基于FPGA芯片智能电梯控制系统设计

基于FPGA芯片的电梯自动控制系统

学号：2011051339姓名：聂丽霞

摘要：

本论文是基于FPGA的电梯控制器的研究，是电梯控制的核心技术，通过电梯控制器可以对电梯运行模式和状态进行全面的控制，这也是此次论文研究的重要性；由于FPGA技术近些年来蓬勃发展，而且在很多领域已经应用的十分成熟，所以用FPGA可以实现对电梯精确、稳定、实时性控制，同时用于FPGA开发的芯片都是一些微处理器芯片，便于集成和智能化设计。

关键词: FPGA VHDL 电梯状态机

一、电梯控制器的需求分析

目前，电梯的设计、工艺不断提高，电梯的品种也逐渐增多，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新：手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等；多台电梯还出现了并联控制、智能群控；双层轿箱电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势，变速式自动人行道扶梯大大节省了行人的时间；不同外形的电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。

电梯的结构分为：四大空间，八大系统；四大空间：机房部分、井道及地坑部分、轿厢部分、层站部分；八大系统：曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统；电梯的功能结构决定电梯的八大应用技术：

⑴全数字识别乘客技术（所有乘客进入电梯前进行识别，其中包括眼球识别、

指纹识别）

⑵数字智能型安全控制技术（通过乘客识别系统或者IC卡以及数码监控设

备，拒绝外来人员进入）

⑶第四代无机房电梯技术（主机必须与导轨和轿厢分离，完全没有共振共鸣，

速度可以达到2.0M/S以上，最高可以使用在30层以上。）

⑷双向安全保护技术（双向安全钳、双向限速器，在欧洲必须使用，中国正

在被普遍使用）

⑸快速安装技术（改变过去的电梯安装方法，能够快速组装）

⑹节能技术（采用节能技术，使电梯更节约能源）

⑺数字监控技术（完全采用计算机进行电梯监控与控制）

⑻无线远程控制及报警装置（当电梯产生故障时，电梯可以通过无线装置给

手机发送故障信息，并通过手机发送信号对电梯进行简单控制。）

本论文主要是控制电梯的运行模式和状态，对信号进行处理的模块，重点在对响应的信号进行处理，并将处理结果反馈给对应功能的控制端口，实现对电梯运行的全面控制。

电梯方向优先控制方式控制系统方框图

二、论文研究的主要内容

本论文的电梯控制器所有的程序可以集成在一个FPGA开发芯片上面，不用在用其他功能的分立逻辑元件，达到集成度高、响应快、功耗低的特点。

本论文是基于FPGA的电梯控制器的研究，是电梯控制的核心技术，通过电梯控制器可以对电梯运行模式和状态进行全面的控制，这也是次论文的研究重要性；电梯的层数为6层，本次论文采用模块化设计，主要分为四大模块：时钟分频模块、按键处理模块、电梯运行控制模块、数码管显示模块。

由于FPGA技术近些年来蓬勃发展，而且在很多领域已经应用的十分成熟，用FPGA可以实现对电梯精确、实时性控制，而且用于FPGA开发的芯片都是一些微处理器芯片，便于集成和智能化设计，而且大大缩短了开发周期。

三、FPGA概述

FPGA（Field Programmable Gate Arry）即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点；FPGA采用了逻辑单元阵列LCA （Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。

四、FPGA硬件体系结构

FPGA采用逻辑单元阵列（LCA，Logic Cell Array）新概念，内部包括可配置逻辑模块（CLB，Configurable Logic Block）、输入输出模块（IOB，Input Output Block）和内部互连资源（IR，Interconnect Resources）三部分组成。

⑴可配置逻辑块（CLB，Configurable Logic Block）是FPGA的主要组成

部分，主要是由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。

⑵输入输出模块（IOB，Input Output Block）提供了器件引脚和内部逻辑

阵列之间的连接，主要是由输入触发器、输入缓冲器和输出触发、锁存

器、输出缓冲器组成。

⑶可编程互连资源（IR，Interconnect Resources）可以将FPGA内部的CLB

和CLB之间、CLB和IOB之间连接起来，构成各种具有复杂功能的系

统，IR主要由许多金属线段构成，这些金属线段带有可编程开关，通过

自动布线实现各种电路的连接。

五、电梯控制器的工作原理

本次论文是实现6层电梯的运行控制，当在某一楼层按下上升或者下降请求按钮时，控制器响应该请求并控制电梯前往该楼层，当到达该楼层时，电梯开门，当进入电梯后，电梯关门，此时按下要到达的楼层按钮，控制器响应该请求并控制电梯前往该楼层，当到达前往楼层后，电梯开门，走出电梯，然后关门......，就这样往复的实现电梯的控制功能。

