基于FPGA的全自动电梯控制器设计.doc

江苏科技大学毕业设计（论文）基于FPGA的全自动电梯控制器的设计序言随着科学技术的发展、近年来，我国的电梯生产技术得到了迅速发展一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。电梯主要分为机械系统与控制系统两大部份，随着自动控制理论与微电子技术的发展，电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化。目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电器控制系统(早期安装的电梯多位继电器控制系统)、微机控制系统、FPGA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，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造1。目前国内七八十年代安装的许多电梯电气部分用继电器接触器控制系统，线路复杂，接线多，故障率高，维修保养难，许多已处于闲置状态，其拽引系统多采用交流双速电机系统换速，效率低，调速性能指标较差，严重影响电梯运行质量。由于这些电梯交流调压调速系统，交流双速电机拖动系统性能及乘坐舒适感较差，交流调压调速系统属能耗型调速的机械部分无大问题，为节约资金，大部分老式电梯用户希望对电梯的电气控制系统进行改造，提高电梯的运行性能。因此对电梯控制技术进行研究，寻找适合我国老式电梯的改造方法具有十分重要的意义 12 。 可编程器件的广泛使用，为数字系统的设计带来了极大的灵活性。FPGA作为新一代可编程逻辑器件，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，从而使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。FPGA不仅具有可以满足电子系统小型化、低功耗、高可靠性、开发周期短、开发软件投入少等优点，而且可以通过软件编程对硬件的结构和工作方式进行重构式的硬件的设计，如同软件设计那样的方便快捷2。因而FPGA（Field Programmable Gate Array）正是集成芯片设计者所寻求的可重复编程的仿真器件。由于FPGA具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点，因此在电梯控制方面有着广泛的应用。硬件描述语言采用（VHDL）语言采用模块设计的方法，可以改善并行语句及其结构的可读性，提高系统的设计效率，并且VHDL语具有丰富的仿真语句和库函数，使系统的仿真能力增强3。Altera公司的Quartus II 设计软件是适合单芯片可编程系统的最全面的设计环境。综合以上考虑本设计就以FPGA作为工具对升降电梯的各种操作进行控制，利用Quartus软件和VHDL硬件描述语言对电梯控制器进行设计，最后利用实验室现有的EDA实验箱，将程序下载到实验箱进行验证。第1章 课题概述11课题背景1.1.1国内外电梯情况随着社会的发展，建筑的高度越来越高，在现代社会和经济活动中,电梯作为高层建筑中不可缺少的垂直运输设备，已成为城市物质文明的一种标志。电梯的使用是越来越普遍，已经从原来的商业大厦、宾馆发展到办公楼、居民楼等公共场所使用，有的私人家庭也开始安装电梯。且电梯的功能也在不断的提高，其控制方式也在不断的发生着变化。 在电梯控制系统方面，目前国外发达国家的电梯正在推广32位微机控制系统。他们都采用闭环反馈单微处理机控制系统或多微处理机协调控制系统。在电梯传动系统方面，采用交流变压变频(VVVF)调速技术，实现电梯从超低速到高速无级调速的高精度运行，具有节能、对电网污染小、乘坐舒适感佳等优点。在电梯反馈系统方面，除了采用旋转编码器获得电梯轿厢位置信号外，还有一些厂家采用绝对值编码器从电梯轿厢上反馈位置信号给系统，对曳引电机进行以距离为原则的控制，以实现直接平层技术，达到优越的电梯运行效果2。 目前，我国国内的电梯产品，在数量和质量都有了显著的提高。国内的速度控制的运行方式和理想运行曲线基本上和国外的差不多。考虑到经济性，现有国内的电梯控制系统，通常采用微机或可编程逻辑控制器对变频器进行多段速控制。在电梯传动系统方面，对于新装客梯及旧梯改造项目，大多数采用了交流变压变频(VVVF)调速电梯。在电梯反馈系统方面，采用闭环速度反馈，利用套在电机轴上的增量编码器产生脉冲信号反馈给控制系统。在井道信号采集方面，目前国内电梯一般都采用增量编码器计数方式配合双稳态磁开关或光电开关来识别轿厢位置3。随着交流调压调速电梯技术日趋成熟，一些企业都有成功的产品。微机控制电梯是电梯技术的方向，一些生产企业与科研单位相结合，相继推出了微机控制的电梯新机型，使控制功能得到增强，电梯的性能得到改善，明显提高了可靠性。另外，用FPGA/CPLD取代原来的控制系统的机型对单梯进行控制还是有前途的。