基于FPGA的电梯控制系统设计

◇武汉轻工大学电气与电子工程学院 陶云轩 李素芬 张祥武 杨文卓

使用FPGA器件作为主控制芯片，Quartus II作为编程软件，使用DE10-NANO作为编程后的硬件板子，设计一个基于DE10-NANO板的电梯控制系统，便于实现更多层电梯控制，有较强的灵活性。

电梯在生活中随处可见，大型的商城中、高档的酒店内都少不了电梯的身影。现阶段，电梯控制系统硬件由轿厢操纵盘、厅门信号、PLC、变频器、调速系统构成，变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分是由PLC完成的。PLC负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起停信号，同时变频器也将本身的工作状态输送给PLC，形成双向联络关系[1-2]。

FPGA，其实是一种开发者在短时间内利用个人PC就可以在实现多次重写的廉价设备，是高密度可编程逻辑器件的主流产品[3]，具有运行效率高，操作简易，易于实现大规模系统和二次开发的系统。

Quartus II 是Altera公司的综合性CPLD/FPGA开发软件，原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware 支持DescriptionLanguage）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程[4]。

本研究将使用FPGA器件作为主控制芯片，Quartus II作为编程软件，设计一个基于DE10-NANO板五层电梯控制系统。

1 电梯的控制要求[5]

（1）该电梯五层，除第一、五层，每层都设有上下键，一层设有上键，五层设有下键。

（2）电梯内有防超重系统、紧急呼叫按钮、故障指示灯、报警系统和楼层按钮等。

（3）电梯到达指定楼层后，过2秒后电梯门打开，开门4s电梯开始关闭，再经过6s电梯开始上下行。

（4）电梯没有接到指令时，在3楼待命。

2 系统设计

2.1 电梯控制器的模块设计

电梯控制器主要由指令请求模块、电梯运行状态模块、显示模块、开关门模块、超重报警模块这五个模块组成。以下为这五个模块的功能。

（1）指令请求模块。

表1 指令请求模块信号

电梯在运行的过程中，并不是简单的按照顺序优先逻辑，而是按照最佳方案来运行的，例如：当电梯在1楼时，同时收到4楼和5楼的下降请求信号，则电梯首先上升到5楼，然后再下降到4楼，这样可以最大化的节省电能。在没有请求时，电梯会自动到3楼待机。

（2）电梯运行状态模块。

电梯运行状态分为上升、下降、预上升、预下降、停止。

当电梯没有收到请求信号时，电梯自动回到3楼，进入待机状态，或者说是预上升状态，此时电梯只能接收到上升信号。

当电梯在2、3、4楼时，如果没有收到信号，则返回3楼进入待机状态；如果收到上升信号，则进入预上升状态，准备上升；若收到下降信号，则进入预下降状态，准备下降。

当电梯在5楼时，此时电梯只能接收到下降信号。若没有请求信号，则自动返回3楼待机；若收到下降信号，则进入预下降状态，准备下降。

进一步分析，当电梯处于停滞状态，如果有楼层上升信号（out_upi，i为2至5）产生时，电梯就会进入预上升状态（pre_up），电梯门处于关闭状态（door<=2'b00），过6s后电梯进入上升状态（up<=1'b1）；如果有楼层下降（out_dowi，i为2至5）信号产生时，电梯就会进入预下降状态（pre_dow），电梯门处于关闭状态（door<=2'b00），过6s后电梯进入下降状态（down<=1'b1）。

表2 运行状态模块信号

（3）显示模块。

显示模块包括以下两部分：

a、用七段数码表示的电梯楼层显示。如用display<=7'b011 0000表示电梯到达1楼，display<=7'b1101101表示电梯到达2，display<=7'b1111001表示电梯到达3楼，display<=7'b0110011表示电梯到达4楼display<=7'b1011111表示电梯到达5楼。其原理为：当电梯在某楼时，其中一部分接上正电源，此时数码管将显示该楼层的数字。

b、电梯超重报警（alarm）。

表3 显示模块信号

（4）开关门模块。

该模块用来控制电梯门的开关。当电梯到达指定楼层时，电梯门为打开状态（door<=2'b10），经过4s后，电梯开始关门（close<=2'b10），再经过6s，电梯开始进行向上（up）或向下（down）操作。还可以在电梯关门期间中断关门（stop<=2'b10）和电梯处于开门期间提前关门（close<=2'b10）。

并且，在出现电梯超载的情况下，电梯门不会关闭（close<=2'b00），直到电梯处于安全状态，才关闭电梯门。

表4 开关门模块信号

（5）超重报警模块。

本模块用来防止电梯超重。当电梯超重（full）时，电梯接到超载警告信号（alarm），电梯门会处于打开状态（door<=2'b10），当电梯不再超载时，清除警报（sys），电梯进入关门状态。

表5 超重报警模块信号

2.2 仿真及其分析

当电梯在1楼（att_floor1）时，5楼产生了向下的请求信号（out_dow5），于是电梯进入预上升状态，电梯门（door）关闭。在判断无超载信号（full）产生后，电梯进入上升状态（up）。电梯经过2楼（att_floor2）、3楼（att_floor3）、4楼（att_floor4）后抵达5楼（att_floor5），电梯停止上升，电梯门（door）打开，电梯进入停止状态（stop）。

图1 接收到向下的请求信号

当电梯抵达5楼（att_floor5）后，电梯接收到电梯内部到2楼的指令请求（out_ord2），但此时电梯接受到超载信号（full），于是发出警报（alar），电梯门（door）处于打开状态，电梯处于停止状态。等到超重状态解除时时，电梯门关闭（door），电梯进入预下降状态，随后电梯开始下降（down）。电梯经过4楼（att_floor4）、3楼（att_floor3）后抵达2楼（att_floor5），电梯门打开（door）。

图2 电梯内部收到向2楼的指令请求

3 结语

本文基于FPGA，运用Quartus II软件设计了一个五层电梯，详细介绍了电梯控制系统的模块设计（包括了指令请求模块、电梯运行状态模块、显示模块、开关门模块、超重报警模块这五个模块）。并且本设计在追求电路简单化、性能稳定、运行安全可靠、操作便捷的同时，也能及时查找出问题，便于修改和升级，以实现更多层电梯控制。