基于VHDL的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、vhdl數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試實(shí)驗(yàn)報(bào)告基于vhdl的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)背景及說明隨著高層建筑的不斷涌現(xiàn)，對(duì)電梯的需求也與日俱增，電梯已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚牟糠?，穩(wěn)定可靠性高的電梯系統(tǒng)成為了電梯領(lǐng)域的新需求。現(xiàn)在基于vhdl硬件描述語言，用fpga為控制芯片控制完成一個(gè)簡單的6層樓的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。我們常見的電梯控制系統(tǒng)功能都包括：上升請(qǐng)求、下降請(qǐng)求、電梯門控、樓層顯示燈、電梯運(yùn)動(dòng)方向顯示、超載、報(bào)警、電梯內(nèi)請(qǐng)求信號(hào)等。根據(jù)這些常用的信號(hào)設(shè)計(jì)一個(gè)電梯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所要求的功能。控制方式的選擇：1） 內(nèi)部請(qǐng)求優(yōu)先控制方式內(nèi)部請(qǐng)求控制方式類似于出租車的工作方式，先將車上的人送至目地，再去載

2、客。作為通用型電梯應(yīng)該服務(wù)于大多數(shù)人，必須考慮電梯對(duì)內(nèi)外請(qǐng)求的響應(yīng)。在內(nèi)部請(qǐng)求優(yōu)先控制方式中，當(dāng)電梯外部人的請(qǐng)求和電梯內(nèi)部人的請(qǐng)求沖突時(shí)，外部人的請(qǐng)求信號(hào)可能被長時(shí)間忽略，因?yàn)樗荒茏鳛橥ㄓ眯碗娞莸脑O(shè)計(jì)方案。2） 單層層?？刂品桨竼螌訉油？刂品绞降韧诨疖囘\(yùn)行方式，遇到站即停止、開門。這種方案保證所有的人的請(qǐng)求都能得到響應(yīng)。然而這樣對(duì)電梯的效率產(chǎn)生了消極的影響：不必要的等待消耗了大量時(shí)間，而且電梯的運(yùn)作與用戶的請(qǐng)求無關(guān)，當(dāng)無請(qǐng)求時(shí)電梯也照常跑空車，浪費(fèi)了大量的電能。對(duì)于用戶而言這種控制方式的請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間也不是很快，因而也不是理想的電梯控制設(shè)計(jì)方案。3） 方向優(yōu)先控制式方式方案方向優(yōu)先控制是指電

3、梯運(yùn)行到某一層樓時(shí)，先考慮這一層樓是否有請(qǐng)求：有則停止；無則繼續(xù)上升或者下降。停止后再啟動(dòng)時(shí)，考慮上方或者下方是否有請(qǐng)求，有則繼續(xù)前進(jìn)，無則停止。檢測(cè)后方是否有請(qǐng)求，有請(qǐng)求則轉(zhuǎn)向運(yùn)行，無請(qǐng)求則維持停止?fàn)顟B(tài)。這種運(yùn)作方式下，電梯對(duì)用戶的請(qǐng)求相應(yīng)率為100%，而且響應(yīng)的時(shí)間較短。方向優(yōu)先控制方式的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單向?qū)訉油５瓤刂品绞降男?。而且，方向控制方式下，電梯在維持停止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候可以進(jìn)入省電模式，又能節(jié)省大量的電能。在本設(shè)計(jì)中采用方向優(yōu)先控制方式。l 電梯的輸入信號(hào)分析電梯的輸入信號(hào)分析主要包括外部輸入信號(hào)和內(nèi)部輸入信息的分析。對(duì)于電梯外部輸入信號(hào)：每一層電梯門外需要有上升請(qǐng)求按鈕和下降請(qǐng)求按鈕