有些生产企业开发了紧急供电装置、放火厅们、地震控制、自检测以及语言合成等电梯新功能;对机械系统采用了新结构、新材料、新技术和新工艺4。总之，与国外先进技术水平相比，虽然还存在一定差距，但国内电梯技术正以迅猛的发展速度赶超世界先进水平。1.1.2电梯安全运行的要求目前电梯设有一些安全服务，来满足乘客的要求，电梯的安全运行有以下一些主要控制要求:1.电梯位置的确定与显示轿厢中的乘客及门厅中等待电梯的人都需要知道电梯的位置，因而轿厢及门厅中都设有以楼层标志的电梯位置。但这还不够，电梯的运行还需要更加准确的电梯位置信号，以满足制动停车等控制的需要。传统电梯的位置信号一般由设在井道中的位置开关，如磁感应器提供，当轿厢上设置的隔磁板插入感应器时，发出位置信号，并启动所在的楼层指示。2.轿厢内的运行命令及门厅的召唤信号司机及乘客可按下轿厢内操控盘上的选层按钮选定电梯运行的目的楼层，此为内选信号。按钮按下后，该信号应被记忆并使相应的指示灯点亮。在门厅等候电梯的乘客可以按门厅的上行或下行召唤信号，此为外唤信号。该信号也需记忆并点亮门厅的上行或下行指示灯，这些保持信号在要求得到满足时应能自动消号。3.电梯自动运行时的信号响应电梯自动运行时应根据内选及外唤信号，决定电梯的运行方向及在哪些站点停站。一般情况下电梯按先上后下的原则安排运送乘客的次序，而且规定在运行方向确定之后，不响应中途的反向呼唤要求，直到到达本方向的最远站点才开始返程。4.轿厢的启动与运行轿厢在运行方向确定，轿厢门已关好时启动运行，运行的初始阶段是加速运行阶段，其后是稳定运行阶段。5.轿厢的平层与停车轿厢运行后需确定在哪一层站停车，平层即是指停车时，轿厢的底与门厅“地平面”应相平齐，一般有具体的平层误差规定，如平层时两平面相差不得超过5mm。平层停车过程需在轿厢底面与停车楼面相平之前开始，先是减速，再是制动，以满足平层的准确性及乘客的舒适感。传统电梯的平层开始信号由平层感应器发出6。电梯还有一些高层次的性能指标，如电机加减速曲线控制及高准确度的平层控制要求等，前者涉及电梯运行过程中的加速度大小，关系到乘客的舒适感，后者涉及乘客数量变化对准确平层的影响8。1.1.3电梯控制技术的概况电梯的控制是比较复杂的，在计算机诞生前，电梯使用继电接触器控制的时代，很难生产出质量优良的电梯，而现在，随着技术的发展，微型计算机在电梯控制上的应用日益广泛，现在已进入全微机化控制的时代。电梯的微机化控制主要有以下几种形式：单板机控制、PLC控制、 单微机控制、单片机控制、多微机控制、人工智能控制7。随着EDA技术的迅速发展，FPGA/CPLD已经广泛的应用于电子设计、自动控制、信号处理等各个方面。FPGA/CPLD的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。随着FPGA/CPLD应用技术的不断发展，它己经成为电梯运行中的关键技术。1.2 课题的提出1.2.1 FPGA简介FPGA是英文FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY的缩写，既现场可编程门阵列，它是在PAL GAL EPLD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，即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使用非常灵活。目前，大部分的FPGA在使用时都需要外接一个EPROM保存其程序，加电时，FPGA芯片恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只需用通用的EPROM PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需要换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA。不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。FPGA市场占有率最高的两大公司XILINX和ALTERA生产的FPGA就都是此类型的，另外还有一种基于FLASH的FPGA，由ACTEL公司提供。此种FPGA其芯片内部自带了FLASH ROM，可以存储程序而不需要外接ROM，可以节省了成本和制版面积9。1.2.2基于FPGA控制电梯的优点FPGA具有性能稳定、抗干扰能力强、设计和调试周期较短、设计配置灵活等特点。在电梯控制中正在得到广泛应用，使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。 1.在电梯控制中采用了FPGA，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。 2.去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。 