在电梯运行时遵循如下规则：当电梯处于上升模式时，只响应比电梯所在位置高的上楼信号，由下至上依次执行；直到最后一个上楼请求执行完毕，如有更

高层有下楼请求时，则直接升到有下降请求的最高楼，然后进入下降模式，电梯处于下降模式时，则与上升相反。

电梯的输入信号主要包括外部输入信号和内部输入信号；对于电梯外部输入信号主要有：每一层电梯门外都有上升请求和下降请求按钮，其中一楼电梯门外只有上升请求按钮，6楼电梯门外只有下降请求按钮。对于电梯内部输入信号主要有：6个前往楼层的按钮、提前关门按钮、延时关门按钮、电梯异常按钮。

电梯输出信号也主要包括外部输出信号和内部输出信号；对于电梯外部输出信号包括上升请求按钮和下降按钮指示信号、电梯当前所在楼层指示信号、电梯运行方向指示信号。电梯内部输出信号包括6个前往楼层按钮指示信号、超重等警告指示信号、电梯当前所在楼层指示信号、电梯运行方面指示信号。

六、电梯控制系统的设计内容

本次论文是基于FPGA的电梯控制器的研究，是电梯控制的核心技术，通过电梯控制器可以对电梯运行模式和状态进行全面的控制，这也是次论文的研究重要性；电梯的层数为6层，本次论文采用模块化设计方法，主要分为四大模块：时钟分频模块、按键处理模块、电梯运行控制模块、数码管显示模块。

本论文是基于FPGA的电梯控制器的研究，是电梯控制的核心技术，通过电梯控制器可以对电梯运行模式和状态进行全面的控制，这也是次论文的研究重要性；电梯的层数为6层，本次论文采用模块化设计方法，主要分为四大模块：时钟分频模块、按键处理模块、电梯运行控制模块、数码管显示模块。其方框原理图如下：

电梯控制器原理图

七、时钟分频模块

时钟分频模块功能是将系统频率分频为两种不同的频率，一个是2分频时钟供电梯运行控制模块使用，另一个8分频时钟供其他模块使用，其源代码如下：时钟分频模块：clkdiv.vhd

Library Ieee; Use Ieee.Std_Logic_1164.All;

Use Ieee.Std_Logic_unsigned.All; // 定义所用的标准库

Port( clk: In Std_Logic; //系统时钟频率

clk_2: Out Std_Logic; //2分频脉冲（作为电梯控制时钟）

clk_8: Out Std_Logic //8分频脉冲（作为按键处理时钟）

); //定义输入输出变量

End clkdiv;

Signal cnt: Std_Logic_Vector(7 Downto 0); //定义一个8位的变量

Begin Process(clk) //时钟分频进程

Begin If clk'event and clk='1' Then //时钟脉冲上升沿有效

cnt<=cnt+1;

clk_2<=cnt(1); //变量cnt的第1位输出2分频

clk_8<=cnt(4); //变量cnt的第3位输出8分频End Process;

End one;

源程序编写完成后，进行调试、运行并生成模块文件，确认没有错误之后进行功能仿真、时序分析。其模块原理图如下：

时钟分频模块原理图

八、电梯运行控制模块

电梯运行控制模块是此次设计的核心，电梯运行的模式和状的态控制效果完全取决于电梯控制模块，它的功能是在系统2分频时钟下，根据按键处理模块输出的信号，控制电梯上升与下降运行模式和状态，当电梯关门时输出相应的上升与下降清除信号，同时输出电梯当前所在楼层的数码管输出信号与电梯运行方向，本次是设计的6层电梯控制系统，在源程序中具体要体现一下功能：