4、，其中一樓電梯門外只有上升請(qǐng)求按鈕，6樓電梯門外只有下降請(qǐng)求按鈕。電梯內(nèi)部輸入信號(hào)包括6個(gè)前往樓層按鈕、提前關(guān)門按鈕、延時(shí)關(guān)門按鈕、電梯異常求救按鈕，另外還有超重等警告信號(hào)輸入。l 電梯的輸出信號(hào)分析：電梯的輸出信號(hào)分析也主要包括外部輸出信號(hào)和內(nèi)部輸出信息的分析。對(duì)于電梯外部信號(hào)包括上升請(qǐng)求按鈕和下降請(qǐng)求按鈕是否被按下指示信號(hào)燈、電梯當(dāng)前所在樓層指示信號(hào)、電梯運(yùn)行方向指示信號(hào)。電梯內(nèi)部輸出信號(hào)包括6個(gè)前往樓層按鈕是否被按下指示信號(hào)、是否超重等告警指示信號(hào)、電梯當(dāng)前所在樓層指示信號(hào)、以及電梯運(yùn)行方向指示信號(hào)。l 電梯運(yùn)行規(guī)則分析：當(dāng)電梯處于上升模式時(shí)，只響應(yīng)比電梯所在位置更高的上樓信號(hào)，由下至上

5、依次執(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)求時(shí)，則直接升到有下降請(qǐng)求的最高樓，然后進(jìn)入下降模式，電梯處于下降模式時(shí)，則與上升模式相反。電梯系統(tǒng)框圖如下圖所示：按鍵輸入乘坐電梯者所想要去的樓層，控制電梯門的開關(guān)，可編程邏輯芯片接收到信號(hào)后進(jìn)行處理，發(fā)送信號(hào)給控制電機(jī)系統(tǒng)來控制電梯的上升下降等狀態(tài)，同時(shí)通過led數(shù)碼管顯示所在的樓層，以及電梯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。該控制器完成6層電梯的載客服務(wù)，而且遵循方向優(yōu)先原則，并能相應(yīng)提前關(guān)門、延時(shí)關(guān)門，并且有超載報(bào)警和故障報(bào)警。同時(shí)指示電梯的運(yùn)行情況以及電梯內(nèi)外請(qǐng)求信息。二、設(shè)計(jì)框圖及模塊說明 設(shè)計(jì)電梯系統(tǒng)框圖如下圖所示： 電梯系統(tǒng)大致包括4個(gè)模塊：1

6、） 外部數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)外部信號(hào)采集、處理要求電梯控制器：實(shí)現(xiàn)對(duì)外部請(qǐng)求信號(hào)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集；準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地捕捉達(dá)到樓層的信號(hào)；有效防止樓層到達(dá)信號(hào)、外部請(qǐng)求信號(hào)的誤判。采用fpga為系統(tǒng)控制核心，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率足夠滿足此系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的要求。外部請(qǐng)求信號(hào)的輸入形式為按鍵輸入，到達(dá)樓層信號(hào)來自光敏傳感器，關(guān)門中斷信號(hào)及超載信號(hào)則產(chǎn)生于壓力傳感器。2） 信號(hào)存儲(chǔ)模塊電梯控制系統(tǒng)的請(qǐng)求輸入信號(hào)有18個(gè)（電梯外有6個(gè)上升請(qǐng)求和6個(gè)下降請(qǐng)求的用戶輸入端口，電梯內(nèi)有6個(gè)請(qǐng)求用戶輸入端口），由于系統(tǒng)對(duì)內(nèi)外請(qǐng)求沒有設(shè)置優(yōu)先級(jí)，各樓層的內(nèi)外請(qǐng)求信號(hào)被采集后可先進(jìn)行運(yùn)算，再存到存儲(chǔ)器內(nèi)。要注意的是電梯運(yùn)行過程中，由于