3.FPGA可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。4.FPGA可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。 5.用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。 6.更改控制方案时不需改动硬件接线。1.2.3硬件描述语言VHDL VHDL（Very High Speed Integrated CircuitHardware Description Language）即超高速集成电路硬件描述语言，主要用于描述数字系统的行为、结构、功能和接口11。VHDL诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言10。硬件描述语言具有如下特点：1.VHDL语言可以支持自上至下(Top Down )和基于库(Library-Based)的设计方法，而且还支持同步电路、异步电路及其它随机电路的设计。其范围之广是其它HDL语言所不能比拟的。2. VHDL语言具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统的数学模型直到门级电路;支持大规模设计的分解和设计重用;支持传输延迟和惯性延迟，可以更准确的建立复杂的电路硬件模型。3.在用VHDL语言设计系统硬件时，没有嵌入与工艺有关的信息，这样在工艺更新时，就无需修改原设计程序，只要改变相应的映射工具即可。可见，无论修改电路还是修改工艺，相互之间不会产生什么不良影响。4.VHDL语言已作为一种IEEE的工业标准，设计成果便于复用和交流，这样又进一步推动VHDL语言的推广和完善。另外，VHDL语言的语法比较严格，给阅读和使用都带来了极大的好处。5.VHDL语言具有并发性，体现在两个方面:首先使用VHDL语言进行数字电路设计时存在并发性，即VHDL语言支持设计分解，可使被分解的各子部分的设计并行完成，这些子部分的设计由三部分组成:定义实体，确定模型与环境的接口；定义结构体，完成模型的功能描述；定义测试部分，为模型生成测试向量，并捕获模型输出信号状态以供分析。其次，VHDL语言在执行上具有并发性，很适合描述电路的并发性特点。综上，本文采用VHDL语言来设计电梯控制器，其代码具有良好的可读性和易理解性。1.2.4 quartus软件概述Quartus是Altera公司近几年推出的新一代、功能强大的可编程逻辑器件设计环境。Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。 Altera Quartus II 设计软件是业界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy器件统一设计流程的设计工具。Quartus软件提供了EDA设计的综合开发环境，是EDA设计的基础。Quartus集成环境支持系统设计、嵌入式系统设计和可编程器件设计的设计输入、编译、综合、布局、布线、时序分析、仿真、编程下载等EDA设计过程11。1.3课题主要内容课题研究的主要内容是采用VHDL语言来设计一个八层的全自动电梯控制器，该控制器能完成基本的控制功能。目标器件选用FPGA器件，源程序经altera公司quartus的软件仿真，并且下载到EDA实验箱验证其结果。在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，介绍了系统的软件开发和软件设计，在设计的过程中进行模拟调试，然后对设计的程序进行仿真和分析，最后对改造后的电梯系统进行硬件验证。第2章 电梯控制器的总体设计2.1控制器的功能及技术指标 本设计以FPGA作为工具对升降电梯的各种操作进行控制，从而来改善电梯的舒适感和运行的可靠性，使电梯安全可靠的运行。根据电梯安全运行的一些主要控制要求，本设计的电梯控制器的设计具有比较完善的功能。考虑到电梯在载客重量上有限制，而且为了防止因恶作剧而按下过多的轿内指令按钮，本控制器在安全控制的基础上还增设了超载报警和故障报警的功能。故障重开门。因故障使电梯门不能关闭时，使门重新打开再试关门。本课题设计有以下几点要求：1每层电梯的入口处设有上下请求开关，电梯内设有乘客到达层次的停站请求开关。2设有电梯所处位置指示装置以及电梯运行模式（上升或下降）指示装置。3电梯每秒升降一层。4电梯到达有停站请求的楼层后，经过0.5s电梯门打开，开门指示灯亮，开门5s后，电梯门关闭，关门指示灯灭，电梯继续运行，直至执行完请求信号后停在当前楼层。5能记忆电梯内外的所有请求信号，并按照运行规则依次响应，每个请求信号保留至执行后消除。6电梯运行规则：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，如更高层有下楼请求时，则直接升到有下降请求的最高楼接客，然后进入下降模式，但电梯处于下降模式时，则与上升模式相反。