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