7、用戶的請(qǐng)求信號(hào)的輸入是離散的，而且系統(tǒng)對(duì)請(qǐng)求的響應(yīng)也是離散的，因此請(qǐng)求信號(hào)的存儲(chǔ)要新的請(qǐng)求信號(hào)不能覆蓋原來的請(qǐng)求信號(hào)，只有響應(yīng)動(dòng)作完成后才能清除存儲(chǔ)器內(nèi)對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求信號(hào)位。3） 基于fpga的中央處理器模塊中央數(shù)據(jù)處理模塊是系統(tǒng)的核心，通過對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)（含請(qǐng)求、到達(dá)樓層等信號(hào)）進(jìn)行比較、判斷以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)的流轉(zhuǎn)。電梯工作過程中共有9種狀態(tài)：等待、上升、下降、開門、關(guān)門、停止、休眠、超載報(bào)警及故障報(bào)警狀態(tài)。一般情況下電梯的工作始點(diǎn)是第一層，起始狀態(tài)是等待狀態(tài)，啟動(dòng)條件是接受上升請(qǐng)求。超載狀態(tài)時(shí)電梯關(guān)門動(dòng)作取消，同時(shí)發(fā)出警報(bào)，直到警報(bào)被清除（看門狗信號(hào)有效的條件是一層樓連續(xù)發(fā)生關(guān)門中斷情況超過3次）

8、。本系統(tǒng)由請(qǐng)求信號(hào)啟動(dòng)，運(yùn)行中每檢測(cè)到一個(gè)到達(dá)樓層信號(hào)，再參考原方向信號(hào)來決定是否停止，轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。系統(tǒng)狀態(tài)流程圖如下圖所示：4） 信號(hào)的輸出、顯示模塊本系統(tǒng)的輸出信號(hào)有兩種：一種是電機(jī)的升降控制信號(hào)（兩位）和開門/關(guān)門控制信號(hào)；另一種是面向用戶的提示信號(hào)（含樓層顯示、方向顯示、已接受請(qǐng)求顯示等）。電機(jī)控制信號(hào)一般需要兩位，本系統(tǒng)中電機(jī)有3種工作狀態(tài)：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)狀態(tài)。兩位控制信號(hào)作為一個(gè)三路開關(guān)的選通信號(hào)，此三路開關(guān)選用模擬電子開關(guān)。系統(tǒng)的顯示輸出包括數(shù)碼管樓層顯示、數(shù)碼管請(qǐng)求信號(hào)顯示和表征運(yùn)動(dòng)方向箭頭指示燈的開關(guān)信號(hào)。led七段數(shù)碼管顯示部分在前面的作業(yè)中已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹及說明，在本

9、系統(tǒng)中省略。本系統(tǒng)具有請(qǐng)求信號(hào)顯示功能，結(jié)合方向顯示，可以減少用戶對(duì)同一請(qǐng)求的輸入次數(shù)，這樣就延長了電梯按鍵的壽命。三、電梯控制程序設(shè)計(jì)源代碼及端口說明輸入端口信號(hào)說明：clk：時(shí)鐘信號(hào)，2hz；clr：清除警報(bào)信號(hào)，高有效，清除故障報(bào)警；c_u1、c_u2、c_u3、c_u4、c_u5：電梯外人的上升請(qǐng)求；c_d2、c_d3、c_d4、c_d5、c_d6：電梯外人的下降請(qǐng)求；deng：關(guān)門中斷，用于在需要等待時(shí)，讓電梯門一直打開，停止運(yùn)動(dòng)；d1、d2、d3、d4、d5、d6：電梯內(nèi)人的請(qǐng)求信號(hào)；full：超載信號(hào)，高時(shí)表示電梯內(nèi)的人過多，超載報(bào)警；g1、g2、g3、g4、g5、g6：到達(dá)樓層