⑴每层电梯（除1楼和6楼外，1楼只有上升请求按钮，6楼只有下降请

求按钮）入口出设置有上升和下降请求按钮，电梯内部设有要到达楼层

的请求按钮1-6楼。

⑵设有电梯所处位置数码管显示部分，电梯运行模式的LED显示部分。

⑶电梯能记忆电梯外部所有信号请求，并按照电梯运行规则进行顺序响

应，每个电梯请求信号保留到电梯响应结束。

⑷电梯运行规则：当电梯上升时候，只响应比电梯所在楼层高的上楼信号，

由下到上依次执行，直到最后一个上升请求信号执行完毕，当电梯下降

时候，只响应比电梯所在楼层低的下楼信号，由上到下依次执行，直到

最后一下下降请求信号执行完毕。

电梯运行控制模块的源程序如下：

电梯运行控制模块：elevator_run.vhd

Library Ieee;

Use Ieee.Std_Logic_1164.All;

Use Ieee.Std_Logic_Arith.All;

Use Ieee.Std_Logic_unsigned.All; // 定义所用的标准库

Entity elevator_run Is

Port( clk: In Std_Logic; //电梯时钟

rst: In Std_Logic; //异步置位按键

alarm: in Std_Logic;

up_light: in Std_Logic_Vector(6 Downto 1); //电梯外部上升请求指示灯

down_light: in Std_Logic_Vector(6 Downto 1);//电梯外部下降请求指示

灯

inside_light: in Std_Logic_Vector(6 Downto 1); //电梯内部楼层请求指示灯

position: out integer range 1 to 6; //电梯位置变量

door_light: Out Std_Logic; //电梯门开关指示灯

clear_up: out Std_Logic; //用于清除上升请求指示灯信号

clear_down: out Std_Logic //用于清除下降请求指示灯信号

delay: In Std_Logic; //延时关门变量

advance: In Std_Logic; //提前关门变量

updown_light: Buffer Std_Logic_Vector(7 Downto 0); //电梯升降显示); //定义输入输出变量

End elevator_run;

Architecture six_floor of elevator_run is type lift_state is

(stop_1,door_open,door_close,door_wait1,door_wait2,door_wait3,door_wait4, door_wait5,door_wait6,up,down,stop);

signal my_lift:lift_state;

signal pos:integer range 6 downto 0;

signal updown_flag:Std_Logic;

signal posreg:integer range 1 to 6;

signal one:Std_Logic_Vector(6 Downto 1);

Begin //控制电梯状态进程

U1:Process(rst,clk)

Begin If (rst='0' or alarm='0') Then

my_lift<=stop_1;

clear_up<='1';

clear_down<='1';

Else If(clk'event and clk='1') Then case my_lift is

when stop_1 => //初试状态在第一层

door_lght<='0';

position<='1';

my_lift<=door_wait1;

clear_up<='0';

clear_down<='0';

updown_light<="00000010";

//开门时间为door_wait1到door_wait6，5个时钟周期

//如果提前信号advance有效，则电梯直接跳到door_close状态//如果提前信号delay有效，则电梯重新回到door_wait1状态when door_wait1 =>

If advance='1' Then

my_lift<=door_close;

Elsif delay='1' Then

my_lift<=door_wait1;

Else my_lift<=door_wait2;

End If;

clear_up<='0';

clear_down<='0';

when door_wait2 =>

If advance='1' Then

my_lift<=door_close;

Elsif delay='1' Then

my_lift<=door_wait1;

Else my_lift<=door_wait3;

End If;

clear_up<='0';

clear_down<='0';

when door_wait3 =>

If advance='1' Then

my_lift<=door_close;

Elsif delay='1' Then

my_lift<=door_wait1;

Else my_lift<=door_wait4;

End If;

clear_up<='0';

clear_down<='0';

when door_wait4 =>

If advance='1' Then

my_lift<=door_close;

Elsif delay='1' Then

my_lift<=door_wait1;

Else my_lift<=door_wait5;

End If;

clear_up<='0';

clear_down<='0';

when door_wait5 =>

If advance='1' Then

my_lift<=door_close;

Elsif delay='1' Then

my_lift<=door_wait1;

Else my_lift<=door_wait6;

End If;

clear_up<='0';

clear_down<='0';

when door_wait6 =>

my_lift<=door_close;

clear_up<='0';

clear_down<='0';

when door_close =>

door_light<='0';

clear_up<='0';

clear_down<='0';

