2022年电梯控制器 .pdf

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1、山东大学威 海 分 校课程设计报告设计题目： _ 基于 FPGA 的四层电梯控制器设计指导教师：李素梅 郑亚民董晓舟 _姓名：学号： 20058002089 院系： 信息工程学院专业： 电子信息科学与技术年级： 2005 级2008 年 7 月 15 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - 目 录摘 要. 1 关键词 . 1 1、设计要求 . 1 2、总体设计 . 1 3、详细设计 . 2 3.1 中央处理模块 .

2、2 3.2 外部数据采集模块 . 3 3.3 信号存储模块 . 3 3.3 显示模块 . 4 4、仿真 . 4 5、结语 . 5 附 录 ：源程序 . 5 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - 1 摘 要:本文介绍了基于 FPGA 的电梯控制器的总体设计方案，阐述了其内部功能模块的工作原理，基于状态机的原理，利用VHDL 语言对各功能模块进行了编程、编译、仿真，并下载到实验箱上进行了验证。结果表明，该电梯控制器按进循

3、方向优先的原则可为四个楼层提供载客服务，并具有电梯运行情况指示功能。文中使用的设计方法不仅简化了电路设计、节约了设计成本，而且提高了控制器的可靠性、稳定性和灵活性。关键词 ：VHDL; FPGA; 状态机 ; 电梯控制1、设计要求(1) 使用VHDL 语言与状态机设计思想设计一个4层建筑的电梯控制器；(2) 每层电梯入口设有上下请求开关及电梯内设有到达楼层请求开关；(3) 电梯每 5秒钟升 (降)一层；(4) 电梯到达有请求的楼层自动开门并定时关门和紧急状态紧急停止运行的功能；(5) 能记忆电梯内外所有请求信号并按照电梯运行规则按顺序响应, 每个请求信号留至执行完后消除；(6) 电梯运行规则当

4、电梯处于上升模式时, 只响应比电梯所在的位置高的上楼请求信号 , 由下而上逐个执行 , 直到最后一个上楼请求执行完毕，如果高层有下楼请求，则直接升到有下楼请求的最高楼层, 然后进入下降模式，当电梯处于下降模式时，则与上升模式相反。2、总体设计根据上述设计要求，可以得到电梯控制器的总体结构如图1所示。该系统包括外部数据采集模块、信号存储模块、中央处理模块、控制输出与显示模块。外部数据采集模块负责采集用户通过按键输入的请求信号、光敏传感器采集的到达楼层信号和压力传感器采集的超载信号；信号存贮模块负责存储电梯内外及各层用户的请求信号和故障、超载信号；中央处理模块处理电梯运行中的各种状态, 在电梯运行

5、过程中 , 对信号存储模块的用户请求数据进行比对 , 从而确定电梯的运行状态；显示模块主要显示电梯所在楼层、电梯运行方向和关门延时等；控制输出主要有电梯的升、降、停和门的开、关、停以及报警等信号。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - 2 图 1 电梯控制器总体结构3、详细设计3.1 中央处理模块中央数据处理模块是系统的核心，通过对存储的数据（含用户请求、到达楼层和故障、超载等信号）进行比较、判断以驱动系统状态的转换。

6、电梯工作过程中共有4种状态：第一层、第二层、第三层、第四层。而每种状态都有等待、上升、下降、开关门、超载报警以及紧急停止动作（第一层无下降动作，第四层无上升动作）。一般情况下，电梯工作起始点是第一层，起始状态是等待状态，启动条件是收到上升请求信号。系统的状态流程图如图2所示。图中超载状态时电梯关门动作取消，本系统由请求信号启动，运行中每检测到一个到达楼层信号，就将信号存储器的请求信号与楼层状态信号进行比较，再参考原方向信号来决定是否停止、转向等动作。中央处理器计时器时钟楼层请求故障请求超载超载、故障报警楼层、关门延时显示门开、关、停电梯升、降、停信号存储外部数据采集第一层第二层第四层第三层上升

