基于FPGA的电梯控制器系统设计.doc

基于FPGA的电梯控制系统设计摘要:本设计介绍了基于FPGA的四层电梯控制系统的设计。该系统采用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EP2C5T144作为主控制芯片,采用Verilog-HDL编程描述,实现对电梯的智能控制,经仿真验证,实现了上升下降请求按键、所在楼层显示、电梯运行状态显示、开门指示、超载报警等功能。该设计采用模块化编程,升级可实现任意多层电梯系统,具有很强的适应性和实用性。关键词: 电梯控制 、 FPGA 、 Verilog 、 控制模块The design of control system of elevator based on FPGAAbstract:This design introduced the design of four layer elevator control system based on FPGA. The system adopts the Altera companys Cyclone series FPGA chip EP2C5T144 as the main control chip, using Verilog-HDL programming, to achieve control of the elevator intelligent, simulation results show that, the rise and fall of the request, floor display, key operation state of elevator door display, indicating, overload alarm function. The design uses the modular programming, upgrade can be arbitrary multilayer elevator system, has strong adaptability and practicabilityKeywords: elevator control 、 FPGA 、 Verilog 、 control module引言随着社会的发展,电梯的使用越来越普遍,对电梯功能的要求也不断提高,其相应控制方式也在不断发生变化。电梯的微机化控制主要有: PLC控制、单板机控制单片机控制、单微机控制、多微机控制和人工智能控制等。随着专用集电路ASIC设计技术和EDA技术的发展,可编程逻辑器件的广泛使用,为数字系统设计带来了革命性的变化,改变了传统的电路设计中使用的芯片多、电路复杂、出现问题不易查找、不易进行功能扩展的缺点。本设计使用FPGA器件作为主控制芯片,采用Verilog-HDL语言设计一个四楼层单个载客箱的电梯控制系统,设计采用模块化设计,便于修改和升级,可稍加改进,实现多层电梯控制。1电梯控制系统总体设计1.1 电梯控制系统硬件结构电梯控制系统硬件结构如图1所示。FPGA控制器电梯内外请求信号楼层传感器传感器检测电路重启、超载信号等开关门电路电机驱动电路显示电路其他电路图1系统硬件结构框图该统主要由FPGA控制器、各输入信号模块、输出驱动模块组成。FPGA控制模块的输入信号有:电梯内外请求信号、楼层到达信号、重启超载报警等信号;其输出信号分别驱动显示电路、电梯开关门电路、电机驱动电路、以及其他如报警电路等。FPGA控制模块是本设计的核心。2 FPGA控制器的模块设计与实现FPGA控制编程主要由六个模块组成:按键请求模块、状态控制模块、电机驱动模块、显示及报警模块、开关门控模块、分频模块。2.1 按键请求模块该模块的接口信号如表1所示,(1)利用锁存器对输入的请求信号进行存储,当请求满足后清0。为了数据表示方便,本设计的后缀0 3分别表示1 4层。(2)根据电梯的运行状态,按照方向优先、循环执行的原则,在请求信号中提取电梯下一站的楼层信号并输出。如目前楼层为2层,状态为升,那么判断优先级为: p2/up2p3/ down3down2down1p0/up0。(3)当无请求信号时,下一站楼层为0。22状态控制模块本模块是系统设计的核心控制模块。把电梯运行划分为4个状态,分别为:上升、下降、停止、空闲。控制系统的状态转换图如图3所示。系统重启时( res = 1),进入空闲状态( Idle),空闲状态下,输出信号posit= up= down= open= 0,当输入信号goto为0时,保持空闲状态;当goto信号不为0时,进入上升状态( Stop)。当第一层上升信号触发时,进入停止状态。停止状态下, open信号上升沿触发电梯开门; up= down= 0, posit= goto。在电梯开门延时期间( dooropen= 1) ,保持停止状态;当电梯门关上时( dooropen= 0) ,判断下一站楼层,若大于目前楼层,进入上升状态,若小于目前楼层,进入下降状态。上升状态下, up= 1, updown= 01, posit= goto,触发电机控制模块拖拽电机上升。楼层达到信号,使系统进入停止状态。下降状态同理。2.3 电机控制模块本模块输入信号有:上升触发信号(up)、下降触发信号( down)、所在楼层( posit)以及下一站楼层(goto),输出信号: 4个位不同相位的电机驱动信号。模块由升降信号触发,经电机状态控制器,产生4个相位的电机驱动信号P,输出至电机驱动电路,其频率决定电机转动,其相位决定电机的转动方向。P的各频率信号由分频器模块提供。2.4 显示模块本模块功能用于电梯所在楼层( posit)、电梯运行状态(updown)的七段码显示或LED显示。以及超载信号(over)的报警和显示。2.5 门控模块本模块用来控制电梯门状态,由输入门控信号open信号触发开门(doorstat= 1),经过延时,电梯门自动闭合(doorstat= 0)。所超载(over= 1),则电梯门不闭合,电梯保持开门状态,直到超载信号清除。2.6 分频模块分频模块用来对系统时钟信号分频,产生向电机控制模块提供的各频率信号。3 仿真验证本设计顶层采用模块化设计,各模块采用Verilog-HDL硬件描述语言。自顶向下的设计方式,便于程序查错、升级、改进,本设计稍加修改,即可实现任意楼层电梯控制。对所设计程序进行分析、编译、综合、布线后产生的电路进行功能仿真和时序仿真,均可获得符合设计要求的逻辑值。时序仿真波形如图4所示。由图4可以看出:控制器始终能有效存储各楼层请求信号,能按照方向优先、循环次序执行各楼层请求。各信号状态符合设计要求。信号延时为10 ns级,在允许范围内。本设计硬件实现采用康芯KX_7CH最小系统版。程序经引脚锁定并编程下载到器件,经测试,逻辑完全正确,达到设计要求。4结论基于FPGA的数字电路设计方式在可靠性、体积、成本上的优势是巨大的,它已经成为实现数字电路的主要手段之一。本文设计的四层电梯控制器,稍加改进即适合于任意楼层,灵活性强,运行可靠,具有很强的适应性和实用性。参考文献1张汉杰.现代电梯控制技术M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2006.2王子文,骆建华.电梯PLC控制策略及其程序设计J .起重运输机械, 2006( 7) : 14-17.3