7电梯初始状态为一层门关。8具有超载报警和故障报警的功能。当超载时，发出报警信号，电梯门不能关闭；当电梯被阻挡超过一定的时间时，发出报警信号，并且强行关门。2.2全自动电梯控制方案确定2.2.1内部请求优先控制方案内部请求优先控制方式类似于出租车的工作方式，先将车上人送至目的地，再去载客。作为通用型电梯应该服务于大多数人，必须考虑电梯对.外请求的响应率p。为内部请求信号响应效率，其响应效率见式2-1； pout为外部请求信号响应效率，其响应效率见式2-2。= 2-1 2-2由式2-1和式2-2可以看出，在内部请求优先控制方式，当电梯外部人的请求和电梯内部人的请求发生冲突时，外部人的请求信号可能被长时间忽略，因而它不能作为通用电梯的设计方案。2.2.2层层停控制方案层层停控制方式等同于火车的运行方式，遇站即停止，开门。这种方案的优点在于“面面俱到”，可以保证所有人的请求得到响应。然而这样对电梯的效率产生消极影响：不必要的等待消耗了大量的时间，而且电梯的运作与用户的请求无关，当无请求时电梯也照常跑空车，就浪费了大量的电能。对用户而言，此种控制方式的请求响应的时间也不是很快。因而这不是理想的方案。2.2.3方向优先控制方案方向优先控制是指电梯运行到某一楼层时先考虑这一楼层是否有请求：有则停止，无则继续前进。停下后再启动时的步骤： 1考虑前方（上方或下方）是否有请求，有则继续前进，无则停止。 2检测后方是否有请求，有请求则转向运行，无请求则维持停止状态。 这种运作方式下，电梯对用户的请求响应率为，且响应的时间较短。假设：电梯每两层的运行时间为T,楼层数为六，在每层的停止时间为t ，如果每层都有请求，则这种控制方式的效率和上面的单向的单层层停等控制的方式的效率一样，然而，当不是每层都有请求（假定为只有6层有请求输入）时，上面的层层停控制方式（设为A方式）的响应时间T为： 方向优先控制方式（设为B方式）对同一请求的响应时间为T1：B方式和A方式效率比为：由此可见，方向优先控制方式的效率远大于单层层停等控制方式的效率。而且，方向优先控制方式下，电梯在维持停止的时候可以进入省电模式，有能节省大量电能12。所以本设计选择方向优先控制方式。2.3电梯控制系统的组成本系统的控制器采用方向优先控制方案来实现对一个八层电梯的控制。该控制器可控制电梯完成八层楼的载客服务而且遵循方向优先和电梯内外请求信息。电梯控制系统主要由中央处理模块、外部数据高速采集模块、信号存储模块和信号的输出显示模块组成。确定系统的组成框图如图2-1所示。图2-1 系统的组成框图 2.4 系统各模块功能2.4.1外部数据高速采集模块对外部信号采集、处理要求电梯控制器： 1. 外部请求信号的实时、准确采集； 2. 准确、实时的捕捉楼层到达的信号 3. 有效的防止楼层到达信号、外部请求信号的误判。 控制器采用FPGA作为系统的控制核心，系统的时钟频率是2Hz，完全可以满足实时采集数据的要求。由于电路中毛刺现象的存在，信号的纯净度降低，单个的毛刺往往被误认为系统状态转换的触发信号，严重影响电梯的正常工作。可以采用多次检测的方法解决这个问题，对一个信号进行多次采样以保证信号的可信度。外部的请求信号的输入形式为按键输入，到达楼层信号来自光敏传感器，关门中断信号及超载信号则产生于压力传感器14。键盘、光敏外部输入接口电路未设计。2.4.2 信号存储模块电梯控制器请求输入信号有22个，电梯外有7个上升请求和7个下降请求的用户输入端口，电梯内有8个请求用户输入端口，由于系统对内、外请求没有设置优先级别，各楼层的内、外请求信号采集可先进行运算，再存到存储器内。电梯运行过程中，由于用户的请求信号的输入是离散的，而且系统对电梯的请求也是离散的，因此请求信号的存储要求新的信号不能覆盖原来的请求信号，只有响应动作完成后才能清除存储器内对应的请求信号位。对某一楼层的请求信号的存储电路如图2-2所示13。图2-2 信号存储结构图2.4.3基于FPGA的中央处理模块中央处理模块是系统的核心，通过对存储的数据（含请求、到达楼层等信号）进行比较、判断以驱动系统的流转。电梯工作过程中共有9种状态：等待、上升、下降、开门、关门、停止、休眠、超载、故障报警状态。一般情况下，电梯工作起始点是第一层起始状态是等待状态，启动条件是受到上升请求。2.4.4 信号的输出显示模块本系统的输出信号有两种：一种是电机的升降控制信号（两位）和开门、关门控制信号；另一种是面向电梯用户的提示信号（含楼层显示、方向显示、已接受请求显示等）。系统的显示具有请求信号显示功能，结合方向显示，可以减少用户对同一请求的输入次数，这样就延长了电梯按键的使用寿命。假如电梯处于向上的运动状态，初始位置是底层，初始请求是六楼、二楼时进入一个人，如果他的目的地也是六楼，他看到初始请求是六楼，就可以不再按键。同时，电梯外部的人也可以根据请求信号显示（上升请求、下降请求、无请求），就可以避免没有必要的重复请求信号输入。电梯使用时，系统结合相应的电梯使用规范完全可以满足人民的需要，而且效率比较高14。