If posreg=6 Then //如果电梯在第6层，且电梯外部与内部没有任何按键请求，电梯进入关门状态

//电梯运行状态指示停止

If(inside_light="000000" and up_light="000000" and down_light="000000") Then my_lift<=door_close;

//数码管显示横杠，表示电梯停止，没有向上和向下运行

updown_light<="00000010";

//如果电梯在第6层，且电梯外部与内部有任何按键请求时，电梯转到下降状态

//电梯运行状态指示下降

Elsif(inside_light>"000000" or up_light>"000000" or down_light>"000000") Then my_lift<=down;

//数码管显示小写d字，表示电梯下降运行

updown_light<="01111010";

updown_flag<='1';

End If; //如果电梯在第1层

If posreg=1 Then //如果电梯在第1层，且电梯外部与内部没有任何按键请求，电梯进入关门状态

//电梯运行状态指示停止

If(inside_light="000000" and up_light="000000" and down_light="000000") Then my_lift<=door_close;

//数码管显示横杠，表示电梯停止，没有向上和向下运行

updown_light<="00000010";

//如果电梯在第1层，且电梯外部与内部有任何按键请求时，电梯转到上升状态

//电梯运行状态指示上升

Elsif(inside_light>"000000" or up_light>"000000" or down_light>"000000") Then my_lift<=up;

//数码管显示小写u字，表示电梯上升运行

updown_light<="01111100";

updown_flag<='0';

End If;

//如果电梯在其他楼层时候

Else

//如果电梯在其他楼层，且电梯外部与内部没有任何按键请求，电梯进入关门状态

//电梯运行状态指示停止

If(inside_light="000000" and up_light="000000" and down_light="000000")

Then my_lift<=door_close;

//数码管显示横杠，表示电梯停止，没有向上和向下运行

updown_light<="00000010";

//如果电梯外部上升请求或下降请求所在的楼层比电梯当前楼层高，或电梯内部前往的楼层比电梯当前楼层高，则电梯转到上升状态

//电梯运行状态指示上升

Elsif inside_light>=（one+one）or up_light>=（one+one）or down_light>（one+one）Then my_lift<=up;

//数码管显示小写u字，表示电梯下降运行

updown_light<="01111100";

updown_flag<='0';

//如果电梯外部上升请求或下降请求所在的楼层比电梯当前楼层低，或电梯内部前往的楼层比电梯当前楼层低，则电梯转到下降状态

//电梯运行状态指示下降

Elsif（inside_light+inside_light）<=one or (up_light+up_light)<=one or (down_light+down_light)<=one

Then my_lift<=down;

//数码管显示小写u字，表示电梯下降运行

updown_light<="01111010";

updown_flag<='1';

Else

my_lift<=door_close;

End If;

End If;

when up => //当电梯在上升状态时

clear_up<='0';

clear_down<='0';

//当电梯所在楼层低于6层，当前楼层是电梯前往楼层之一，或者是当前楼层有人请求上升，或者电梯内部没有请求信号但是当前楼层有人请求下降，电梯则转向到停止状态

If posreg<6 and (inside_light(posreg)='1' or up_light(posreg)='1' or (inside_light="000000" and down_light(posreg)='1'))

Then my_lift<=stop;

//如果电梯内部没有请求信号，电梯外部没有上升请求信号，且当前楼层有电梯外部下降请求信号，则电梯运行时转到下降状态

If （inside_light="000000" and up_light="000000" and down_light(posreg)='1') Then updown_flag<='1';

End If;

//当电梯所在楼层为6层，有人前往第6层，或者第6层有人下降请求时，电梯则转到停止状态

Elsif posreg=6 and (inside_light(posreg)='1' or down_light(posreg)='1')

Then my_lift<=stop;

Elsif posreg=6 and (down_light>"000000" or up_light>"000000")

Then my_lift<=stop;

//其他情况，电梯继续上升运行，电梯所在楼层加1

Else

my_lift<=up;

updown_light<="01111100";

updown_flag<='0';

If posreg<6 Then

Posreg<=(Posreg+1);

End If;

End If;

when down => //当电梯在下降状态时

clear_up<='0';

clear_down<='0';

//当电梯所在楼层高于1层时，当前楼层是电梯前往楼层之上，或者是当前楼层有人请求下降，或者电梯内部没有前往请求信号但是楼层有人请求上升，电梯则转向到停止状态

If posreg<1 and (inside_light(posreg)='1' or down_light(posreg)='1' or

(inside_light="000000" and up_light(posreg)='1'))

