电梯控制器的FPGA设计与实现

覃 琴 庄晓平

（三峡大学 计算机与信息学院，湖北 宜昌 443002）

FPGA［1－3］（现场可编程门阵列）是一种可由用户自定义并进行配置的高密度专用集成电路.具有阵列型PLD器件的优点，同时其结构又类似掩模可编程门阵列，因此具有更高的集成度和更强大的逻辑实现能力，使得设计更加灵活和容易实现，可大大缩短设计周期，减少设计成本.

电梯控制可采用FPGA／CPLD控制方式、继电器－接触器控制方式、单片机控制方式、微机控制方式、PLC控制方式等.由于基于FPGA的电梯控制系统具有可靠性高、维护方便、开发周期短，灵活性强的优点，可以完成更为复杂的控制任务，已成为电梯控制的发展方向.

1 电梯控制器设计要求

（1）每层电梯入口处设有上下召唤按钮各1个，电梯内设有乘客到达楼层的数字按钮.电梯当前所在楼层用一位数码管显示，用两只发光二极管显示电梯上行和下行状态.

（2）电梯到达有停靠请求的楼层后，会自动平层停车，打开电梯门，开门4s后，电梯门自动关闭，电梯继续运行.

（3）能记忆并指示电梯内外的所有请求信号，并按照电梯运行的规则依次响应.

（4）当没有请求信号时，电梯停在当前楼层，处于等待状态.

（5）电梯能进行故障提示.

本文设计的电梯控制器，其基本要求即满足实际运行电梯的要求.

2 电梯控制系统总体方案

本设计采用方向优先控制方式［4］，方向优先控制是指电梯运行到某一楼层时先考虑该楼层是否有请求:有，则停止；无，则继续前进.停止后再启动的步骤:考虑前方即上方或下方是否有请求:有，则前进；无，则停止；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.

系统控制核心采用Altera公司CycloneⅡ系列的 EP2C35F484C8 芯 片［5］，系 统 时 钟 为 50MHz，EDA软件为QuartusⅡ.电梯控制器的设计采用模块化多进程的控制原理来实现，程序分为7个模块:层楼信号处理（cl），指令、召唤处理（zzc），选向功能（xx），选层功能（xc），运行控制（yk），开关门功能（kgm），故障处理及数码管显示（gzc）.7个模块设计完成后再进行组合，形成最终设计.

针对任意层数的控制器算法是保证电梯控制器的实用性和适用性的关键.因此本文的设计思想适合任意层数的电梯控制器设计.首先采用模块化多进程的控制原理实现电梯控制器的模块设计，然后根据原理图设计方式进行各模块的组合.本文以6层6站电梯控制器为例，6层或多层电梯控制器只是Verilog代码数量的不同，其设计方案相同［6］.电梯控制器的结构及各模块之间的连接关系如图1所示.

图1 电梯控制器的结构图

3 单元模块设计

3.1 层楼信号处理

层楼信号的作用有两个:一是指示楼层，使人们看到轿厢所在的层站；二是参与定向与选层，是电梯判断运行方向和停靠位置的主要因素之一.设计中，在轿顶安装两个感应器，在井道内每层（上下端站除外）上、下方向减速点位置安装隔磁板（遮光板），在上、下端站减速点位置另外装感应器.在取得减速点信号的同时获得层楼信号，可大量减少井道内的感应器数量.实现思想是用一个存储单元来存储层楼信号，当电梯上升一层存储单元加“1”；当电梯下降一层存储单元减“1”；当电梯运行至顶站（6楼）时，上强迫减速感应器动作，存储单元被置为6，实现上端站强迫校准；当电梯运行至基站（1楼）时，下强迫减速感应器动作，存储单元被置为1，实现下端站强迫校准，因此当电梯层楼信号有误时，只需将电梯开到顶站或基站即可进行校准.