第3章 系统的软件开发3.1电梯的工作状态1电梯的复位状态上电后，FPGA的程序已经开始运行，但因为电梯尚未读入任何数据，也就无法在收到请求信号后通过固化在FPGA中的程序作出响应。为满足处于响应呼叫状态这一条件，必须使电梯处于一楼并且电梯门处于关闭状态。2电梯的正常工作状态根据实际情况，电梯完成一个呼叫响应的步骤如下：（1）电梯在检测到门厅或轿厢的呼叫信号后将此楼层信号与轿厢所在的楼层信号比较，通过运行模块进行选向。（2）电梯通过拖动调速模块驱动直流电机拖动轿厢运动。轿厢运动速度要经过低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至低速点16 。（3）当电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时，电梯进入减速状态，由中速变为低速，并以低速运行到平层点停止16 。（4）平层后，经过一定延时后开门，直到碰到开门到位行程开关；再经过一定延时后关门，直到碰到关门到位行程开关。电梯控制系统始终实时显示轿厢所在楼层。3.2系统的软件开发方法确定3.2.1软件设计特点由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机逻辑控制。即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。另外，轿厢的位置是由脉冲数确定，并送计数器来进行控制。同时，每层楼设置一个数码管用于显示系统的楼层信号。系统的软件设计有如下几个特点：1.采用优先级队列。根据电梯所处的位置和运行方向，在编程中。采用了四个优先级队列，即上行优先级队列、上行次优先级队列、下行优先级队列、下行次优先级队列。其中，上行优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以上楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的队列。控制系统在电梯运行中实时排列的四个优先级队列，为实现随机逻辑控制提供了基础。2.采用先进先出队列。根据电梯的运行方向，将同向的优先级队列中的非零单元（有呼叫此单元为非零单元；无呼叫时则此单元为零单元）送入寄存器队列，我们利用先进先出读出指令，将第一个单元中数据送入比较寄存器。3.采用随机逻辑控制。当电梯以某一运行方向到达某楼层的平层位置时，判别该楼层是否有同向的呼叫信号，如有，将相应的寄存器的脉冲数与比较寄存器进行比较，如相同，则在该楼层平层位置停车；如果不相同，则将该寄存器数据送入比较寄存器，并将原比较寄存器数据保存，执行该楼层的停车。该动作完毕后，将被保存的数据送入比较寄存器，以实现随机逻辑控制。4.采用软件显示。系统利用行程判断楼层，并转化成BCD码输出，通过硬件电路以LED显示。5.对变频器的控制，FPGA根据随机逻辑控制的要求，可向变频器发出正向运行、反向运行、减速以及制动信号，再由变频器根据一定的控制规律和控制算法来控制电机17。但是由于客观条件限制，这里只对软件设计不考虑对变频器的控制。3.2.2 模块化编程系统是集选式控制系统，控制比较复杂，适合采用模块化编程方法，将各个输出信号的属性分类，模块与模块之间的衔接可以用中间寄存器来传递信息。系统软件大致分为：请求信号记忆灯显示电路模块、楼层检测电路模块、控制七段数码管显示楼层电路模块、电梯轿厢开关门电路模块、电梯运行控制模块。1.请求信号记忆灯显示电路模块和电梯轿厢开关门电路模块主要是为了便于控制组成的模块，分别控制按钮接通之后需要记忆显示的发光二极管电路。2.楼层检测电路模块主要是读入楼层编码并将该记忆信号存入对应的中间寄存器，直到楼层改变为止。3.控制七段数码管显示楼层电路模块主要控制数码管的显示。4.电梯运行模块主要是完成电梯在相应呼叫时作出的向上运行、向下运行还是处于停止状态的判断,以及使电梯按一定的规则来运行。3.2.3软件结构设计思想乘客在电梯中选择所要到达的楼层，通过电梯运行模块的处理，电梯开始运行，状态显示器显示电梯的运行状态，电梯所在的楼层数通过译码器译码从而在楼层显示器中显示。请求信号记忆灯显示模块把有效的请求传给电梯运行模块的楼层数。 如果乘客进入电梯后所选的楼层大于所在的楼层，而且电梯处于上升或者是等待状态，则给上升请求寄存器相应的位置位。当电梯运行到所在的楼层，在开门达到一定的时间后给该位复位。如果有多个请求则上升请求寄存器相应的位都置位。下降请求寄存器原理相似。寄存器的各位相或后得到的上升和下降信号作为状态变化的条件信号。 时序电路及电梯运行时楼层变化和提前延时关门功能：根据状态指示信号对所到达的楼层数信号做相应的增减。电梯在开门后达到一定的时间关门，如果电梯状态信号为开始运行而且关门到时，电梯层数指示器就增加，如果电梯达到了所选择的楼层，门开关计数信号复位，电梯门打开。下降原理类似。当电梯处于上升状态时，如果有上升请求的分控制器所在的楼层数大于电梯所在的楼层数，当电梯运行到相应的楼层数时，电梯开门，让有请求的乘客进入电梯。