7、下降等 待 、 开关 门 、 超载 、 紧 急停止上升下降上升下降等 待 、 开关 门 、 超载 、 紧 急停止等 待 、 开关 门 、 超载 、 紧 急停止等 待 、 开关 门 、 超载 、 紧 急停止名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - 3 图2 系统的状态转换图系统输入输出端口的 VHDL 语言定义如下：port ( clk : in std_logic; -时钟信号（频率为 1Hz）o_u1,o_u2,o_u

8、3: in std_logic; -电梯外人的上升请求信号o_d2,o_d3,o_d4 : in std_logic; -电梯外乘客的下降请求信号in1,in2,in3,in4 : in std_logic; -电梯内乘客的请求信号led : out std_logic_vector(3 downto 0);-电梯所在楼层显示led_c : out integer range 0 to 15; -开关门延时显示stop,overload : in std_logic -紧急停止运行及超载信号); 3.2 外部数据采集模块外部数据采集模块的功能是实时、准确的采集外部信号，以便准确、实时的捕捉楼层

9、到达信号、用户请求信号和超载信号等，有效防止对楼层到达信号和外部请求信号的误判。由于外界干扰，电路中会出现毛刺现象，使信号的纯净度降低，单个的毛刺往往会被错误的当成系统状态转换的触发信号，从而严重影响电梯的正常工作。为了增强系统的抗干扰能力，提高电梯工作的可靠性，可以采用多次检测的方法，即对一个信号连续进行多次采样，以保证信号的可信度。本设计实际不包含此模块，而是采用按键输入模拟此模块来完成相应功能的。在实际应用中需包含此功能模块。外部请求信号和紧急停止信号的输入形式为按键输入，电梯自动上升或下降时间为5s，超载信号来自压力传感器。3.3 信号存储模块电梯控制器的输入请求信号有10个 （电梯外

10、有 3 个上升请求和 3个下降请求的用户输入端口，电梯内有 4个用户请求输入端口） ，由于系统对内、外请求没有设置优先级，各楼层的内、外请求信号被采集后可先进行运算，再存到存储器内，但对请求信号的响应有一定的优先级，即：当电梯处于上升模式时, 只响应比电梯所在的位置高的上楼请求信号, 由下而上逐个执行 , 直到最后一个上楼请求执行完毕；如果高层有下楼请求则直接升到有下楼请求的最高楼层 , 然后进入下降模式。当电梯处于下降模式时则与上升模式相反。电梯运行过程中，由于用户请求信号的输入是离散的，而且系统对请求的响应也是离散的，因此，请求信号的存储要保证新的请求信号不能覆盖原来的请求信号，只有当响应

11、动作完成后才能清除存储器内对应的请求信号位。对应某一楼层的请求信号的存储、清除电路如图3所示。图 3 请求信号操作电路图RAM 的对应位与与外 部 某 层请求信号内 部 某 层请求信号响应信号（CLR）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - 4 3.3 显示模块系统的显示输出包括楼层显示及关门延时显示（若需要，还可以增加请求信号显示和电梯运动方向指示）。电梯每到一新楼层时，楼层数码管便会更新显示为新楼层的层数；关门时会

12、有 3秒的倒计时显示。4、仿真结果该电梯控制器使用 VHDL 语言设计，用 Atera公司Cyclone系列中的 EP1C3T144C8芯片实现，在 Quartus II 7.2 (32-Bit) 环境下通过编译和仿真，并下载到实验箱上进行了验证, 其中部分仿真结果如图 4和图5所示。从图中可以看出，电梯在1楼（led0）时处于等待状态，当有乘客在一楼电梯外请求要上3楼时(o_u1=1,in3=1),电梯开门后延时 3秒（3个时钟周期，实际中 1个时钟周期就是 1秒，仿真时为提高速度时钟周期取10ns）后关门（led_c=3,2,1,0） ；电梯将要到达二楼时，有乘客在三楼电梯外请求要上四楼(

13、o_u3=1)，电梯到达三楼时开门，释放第一批乘客，接入第二批乘客；到达四楼后，进入第三批乘客要去二楼，当关门倒计时器数到1时（led_c=1）,发现超载（overload=1） ， 此时关门倒计时器停止， 电梯一直处于四楼， 对二楼乘客的请求 （in2=1）也不响应；超载信号消失后（overload =0） ，电梯一直下降至二楼，在关门倒计时器数到3时 （led_c=3） ,有人请求紧急停止（stop=1） ， 此时电梯保持不动，紧急停止信号消失后（stop=0） ，电梯完成关门，在二楼等待。图 4 仿真图（ 0400ns）一楼乘客要上三楼三楼乘客要上四楼超载楼层指示关门倒计时器值名师资料总