10、信號(hào)，數(shù)碼管led將顯示其值；quick：提前關(guān)門信號(hào)，高有效，當(dāng)為高時(shí)，電梯門馬上關(guān)閉；輸出端口信號(hào)說明：door1:0：電梯門控信號(hào)；led6:0：電梯所在樓層顯示；led_c_u5:0：電梯外人上升請(qǐng)求信號(hào)顯示；led_c_d5:0：電梯外人下降請(qǐng)求信號(hào)顯示；led_d5:0：電梯內(nèi)請(qǐng)求信號(hào)顯示；alarm：超載警告信號(hào)；up：電梯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示，高時(shí)表示上升；down：電梯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示，高時(shí)表示為下降；ud：電機(jī)控制信號(hào)，控制電梯的上升下降，“1”表示為上升，“0”表示為下降；wawawa：看門狗報(bào)警信號(hào)，高時(shí)表示故障報(bào)警。源代碼如下所示： -library ieee;use ieee.

11、std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity dianti is port ( clk : in std_logic; -時(shí)鐘信號(hào)（頻率為2hz） full,deng,quick,clr : in std_logic; -超載、關(guān)門中斷、提前關(guān)門清除報(bào)警信號(hào) c_u1,c_u2,c_u3,c_u4,c_u5: in std_logic; -電梯外人的上升請(qǐng)求信號(hào) c_d2,c_d3,c_d4,c_d5,c_d6 : in std_logic; -電梯外人的下降請(qǐng)求信號(hào)

12、 d1,d2,d3,d4,d5,d6 : in std_logic; -電梯內(nèi)人的請(qǐng)求信號(hào) g1,g2,g3,g4,g5,g6 : in std_logic; -到達(dá)樓層信號(hào) door : out std_logic_vector(1 downto 0); -電梯門控制信號(hào) led : out std_logic_vector(6 downto 0); -電梯所在樓層顯示 led_c_u:out std_logic_vector(5 downto 0); -電梯外人上升請(qǐng)求信號(hào)顯示 led_c_d:out std_logic_vector(5 downto 0); -電梯外人下降請(qǐng)求信號(hào)顯示

13、led_d : out std_logic_vector(5 downto 0); -電梯內(nèi)請(qǐng)求信號(hào)顯示 wahaha : out std_logic; -看門狗報(bào)警信號(hào) ud,alarm : out std_logic; -電梯運(yùn)動(dòng)方向顯示，超載警告信號(hào)up,down : out std_logic ); -電機(jī)控制信號(hào)和電梯運(yùn)動(dòng)end dianti;architecture behav of dianti issignal d11,d22,d33,d44,d55,d66:std_logic; -電梯內(nèi)人請(qǐng)求信號(hào)寄存信號(hào)signal c_u11,c_u22,c_u33,c_u44,c_u55

14、:std_logic; -電梯外人上升請(qǐng)求信號(hào)寄存信號(hào)signal c_d22,c_d33,c_d44,c_d55,c_d66:std_logic; -電梯外人下降請(qǐng)求信號(hào)寄存信號(hào)signal q:integer range 0 to 1; -分頻信號(hào)signal q1:integer range 0 to 6; -關(guān)門延時(shí)計(jì)數(shù)器 signal q2:integer range 0 to 9; -看門狗計(jì)數(shù)器signal dd,cc_u,cc_d,dd_cc:std_logic_vector(5 downto 0); -電梯內(nèi)外請(qǐng)求信號(hào)寄存器signal opendoor:std_logic;

15、 -開門使能信號(hào)signal updown:std_logic; -電梯運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)寄存器signal en_up,en_dw:std_logic; -預(yù)備上升、預(yù)備下降預(yù)操作使能信號(hào)begincom:process(clk)beginif clkevent and clk=1 then if clr=1 then q1=0;q2=0;wahaha=0; -清除故障報(bào)警 elsif full=1 then alarm=1; q1=3 then door=10; else door=00; end if; elsif q=1 then q=0;alarm=0; if q2=3 then waha