3.2 指令、召唤处理

对于每一个指令和召唤按钮都有相应的存储单元进行记忆.而在实现轿内指令和厅外召唤的记忆和消除功能时必须注意其记忆和消除条件.当按下一个指令按钮或召唤按钮，且电梯不在该楼层时，对应的存储单元被赋值“1”，且输出该信号，供其它模块使用及点亮相应的按钮指示灯.当电梯正常到达该楼层时，如果满足该指令或召唤信号的停车条件时，电梯在该层停车，且消除对应的指令或召唤信号（对应的存储单元被赋值“0”）.

3.3 选向模块

电梯在静止状态时才会进行选向.首先出现且具备参与选向资格的指令或召唤信号，被称为有效选向信号.选向的控制原则是:有效的选向信号（指令、召唤）与电梯的实际位置相比较，有效的选向信号（指令或召唤）在电梯所处楼层之上，则选择上方向运行，反之则选择下方向运行.方向信号通过两位输出（上方向和下方向）给变频器和运行方向指示灯，以及其它需要用到方向信号的模块.当电梯运行至选定楼层，且到达平层位置时，选向模块应使输出方向断开，即上方向和下方向都输出“0”，电梯停车制动.

当电梯处于检修或故障状态时，指令和召唤信号都无效，如果按慢上行（或慢下行）按钮，电梯以电动方式上（下）运行.

3.4 选层模块

在电梯运行过程中，电梯该在第几层停车，什么位置开始减速，什么位置停车，关键在于对选层模块的处理.当电梯运行至某层时，若该层存在满足下列条件之一的指令信号，则满足电梯在该层停车的条件，选层模块输出减速停车信号.（1）电梯运行方向向上而且该层存在上召唤信号；（2）电梯运行方向向下而且该层存在下召唤信号；（3）电梯运行方向向上，而该层存在下召唤信号，且在当前楼层之上无指令或召唤信号；（4）电梯运行方向向下，而该层存在上召唤信号，且在当前楼层之下无指令或召唤信号.

为保证电梯安全运行，当电梯到达两端站时不论有无指令和召唤，电梯必须执行减速停车动作.另外，电梯运行时如果无运行方向，电梯必须就近停车.

3.5 运行控制

电梯运行控制是电梯控制的核心.电梯运行控制决定电梯何时启动、如何加速、何时减速、如何减速及何时平层停车.

由于拖动形式的不同，运行控制实现的方法也不同，本设计中使用的是交流调频调压调速方式.电梯的运行方向是由选向模块输出给变频器；电梯的启动信号由运行控制模块输出给变频器；电梯的选层（减速）信号由选层模块输出给变频器，用于电梯减速到停车之用；电梯到达目标楼层的平层位置时，运行控制模块输出停车制动信号给变频器；如果电梯是检修运行时，则控制器输出检修状态信号给变频器执行慢速运行.电梯启动加速正常运行、减速平层停车、检修运行的速度曲线均由变频器数据设定完成.变频器输入信号端子的意义也由变频器参数设定.控制器只需给变频器相应的控制信号即可完成各种相应的动作.

3.6 开关门模块

电梯的开关门由控制器输出开门或关门信号给门机实现，分为开门和关门两个环节.

开门环节包括6种情况:（1）电梯自动运行停车时的开门；（2）呼梯开门；（3）电梯关门过程中重新开门；（4）防夹或超载开门；（5）电梯在检修时的开门；（6）电梯在运行中禁止开门.

关门环节包括4种情况:（1）自动关门；（2）提前关门；（3）检修关门；（4）电梯超重时禁止关门.

在VHDL程序设计中，如电梯工作于检修状态时，开门由开门按钮实现（km＝＇1＇）；电梯自动运行时，开门可由不同的激励信号激励（km＝＇1＇or tk＝＇1＇or fjin＝＇1＇or cz－in＝＇1＇or zk1＝＇1＇or zk2＝＇1＇or zk3＝＇1＇or zk4＝＇1＇or zk5＝＇1＇or zk6＝＇1＇），它们分别对应于上述不同的开门情况，而每个激励信号都有相应的产生进程.

