件符號(hào)連接在一起構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)原理圖，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電路原理圖

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過(guò)編譯生成.pof文件，仿真成功后，下載到EPM7128SLC84-15芯片中。根據(jù)管腳分配圖對(duì)已有的硬件電路進(jìn)行連線，實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)電路圖

3.4 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)實(shí)際的硬件測(cè)試，數(shù)碼管正確顯示了樓層，發(fā)光二極管響應(yīng)顯示了電梯的狀態(tài)，通過(guò)對(duì)不同初始狀態(tài)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)除了由按鍵抖動(dòng)帶來(lái)的部分誤操作外，電梯的狀態(tài)轉(zhuǎn)換完全符合電梯運(yùn)行規(guī)則。說(shuō)明這種設(shè)計(jì)方法是有效的。

由于很容易通過(guò)編程改變CPLD器件的控制功能，而且電梯運(yùn)行的基本狀態(tài)變換規(guī)律是不隨樓層數(shù)變化的，因此，只需要改變相應(yīng)的輸入、輸出端口設(shè)計(jì)就可滿足不同樓層數(shù)的設(shè)計(jì)需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)基于自頂向下的設(shè)計(jì)方法，用vhdl實(shí)現(xiàn)了電梯各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換程序控制。在Max+Plus II環(huán)境下通過(guò)使用Synplify Pro 軟件特有的綜合功能，從對(duì)軟件程序的編譯、仿真到可編程邏輯芯片的功能實(shí)現(xiàn)都進(jìn)行了優(yōu)化，大大提高了設(shè)計(jì)效率。這種方法可廣泛用于各種復(fù)雜狀態(tài)機(jī)控制的設(shè)計(jì)之中。