FPGA项目（13）——基于FPGA的电梯控制系统

1.摘要

随着科技的发展，电梯早在上个世纪就已进入人们的生活。对于电梯的控制，传统的方法是使用继电器——接触器控制系统进行控制。随着EDA技术的发展，FPGA已广泛应用于各项电子设计中，本设计即利用FPGA来实现对电梯控制系统的设计。

本此课程设计基于Verilog HDL集成电路硬件描述语言开发的四层电梯控制系统，以Quartus II为开发环境，最终在FPGA开发板上实现四层电梯控制系统的基本功能，其功能主要包括：显示电梯楼层数、响应楼层请求、电梯升降指示、电梯开关门、电梯到达停站要求楼层后，蜂鸣器给出声音提示、快速开门、快速关门、电梯报警等。本文采用模块化设计的方法，整个系统主要分为四个模块，其中包括：矩阵键盘模块、电梯控制模块、复位模块、数码管显示模块。

首先，通过FPGA系统板上的矩阵键盘按键输入楼层请求，其中包括电梯内部楼层的请求、电梯外部上升的请求及电梯外部下降的请求；同时，利用LED灯和数码管来显示输入的请求；然后，遵照电梯运行时的方向优先原则及内部响应优先原则来逐次应答请求;并且外部增加快速开门、快速关门按键超重报警等功能，高度还原了现实生活中实际电梯的运行状况。

2.引言

当今社会，随着城市建设的不断发展，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采样、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成;第二种控制方式用可编程控制器取代微机实现信号控制。从控制方式和性质上来说，这两种方法并没有太大的区别。目前电梯控制系统主要有三种控制方式:继电路控制系统(“早期安装的电梯多位继电器控制系统”)、FPGA的控制系统、微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰，微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。而FPGA控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已经成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛应用于传统继电器控制系统的技术改造。

3.功能设计

基本要求：

每层电梯入口处设有上、下请求按键各一个（注：一楼只有上请求按键，四楼只有下请求按键），电梯内设有到达层次的按键，每个请求按键按下时，都有相应的LED灯与之对应；
电梯所处楼层由数码管显示，电梯上、下状态由LED灯指示；
电梯每秒升（降）一层，到达某一层时，数码管显示对应的楼层；
电梯到达有停战要求的楼层后，蜂鸣器给出声音提示，经过0.5秒电梯门自动打开，开门指示灯亮，开门5秒后，电梯门自动关闭（开门指示灯灭），电梯继续运行；
能记忆电梯内、外所有请求信号，并有相应的指示LED显示，并按照电梯运行规则次第响应，每个请求信号保留至执行后撤除；
电梯运行规则：电梯处于上升模式时，只响应比电梯所在位置高的层次的上楼请求信号，由下而上逐个执行，直到最后一个请求执行完毕；如果高层有下楼请求，则直接升到有下楼请求的最高楼层接客，然后进入下降模式；电梯处于下降模式时与之相反，仅响应比电梯所在位置低的楼层的下楼请求，由上到下逐一解决，直到最后一个请求被处理完毕；如再低楼层有上升请求，则降至该楼层，并进入上行模式；电梯执行完所有请求后，应停在最后所在的位置不变，等待新的请求；
接通电源时，电梯应停留在一楼，而各种上行、下行请求皆被清除。

创新要求：

电梯内部设置快速开门、快速关门按键，且可在门开到一半或关到一半的中间状态触发。
电梯自带超载功能，即人员超载则电梯门不会关闭并发出警报，电梯停留在该层并停止运行，直至超载人员出电梯，电梯恢复正常运行。
电梯在关门状态中若有同方向请求及内部请求则电梯门打开。
电梯在开门状态，清除本楼层同方向外部请求及内部请求。

4.设计原理

设计一个电梯运行控器，该电梯有4层楼，设计的电梯调度算法满足提高服务质量、降低运行成本的原则;电梯的内部有一个控制面板它负责按下请求到的楼层，并且显示当前尚未完成的目的地请求，当到达该楼层以后自动撤销本楼层的请求即将面板灯熄灭;除1层和4层分别只有上和下按钮外，其余每个楼层(电梯门口旁)的召唤面板都有两个按钮，分别指示上楼和下楼请求。当按下后，对应按钮灯亮。如果电梯已经到达该楼层，按钮灯熄灭;电梯的外部面板会显示电梯当前所在的楼层及上行还是下行(暂停则上下行指示灯灭);电梯向一个方向运行时，只对当前方向前方的请求进行应答，直到本方向前方无请求时，才对反方向的请求进行应答。当前内部控制面板上有的请求只要经过所在楼层均会立即响应，在所有内部外部请求都已完成后，电梯转入等待。设计思路采用经典的有限状态机[1]的设计方法，有限状态机可以认为是组合逻辑和寄存器逻辑的特殊组合，它一般包括组合逻辑和寄存器逻辑两个部分，寄存器逻辑用于存储状态，组合逻辑，用于状态译码和产生输出信号。

电梯模型图：