14、结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - 5 图 5 续图 4（400ns）5、结 语本文设计的基于 FPGA的电梯控制器能够很好的控制电梯完成四层楼的载客服务，其硬件电路简单，可靠性高。只要稍微改变程序就可以实现更多层的电梯控制，便于扩展，灵活性好，需用批量足够大时容易做成专用集成电路芯片，设计成本低具有较好的应用前景。参考文献略附 录 ：源程序- 文件名： dianti.vhd。- 功能： 4 层楼的电梯控制系统。- 最后修改

15、日期：2008.7.20 。library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; use ieee.std_logic_arith.all; entity dianti is port ( clk : in std_logic; -时钟信号（频率为1Hz）o_u1,o_u2,o_u3: in std_logic; -电梯外乘客的上升请求信号o_d2,o_d3,o_d4 : in std_logic; -电梯外乘客的下降请求信号in1,in2,in3,in4 : in std_logic; -电梯内

16、乘客的请求信号led : out std_logic_vector(3 downto 0); -电梯所在楼层显示led_c : out integer range 0 to 15; -开关门延时紧急制动名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - 6 stop,overload : in std_logic -紧急停止运行 ,超载); end dianti; architecture behav of dianti is s

17、ignal opendoor:std_logic; -开门使能信号signal updown:std_logic; -电梯运动方向信号寄存器signal en_up,en_dw:std_logic; -预备上升、预备下降预操作使能信号type state is(g1,g2,g3,g4); signal g:state; signal en : std_logic ; - 1 电梯下一步动作使能;0 进行动作上升，下降，开关门begin process(clk,en,stop,overload) variable in1_r,in2_r,in3_r,in4_r:std_logic; -电梯内乘客

18、请求信号寄存信号variable o_u1_r,o_u2_r,o_u3_r:std_logic; -电梯外乘客上升请求信号寄存信号variable o_d2_r,o_d3_r,o_d4_r:std_logic; -电梯外乘客下降请求信号寄存信号variable in_all,o_u_all,o_d_all,o_i_all:std_logic_vector(3 downto 0); -电梯内外请求信号寄存器begin if clkevent and clk=1 then -if alarm=1then -in1_r:=1;in2_r:=0;in3_r:=0;in4_r:=0; -o_u1_r:=

19、0;o_u2_r:=0;o_u3_r:=0; -o_d2_r:=0;o_d3_r:=0;o_d4_r:=0; -else if in1=1 then in1_r:=1; end if; -对电梯内乘客请求信号进行检测和寄存if in2=1 then in2_r:=1;end if; if in3=1 then in3_r:=1;end if; if in4=1 then in4_r:=1;end if; if o_u1=1 then o_u1_r:=1;end if; -对电梯外乘客上升请求信号进行检测和寄存if o_u2=1 then o_u2_r:=1;end if; if o_u3=1

20、then o_u3_r:=1;end if; if o_d2=1 then o_d2_r:=1;end if; -对电梯外乘客下降请求信号进行检测和寄存if o_d3=1 then o_d2_r:=1;end if; if o_d4=1 then o_d2_r:=1;end if; -end if; in_all:=in4_r&in3_r&in2_r&in1_r; -电梯内乘客请求信号并置o_u_all:=0&o_u3_r&o_u2_r&o_u1_r; -电梯外乘客上升请求信号并置o_d_all:=o_d4_r&o_d3_r&o_d2_r&0; -电梯外乘客下降请求信号并置o_i_all:=i

21、n_all or o_u_all or o_d_all; -电梯内、外乘客请求信号进行综合end if; if clkevent and clk=1 and en=1 and stop=0and overload=0then case g is 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - 7 when g1 = led=0001; -电梯到达一楼，数码管显示1 if in1_r=1 or o_u1_r=1 then - 有