16、ha=1; -故障報(bào)警 else if opendoor=1 then door=10;q1=0;q2=0;up=0;down=0; -開門操作 elsif en_up=1 then -上升預(yù)操作 if deng=1 then door=10;q1=0;q2=q2+1; -關(guān)門中斷 elsif quick=1 then q1=3; -提前關(guān)門 elsif q1=6 then door=00;updown=1;up=3 then door=01;q1=q1+1; -電梯進(jìn)入關(guān)門狀態(tài) else q1=q1+1;door=00; -電梯進(jìn)入等待狀態(tài) end if; elsif en_dw=1 the

17、n -下降預(yù)操作 if deng=1 then door=10;q1=0;q2=q2+1; elsif quick=1 then q1=3; elsif q1=6 then door=00;updown=0;down=3 then door=01;q1=q1+1; else q1=q1+1;door=00; end if; end if; if g1=1 then led=1001111; -電梯到達(dá)1樓，數(shù)碼管顯示1 if d11=1 or c_u11=1 then d11=0; c_u11=0;opendoor000001 then en_up=1; opendoor=0; -有上升請(qǐng)求，

18、則電梯進(jìn)入預(yù)備上升狀態(tài) elsif dd_cc=000000 then opendoor=0; -無請(qǐng)求時(shí)，電梯停在1樓待機(jī) end if; elsif g2=1 then led=0010010; -電梯到達(dá)2樓，數(shù)碼管顯示2 if updown=1 then -電梯前一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)位上升 if d22=1 or c_u22=1 then d22=0; c_u22=0; opendoor000011 then en_up=1; opendoor=0; -有上升請(qǐng)求，則電梯進(jìn)入預(yù)備上升狀態(tài) elsif dd_cc000010 then en_dw=1; opendoor=0; -有下降請(qǐng)求，則電梯

19、進(jìn)入預(yù)備下降狀態(tài) end if; -電梯前一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為下降 elsif d22=1 or c_d22=1 then d22=0; c_d22=0;opendoor=1; -有當(dāng)前層的請(qǐng)求，則電梯進(jìn)入開門狀態(tài) elsif dd_cc000010 then en_dw=1; opendoor000011 then en_up=1; opendoor=0; -有上升請(qǐng)求，則電梯進(jìn)入預(yù)備上升狀態(tài) end if; elsif g3=1 then led=0000110; -電梯到達(dá)3樓，數(shù)碼管顯示3 if updown=1 then if d33=1 or c_u33=1 then d33=0; c_u

20、33=0;opendoor000111 then en_up=1; opendoor=0; elsif dd_cc000100 then en_dw=1; opendoor=0; end if; elsif d33=1 or c_d33=1 then d33=0; c_d33=0; opendoor=1; elsif dd_cc000100 then en_dw=1; opendoor000111 then en_up=1; opendoor=0; end if; elsif g4=1 then led=1001100; -電梯到達(dá)4樓，數(shù)碼管顯示4 if updown=1 then if d

21、44=1 or c_u44=1 then d44=0; c_u44=0; opendoor001111 then en_up=1; opendoor=0; elsif dd_cc001000 then en_dw=1; opendoor=0; end if; elsif d44=1 or c_d44=1 then d44=0; c_d44=0; opendoor=1; elsif dd_cc001000 then en_dw=1; opendoor001111 then en_up=1; opendoor=0; end if; elsif g5=1 then led=0100100; -電梯到

22、達(dá)5樓，數(shù)碼管顯示5 if updown=1 then if d55=1 or c_u55=1 then d55=0; c_u55=0;opendoor011111 then en_up=1; opendoor=0; elsif dd_cc010000 then en_dw=1; opendoor=0; end if; elsif d55=1 or c_d55=1 then d55=0; c_d55=0;opendoor=1; elsif dd_cc010000 then en_dw=1; opendoor011111 then en_up=1; opendoor=0; end if; els