下降请求的原理类似。如果提前开门有效，则等待时间缩短，如果延时信号有效，则等待时间加长。超载状态时电梯关门动作取消，同时发出警报，直到警报被清除，电梯才执行关门动作；故障该层在没有超载的情况下，电梯在该层停留的时间超过一定的值时，电梯发出警报，然后强制关门。 在电梯运行方向判断的进程中，在电梯上升状态中，通过对信号灯的判断，决定下一个状态是继续还是停止；在电梯的下降状态中，也是通过对信号灯的判断，决定下一个状态是继续还是停止；在电梯停止状态中，停止是最复杂的，通过对信号的判断，决定电梯是上升、下降还是停止。3.2.4软件流程图1.图3-1为系统的软件主程序流程图。 图3-1电梯控制主程序流程图 图3-2楼层显示程序流程图2.图3-2为系统的楼层显示程序流程图。3.图3-3为门开关控制程序流程图。图3-3 电梯开关门控制程序流程图3.3软件端口信号说明1系统输入和输出端口信号说明：clk:系统时钟信号；rst:系统复位信号；inner_f1inner_f8:分别为电梯内用户到1，2，3，4，5，6，7，8楼的请求信号；outer_u1outer_u7:分别为1，2，3，4，5，6，7楼用户请求上楼信号；outer_d2outer_d8:分别为2，3，4，5，6，7，8楼用户请求下降信号；f1f8：楼层信号；up-req:用户上升请求楼层指示；down_req:用户下降请求楼层指示；inner_req:电梯内用户到达楼层的请求信号；sfloor:控制七段数码管显示楼层的信号；delay:延迟关门信号；close:关门信号；over:超载信号；door:门控信号；alum:超载、故障报警信号；run:运行信号；u-d:上升/下降指示；2结构体中的信号说明：state:电梯的运行状态，state(2):1-运行允许标志，0-运行禁止标志；state(1):1-上行任务标志，0-下行任务标志；state（0）；1-正在上行标志，0-正在下行标志；floor:最初所在的楼层信号；current_floor:为1到8楼的楼层信号；door_time:门开关控制计数信号；inner_req:内部请求信号显示；3.4各功能模块软件设计3.4.1请求信号记忆灯显示模块楼层的请求信号记忆灯是亮还是灭，是根据该层是否有请求信号以及电梯的选向模块中的电梯运行状态来控制的。当该层有人请求，则该层的请求信号记忆灯亮，直到电梯响应该层的请求时，请求信号记忆灯才灭。 楼层请求信号显示分外部上升请求信号显示、外部下降请求信号显示、内部请求信号显示。当复位信号为高电平时，请求信号灯都不亮。其功能语句如下：if(rst=1)thenup_req=00000000;down_req=00000000;inner_req=00000000; 请求信号显示分为外部上升请求信号显记忆灯显示、外部下降请求信号记忆灯显示和内部请求信号记忆灯显示。1 外部上升请求信号显示外部上升请求信号有7个。采用逐层判断的方法，先从7楼开始判断，最后到1楼。当7楼有外部上升请求时，即outer_u7=1时，7楼的外部上升请求指示灯亮（up_req(7)=1）；当电梯到达7楼且停止时，请求信号响应完毕，指示灯灭(up_req(7)=0)；当电梯在7楼运行，有上行任务，但是此时电梯正在反向运行，且比7楼低的楼层没有下降请求，则指示灯不亮。用同样的方法判断6楼到2楼是否有外部上升请求，如果有，该层的外部上升请求指示等亮，并保持到请求信号响应完毕。但是因1楼是最底层，不能在往下运行，所以当1楼有外部上升请求时，只要判断电梯是否到达一楼且停止，如果这个响应完毕，则1楼的外部请求指示灯灭。七楼外部上升请求信号记忆灯显示语句如下：if(outer_u7=1)then up_req(7)=1;-如果七楼有上升请求，则七楼的外部上升请求指示灯亮；else if(current_floor=7 and run=0)then up_req(7)=0;-如果电梯到达七楼平层，则七楼的外部上升请求指示灯灭；else if(current_floor=7 and run=1 and state(1 downto 0)=10 and down_req(6 downto 1)=000000)then up_req(7)=0;-如果电梯在七楼，有上行的任务,电梯向下运行，6到1楼没有下降请求，则七楼的外部上升请求信号灯灭。end if;一楼外部上升请求信号记忆灯显示语句如下：if(outer_u1=1)thenup_req(1)=1;else if(current_floor=1 and run=0)then up_req(1)=0;电梯到一楼平层停止，一楼的外部上升请求信号灯灭；end if;2 外部下降请求指示外部下降请求信号也是7个。也采用逐层判断的方法，先从8楼开始判断，最后到2楼。当8楼有外部下降请求时，即outer_d8=1时，8楼外部下降请求指示灯亮（down_req(8)= 1）,当电梯到达8楼且停止时，8楼的外部下降请求指示灯灭(down_req(8)= 0).