3.7 故障处理及数码管显示

当电梯出现安全条件故障时，数码管交替显示0、1；当变频器出现故障时，数码管交替显示0、2；当出现门过长时间未关或出现关门或开门无法到位时，数码管交替显示0、3；当电梯出现超重现象时，数码管交替显示0、4；当同时出现两个或两个以上故障时，数码管交替显示0、5；当以上情况均未出现时，电梯处于正常运行状态，则显示当前位置（层楼）信息.层楼信号处理模块输出的层楼信号或故障显示信号需要再经过译码，才能输出给数码管显示.

3.8 顶层设计实体

顶层设计实体如图2所示，图中包含了上述7个模块之间的连接及输入输出端口.

图2 电梯顶层设计实体图

4 仿真验证

电梯控制器的主要仿真结果如下:如图3所示，电梯处于1楼，1楼有乘客按上召唤按钮，电梯自动开门，乘客进入轿厢按下了4楼的轿内按钮，过了4s后电梯自动关门，电梯启动，在电梯到达2楼之前，又有乘客分别按下了2楼下召唤按钮和3楼上召唤按钮，而当电梯运行至2楼时因为运行方向与召唤信号不一致，电梯不会停站，而当电梯到达3楼时，运行方向与召唤信号一致，电梯停站（顺向截梯），停站时间到后继续向上，然后到达4楼，在4楼停站.

图3 电梯运行仿真图

图4仿真电梯在不同时间出现故障的情况.0.5s到3.5s，电梯安全窗未关上（aqc－in为高电平），出现安全故障，smg－gzc交替输出＇＠＇和＇g＇，即数码管交替显示0和1；4.5s到7.5s，变频器出现故障（bg－in为高电平），smg－gzc交替输出＇＠＇和＇m＇，即数码管交替显示0和2；在8.5s的时候有人按下1楼上召唤按钮（sza1－in出现脉冲），电梯开门（km－kgm 有效为高电平），km－kgm有效10s后，电梯仍未开门到位（kd－in无效为低电平），出现门故障，smg－gzc交替输出＇＠＇和＇3＇，即数码管交替显示0和3；24.5s到28s，电梯出现超重现象，smg－gzc交替输出＇＠＇和＇%＇，即数码管交替显示0和4；21.5s到24.5s，电梯既有门故障又有超重现象，smg－gzc交替输出＇＠＇和＇9＇，即数码管交替显示0和5.

图4 电梯故障仿真图

5 结 语

本文实现了基于FPGA的6层6站电梯控制器设计，能够完成如检修／自动运行、开关门、顺向截梯、最远端反向截梯、指令和召唤处理、故障处理等电梯的所有功能.采用模块化多进程的控制原理实现电梯控制器的模块设计，然后根据原理图设计方式进行各模块的组合.仿真结果表明系统达到设计要求，能实现电梯控制器的各项功能，具有较强的灵活性、抗干扰性和良好的扩展性.

［1］刘岩飞.基于Altera FPGA／CPLD的电子系统设计与工程实践［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［2］刘福奇.FPGA嵌入式项目开发实践［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［3］王文涛，王 建，朱顺安.基于FPGA的女书文字切割技术的设计与应用［J］.中南民族大学学报:自然科学版，2011，30（1）:96－100.

［4］高迎慧，侯忠霞，杨成林.基于FPGA的自动升降电梯控制器设计［J］.辽宁工程技术大学学报，2007，25（4）:242－244.

［5］陈兆芳.基于FPGA的电梯控制系统［J］.福建电脑报，2010（7）:164.

［6］贺敬凯，王瑞春，万学元，等.基于FPGA的电梯控制器系统设计［J］.深圳信息职业技术学院学报，2010，8（6）:57－60.