23、if g6=1 then led=0100000; -電梯到達(dá)6樓，數(shù)碼管顯示6 if d66=1 or c_d66=1 then d66=0; c_d66=0;opendoor=1; elsif dd_cc100000 then en_dw=1; opendoor=0; end if; else en_up=0;en_dw=0; -電梯進(jìn)入上升或下降狀態(tài) end if; end if; else q=1;alarm=0; -清除超載報(bào)警 if d1=1 or d1=0 then d11=d1; -對(duì)電梯內(nèi)人請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和寄存 elsif d2=1 or d2=0 then d22=d2;

24、 elsif d3=1 or d3=0 then d33=d3; elsif d4=1 or d4=0 then d44=d4; elsif d5=1 or d5=0 then d55=d5; elsif d6=1 or d6=0 then d66=d6; end if; if c_u1=1 or c_u1=0 then c_u11=c_u1; -對(duì)電梯外人上升請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和寄存 elsif c_u2=1 or c_u2=0 then c_u22=c_u2; elsif c_u3=1 or c_u3=0 then c_u33=c_u3; elsif c_u4=1 or c_u4=0 the

25、n c_u44=c_u4; elsif c_u5=1 or c_u5=0 then c_u55=c_u5; end if; if c_d2=1 or c_d2=0 then c_d22=c_d2; -對(duì)電梯外人下降請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和寄存 elsif c_d3=1 or c_d3=0 then c_d33=c_d3; elsif c_d4=1 or c_d4=0 then c_d44=c_d4; elsif c_d5=1 or c_d5=0 then c_d55=c_d5; elsif c_d6=1 or c_d6=0 then c_d66=c_d6; end if; dd=d66&d55&d4

26、4&d33&d22&d11; -電梯內(nèi)人請(qǐng)求信號(hào)并置 cc_u=0&c_u55&c_u44&c_u33&c_u22&c_u11; -電梯外人上升請(qǐng)求信號(hào)并置 cc_d=c_d66&c_d55&c_d44&c_d33&c_d22&0; -電梯外人下降請(qǐng)求信號(hào)并置 dd_cc=dd or cc_u or cc_d; -電梯內(nèi)、外人請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行綜合 end if; ud=updown; -電梯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示 led_d=dd; -電梯內(nèi)人請(qǐng)求信號(hào)顯示 led_c_u=cc_u; -電梯外人上升請(qǐng)求信號(hào)顯示 led_c_d=cc_d; -電梯外人下降請(qǐng)求信號(hào)顯示end if; end process;

27、end behav;此次電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的是altera公司的max-ii，由下資源使用情況圖可見這款芯片足夠滿足本次設(shè)計(jì)需求。四、仿真結(jié)果及說明假設(shè)電梯初始狀態(tài)在一樓，此時(shí)2、3樓電梯外有人要下樓，4樓電梯外有人要上樓，在此后輸入等待、快速關(guān)門、超載等信號(hào)，觀察仿真圖得出結(jié)論：電梯控制程序仿真全圖注：實(shí)際使用時(shí)電梯的時(shí)鐘為2hz，為了仿真時(shí)便于觀察我們?cè)诜抡鏁r(shí)，將頻率加倍為25mhz。電梯控制程序仿真局部放大圖-1注：1. 電梯停在一樓時(shí)，接受到請(qǐng)求信號(hào)c_d3、c_d2、c_u4和d6，并把請(qǐng)求信號(hào)寫入相應(yīng)的寄存器。led顯示電梯所在樓層；led_d、led-c_u和led_c_d顯示用戶的請(qǐng)求。2. 電梯經(jīng)過準(zhǔn)備上升狀態(tài)后，進(jìn)入上升狀態(tài)，到達(dá)2樓、3樓時(shí)，由于2、3樓的乘客要求的是下降，所以不停繼續(xù)前進(jìn)。3. 電梯上升到4樓時(shí)，響應(yīng)請(qǐng)求（c_u4），開門載客；載客時(shí)電梯的門狀態(tài)door先由10（電梯門打開）跳到0