当7楼有外部上升请求时，7楼的外部指示灯亮；当电梯到达7楼且停止时，请求信号响应完毕，7楼的外部下降指示灯灭；当电梯在7楼运行，有下行任务，但是此时电梯正在上升，且比七楼高的楼层没有下降请求，则指示灯不亮；当电梯在用同样的方法判断7楼到2楼是否有外部下降请求，如果有，该层的外部下降请求指示灯亮，并保持到请求信号显示完毕。以此类推，判断6楼到2楼是否有外部下降请求，如果有，该层的外部下降请求指示灯亮，并保持到请求信号响应完毕。八楼外部下降请求信号显示语句如下：if(outer_d8=1)thendown_req(8)=1;-八楼有下降请求，则八楼的外部下降请求信号灯亮；else if(current_floor=8 and run=0)then down_req(8)=0;-电梯到八楼平层停止时，八楼的请求信号灯灭；end if;七楼外部下降请求信号显示语句如下：if(outer_d7=1)thendown_req(7)=1;else if(current_floor=7 and run=0)then down_req(7)=0;else if(current_floor=7 and run=1 and state(1 downto 0)=01 and down_req(8)=0)then down_req(7)=0;电梯在七楼运行，此时有下降任务，电梯在往上运行，且八楼没有下降请求，则七楼的外部下降请求信号灯灭；end if;二楼外部下降请求信号显示如下：if(outer_d2=1)thendown_req(2)=1;elsif(current_floor=2 and run=0)then down_req(2)=0;elsif(current_floor=2 and run=1 and state(1 downto 0)=01 and down_req(8 downto 3)=000000)then down_req(2)=0;end if;3 内部请求信号显示内部请求信号有八个，其显示判断比较简单。先判断是否有其它楼层到1楼的内部请求，如果1楼有内部请求，即inner_f1=1,则电梯内的1楼指示灯（inner_req(1)= 1）亮；如果电梯到达1楼且停止，则电梯内的1楼指示灯灭。用同样的方法，判断其它楼层的内部请求，如果某层有内部请求，则该层的内部请求指示灯亮，并保持到内部请求响应完毕。 楼内部请求信号记忆灯显示语句如下：if(inner_f1=1)theninner_req(1)=1;-一楼有内部请求，一楼的内部请求信号灯亮；elsif(current_floor=1 and run=0)then inner_req(1)=0;-电梯到达一楼平层，一楼的内部请求信号灯灭；end if;八楼内部下降请求信号记忆灯显示语句如下：if(inner_f8=1)theninner_req(8)=1;elsif(current_floor=8 and run=0)then inner_req(8)=0;end if;end if;3.4.2楼层检测电路模块 每个楼层所运行的时间采用脉冲计数方式，每次从平层点开始计数到下一平层点，然后高速计数器复位。每一层均从零开始计数;楼层数存放在另一个计数器。当计数累计到设定值时，高速计数器复位。同时根据运行方向楼层计数器加一或减一，表示己经运行了一层楼距离。这种计数方式的特点是每层的换速点、门区、平层点脉冲数均相同，适用于层高相同的电梯控制。当系统复位时，楼层显示为1。当系统置位时，楼层显示信号是根据电梯的运行方向和电梯的运行状态来判断。当电梯处于停止状态时（run=0)），楼层信号保持当前值，即current_floor=current_floor;当电梯处于运行状态时(run=1)，如果电梯是向上运行，则楼层数就加1，即current_floor=current_floor+1;；如果电梯是向下运行，楼层数就减1，即current_floor=current_floor-1；而电梯的运行方向和状态是通过后面的电梯运行模块来判断。又因要求电梯是每秒升降一层，系统时钟选择2HZ，所以在当计数脉冲计数到2时，计数器的值恢复为0，楼层就开始升一层或降一层。3.4.3控制七段数码管显示楼层电路模块1.本设计数码管采用共阴数码管,表4-1为七段译码真值表:当输出端状态为1时表示该段亮，当输出端状态为0时表示该段灭。 表4-1 七段译码真值表显示数字输出笔状态内部楼层信号abcdefg1011000000002101101100013100111100114110011001005110110101016111110101107000011101118111111110002.若软件输出端是连接到4位二进制I/O端口，这些端口分别通过一个全译码器7段译码器输出，则只要将楼层信号通过编码器，转换成四位二进制代码。3若软件输出端是直接与七段数码管连接，则无需外部硬件译码器，由FPGA软件进行七段译码，直接驱动数码管显示层楼数。3.4.4电梯轿厢开关门电路模块1.开门控制 （1） 本层开门本层开门是指电梯在停车状态和非检修(有、无司机)条件下，当轿厢所在层楼有上召唤且没有定下方向，或有下召而没有定上方向时，电梯自动开门。电梯本层开门的条件也可简化为，在停车状态下当轿厢所在层楼有厅外召唤时，电梯自动开门。根据要求，当电梯在有请求的楼层后，经0.5秒，梯门自动打开。（2） 开门控制及安全保护 正常情况下，开门的条件有以下几种:本层开门、停车状态按轿内开门按钮、关门过程中有红外线检测信号(这种情况下将重新开门)、正常运行换速平层停车自动开门。开门到位后，若没有碰到开门限位开关，或限位开关失灵，则由于开门继电器吸合，门电机会发生堵转，时间一长电机可能烧毁。为此设计了门电机保护程序，当开门动作时间超过正常开门时间3-5秒后，在本设计中，电梯经过5秒后，通过定时器计时自动断开开门信号，停止开门。2关门控制关门的条件有以下几种:停车状态下按关门按钮、无司机状态下自动关门时间到、锁梯时钥匙开关断开。在停车状态下，当司机按下关门按钮，电梯经过1S就关门，所以本控制器这就是要有快速关门或提前关门的功能。当电梯在该层停留的时间超过7S，电梯门也会强行关闭，这样能保证电梯被阻挡的时间过长。停止关门或不关门的条件:关门到位碰关门限位开关、有开门信号、开门继电器吸合、超载开关动作。 在关门梯形图中也设置了关门安全保护，因为关门限位开关若不动或失灵，同样容易将门电机烧毁。与开门过程保护一样，可在开始关门后通过定时器计时，超过正常关门时间，自动停止关门，以保护门电机。所以在本程序中，电梯完全关门之前，添加了一个预关门的功能，关门时间为1S。 3超载报警与故障报警 （1）超载报警的条件是：电梯载客超过一定的重量。则电梯发出警报，直到超载故障解除，警报才停止。（2）故障报警的条件是：电梯到达有请求的楼层开门后，电梯被阻挡的次数超过一定时间。当电梯开门时间超过7S后，电梯就发出两秒种的警报，然后强行关门，去执行下一个命令。 4根据要求当门到达每个有请求的楼层后，经过0.5S开门，5秒后关门，在这个模块中，就要通过一个计数器控制开门的时间。电梯开门控制是通过判断电梯是否到达请求楼层，如果到达，则电梯停止运行，即state(2)= 0时,经过0.5S，门就自动打开。再经过5S，门自动关闭。因为系统时钟选择2HZ，所以当开关门控制计数器达到10时，门就关闭。当有人请求快速关门时，电梯经过1S，自动关闭；当有人请求延时关门时，电梯经过3S才关闭；当电梯超载时，电梯门不关闭，并发出警报，直到超载解除；当电梯没有超载故障，而在本层开门时间超过8S，看门狗就发出故障报警并强行关门。 5电梯有超载和故障时，都会影响电梯门的开关控制，所以将开关门控制、超载报警和故障报警合成一个模块。 3.4.5 电梯运行模块电梯运行模块是控制器的最关键的模块，在这个进程中，是以信号灯控制进程做为辅助进程。此进程中的很多判断条件是以信号灯进程产生的信号灯信号为依据的，而信号灯进程中的信号灯熄灭又是由此进程中传出的上升、下降和停止信号的这个模块也采用逐层判断的方法。如果电梯处于等待状态，电梯就不运行，当电梯的关门时间到了，则电梯就开始运行。电梯可以实现方向优先控制功能的语句也是在这个模块中体现。并且该模块能使电梯按一下规则来运行：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，如更高层有下楼请求时，则直接升到有下降请求的最高楼接客，然后进入下降模式，但电梯处于下降模式时，则与上升模式相反。当系统复位时，电梯处于停止和等待状态，其功能语句如下： if(rst=1)then run=0; state(2 downto 0)if(state(2)=0)thenrun=0;-电梯处于平层位置，则电梯停止运行；if(door_time=10)thenstate(2)=1;-电梯关门时，电梯开始运行；end if;elseif(run=0)thenif(up_req(1)=1)then state(2)0000000 or up_req(7 downto 2)000000)thenrun=1;-有8到2楼的内部请求或者有7到2楼的上升请求，则电梯开始运行；state(1 downto 0)0000000)thenrun=1;-如果8到2楼有下降请求，则电梯开始运行；state(1 downto 0)=01;end if;elseif(state(0)=0 and (inner_req(1)=1 or up_req(1)=1)thenrun=0;state(2)=0;end if;end if;end if;假设电梯是在2层到7层中的一层，则其状态判断过程就比在1层和8层复杂些。假设楼层位置是在2楼：如果电梯停在2楼，该楼的上升请求信号灯亮或下降请求信号灯亮，则电梯就在该层等待；如果8到3楼有内部请求信号灯在亮或7到3楼有外部上升请求信号灯在亮或者8到3楼的外部有下降请求信