基于FPGA的電梯控制器系統(tǒng)設(shè)計方案

　　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(shè)計，結(jié)合了深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實際電梯的運(yùn)行情況，易于學(xué)生理解和接受，對于工學(xué)結(jié)合的教學(xué)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(qiáng)的適應(yīng)性和實用性。

　　電子設(shè)計自動化技術(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。隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展， 電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)和工具發(fā)生了深刻的變化，大規(guī)?？?a target="_blank">編程邏輯器件FPGA的出現(xiàn)，給設(shè)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(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，是電子設(shè)計自動化(EDA)的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通常采用一種自上而下的設(shè)計方法，即從系統(tǒng)總體要求出發(fā)進(jìn)行設(shè)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(shè)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(guān)鍵。因此，本文嘗試采用EDA技術(shù)來設(shè)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(guān);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。

?

　　針對深圳信息職業(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。對于stop、up、down按鈕，當(dāng)被按下后，相應(yīng)的指示燈亮，直到該請求被滿足后，指示燈才滅;

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

　　(3)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;

　　(4)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(shè)計的電梯控制器，其基本要求就是滿足上述實際運(yùn)行電梯的要求。

　　2 電梯控制系統(tǒng)實現(xiàn)

　　2.1 整體方案設(shè)計

　　整體設(shè)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(fù)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(yùn)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(dāng)相應(yīng)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(dāng)相應(yīng)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(dāng)相應(yīng)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

　　);

　　c. 電梯控制器模塊和指示模塊：該模塊根據(jù)各層按鈕被按下的情況，控制電梯運(yùn)行，并設(shè)置指示燈。模塊定義如下：

　　module Lift_cONtrol(

　　keyclk, //處理按鍵時鐘

　　liftclk, //電梯運(yùn)行控制時鐘

　　reset, //電梯復(fù)位按鈕，復(fù)位后電梯停在一樓;

　　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

　　position, //當(dāng)前樓層位置，每1位代表1層，當(dāng)相應(yīng)的位置1時表示電梯運(yùn)行至該層;

　　stoplight, //內(nèi)部各層按鈕指示燈，每1位代表1層，當(dāng)相應(yīng)位置1時表示指示該層指示燈亮;

　　uplight, //除頂層外各層外部按鈕指示燈，每1位代表1層，當(dāng)相應(yīng)位置1時表示該層up燈亮;

　　downlight, //除首層外各層外部按鈕指示燈，每1位代表1層，當(dāng)相應(yīng)的位置1時表示該層的down指示燈亮;

　　doorlight); //用于開門指示燈，為1表示開門，為0表示關(guān)門

　　d. 顯示模塊：該模塊用于譯碼顯示當(dāng)前電梯所在樓層，模塊定義如下：

　　module Display(liftclk,position,disp);