Then my_lift<=stop;

//如果电梯内部没有前往信号，电梯外部也没有下降请求信号，且当前楼层有电梯外部上升请求信号，则电梯运行时转到上升状态

If （inside_light="000000" and up_light(posreg)='1' and

down_light="000000")

Then updown_flag<='0';

End If;

//其他情况，电梯继续下降运行，电梯所在楼层减1

Else

my_lift<=down;

updown_light<="01111010";

updown_flag<='1';

If posreg>1 Then

Posreg<=(Posreg-1);

End If;

End If;

//当电梯为停止状态，则转为电梯开门状态

when stop =>

mylift<=door_open;

clear_up<=not updown_flag;

clear_down<=updown_flag;、

//当电梯为开门状态时，开门灯亮，转到关门等待状态

when door_open =>

door_light<='1';

clear_up<='0';

clear_down<='0';

my_lift<=door_wait1;

//当电梯的其他状态则转到电梯关门等待状态下

when others =>

my_lift<=door_wait1;

End case;

End If;

End If;

position<=posreg;

End Process U1;

//楼层信号转化进程，将电梯楼层信号转化成逻辑变量one，提供进程给U1使用U2:Process(clk,posreg)

Begin

If(clk'event and clk='1') Then

case posreg is

when 1 => one<="000001"; //一位热编码

when 2 => one<="000010";

when 3 => one<="000100";

when 4 => one<="001000";

when 5 => one<="010000";

when 6 => one<="100000";

End case;

End If;

End Process U2;

End six_floor;

电梯控制运行模块源程序编写完成后，进行编译、运行并生成模块文件，确认没有错误之后进行波形仿真、时序分析。其模块原理图如下：

电梯运行控制模块原理图

数码管显示模块源程序编写完成后，进行编译、运行并生成模块文件，确认没有错误之后进行波形仿真、时序分析。其模块原理图如下：

电梯控制器的所有模块都已经设计完成，然后将这四个模块进行综合，将各个模块的相关信号进行连接，并进行功能仿真和时序分析。

九、电梯超重控制可行性分析

经过我细心观察和亲自乘坐电梯的感受，现在很多电梯对于超重的处理存在一定的不完善，分析主要原因是在于对达到超重前的重量控制没有一定的预

留，现在的电梯在运行过程中只要是没有达到超重值，那么在其运行过程中，无论是有上升还是下降请求信号，总会对其进行响应并开门，即使此时不能上一个人，但是由于没有达到超重值，门还是会开的；这样其实更浪费大家的时间，如果说，我们在这个过程中通过对这个超重范围进行一定的控制，就不会造成这样的情况，也正因为如此，本次论文提出对超重控制的改进分析。具体实现的原理方框图如下：

电梯超重控制原理方框图

具体的实现方法是对超重的范围预留一个平均体重的重量，当电梯的载重在这个范围内时，电梯在运行过程中不再开门，直到有人出电梯，然后再按照电梯的运行规则运行。此次设计提出的方案是通过传感器与FPGA芯片进行处理，将压电式传感器对压力这种非电量信号进行采集，然后经过信号放大、A/D转换，最终将生成的数字信号送入FPGA芯片进行处理，然后控制电梯运行；实现超重优先级，控制超重在一定范围内，不做开门响应，直到有人出电梯，电梯载重在正常范围内。

十、结论

本论文是基于FPGA的6层电梯控制器的研究，设计过程中采用模块化设计方法，主要分为四大模块：时钟分频模块、按键处理模块、电梯运行控制模块、数码管显示模块，其中，电梯运行控制模块是整个设计的核心，主要负责对电梯运行模式和状态的控制，采用VHDL硬件描述语言编程，在控制电梯的状态方面，采用状态机的方法对电梯的状态进行控制，使得电梯运行过程变得简单、快捷、稳定，此次设计过程中提出使用传感器对电梯超重情况进行控制，更让电梯

变得智能化、人性化。

此次设计让我对FPGA有的更深刻的认识，对VHDL/Verilog HDL硬件描述语言进行了深入的学习，为以后对这方面的研究做了铺垫，也为以后的工作和学习提供了理论基础。