22、当前层的请求，则电梯进入开门状态in1_r:=0; o_u1_r:=0; en_up=0;en_dw=0;opendoor=1; g=g1; elsif o_i_all=0000 then- 无请求时，电梯停在1 楼待机en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g0001 then -有上升请求，则电梯进入预备上升状态en_up=1;en_dw=0;opendoor=0; g led=0010; -电梯到达二楼，数码管显示2 if updown=1 then - 电梯前一运动状态位上升if in2_r=1 or o_u2_r=1 or o_d2_r=1 then -有当前层的请求

23、， 则电梯进入开门状态in2_r:=0; o_u2_r:=0;o_d2_r:=0; en_up=0;en_dw=0;opendoor=1; g=g2; elsif o_i_all=0000 then en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g0011 then - 有上升请求，则电梯进入预备上升状态en_up=1;en_dw=0;opendoor=0;g=g3;-无请求时，电梯停在二楼待机elsif o_i_all0010 then - 有下降请求，则电梯进入预备下降状态en_up=0;en_dw=1;opendoor=0;g=g1; end if; else-电梯前一运动状态

24、为下降if in2_r=1 or o_d2_r=1 or o_u2_r=1 then -有当前层的请求， 则电梯进入开门状态in2_r:=0; o_d2_r:=0;o_u2_r:=0; en_up=0;en_dw=0;opendoor=1; g=g2; elsif o_i_all=0000 then en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g=g2;-无请求时，电梯停在二楼待机elsif o_i_all0010 then - 有下降请求，则电梯进入预备下降状态en_up=0;en_dw=1;opendoor=0; g0011 then - 有上升请求，则电梯进入预备上升状态en

25、_up=1;en_dw=0;opendoor=0; g led=0011; -电梯到达三楼，数码管显示3 if updown=1 then if in3_r=1 or o_u3_r=1 or o_d3_r=1 then in3_r:=0; o_u3_r:=0;o_d3_r:=0;en_up=0;en_dw=0;opendoor=1; g=g3; elsif o_i_all=0000 then en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g0111 then en_up=1;en_dw=0;opendoor=0; g=g4; elsif o_i_all0100 then en_up=

26、0;en_dw=1;opendoor=0; g=g2; end if; else if in3_r=1 or o_d3_r=1 or o_u3_r=1then in3_r:=0; o_d3_r:=0;o_u3_r:=0;en_up=0;en_dw=0;opendoor=1;g=g3; elsif o_i_all=0000 then en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g=g3; elsif o_i_all0100 then en_up=0;en_dw=1;opendoor=0;g0111 then en_up=1;en_dw=0;opendoor=0; g led=0100

27、; -电梯到达四楼，数码管显示4 if in4_r=1 or o_d4_r=1 then in4_r:=0; o_d4_r:=0;en_up=0;en_dw=0;opendoor=1;g=g4; elsif o_i_all=0000 then en_up=0;en_dw=0;opendoor=0; g=g4; elsif o_i_all1000 then en_up=0;en_dw=1;opendoor=0; g null;-en_up=0;en_dw=0; -电梯进入上升或下降状态end case; end if; end process; process(clk,en_up,en_dw,o

28、pendoor,stop,overload) variable v_en : std_logic; variable t1 : integer range 0 to 3; -开关门延时计数器variable t2 : integer range 0 to 5; -开关门延时计数器variable flag :std_logic;- begin if(rising_edge(clk)and stop=0 and overload=0)then if(en_up or en_dw or opendoor)=0)then v_en:=1; else v_en:=0; if opendoor=1 th

29、en if (t1=0 and flag=0)then- flag:=1; t1:=3; elsif(t1=0 and flag=1)then v_en:=1;-flag:=0; else t1:=t1-1; -开门操作- end if; elsif (en_up=1)then -上升预操作t1:=0;flag:=0; updown=1; if (t2=5)then v_en:=1;t2:=0; else t2:=t2+1; -开门操作end if; elsif en_dw=1 then -下降预操作t1:=0;flag:=0; updown=0; if (t2=5)then v_en:=1;

30、t2:=0; 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - 9 else t2:=t2+1; -开门操作end if; end if; end if; end if; en=v_en; led_c=t1; end process; end behav; 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -