用CPLD器件及VHDL语言实现电梯控制系统

1 引言

随着社会的发展。使用电梯越来越普遍，已从原来只在商业大厦、宾馆过渡到在办公室、居民楼等多种建筑中，并且对电梯功能的要求也不断提高，其相应控制方式也在不断发生变化。电梯的微机化控制主要有：PLC控制、单板机控制、单片机控制、单微机控制、多微机控制和人工智能控制等。随着EDA技术的快速发展，PLD器件已广泛应用于电子设计与控制的各个方面。这里使用CPLD器件，采用VHDL语言设计一个16 楼层单个载客箱的电梯控制系统，此控制系统具有使用安全可靠，功能全面的特点，方便人们生活。

2 系统总体设计

该系统采用单片CPLD器件实现一个多楼层单个载客箱的电梯控制器，该控制器可控制电梯完成 16个楼层的载客服务，而且遵循方向优先的原则，能够提前关电梯门和延迟关电梯门、提供电梯运行的开关控制键同时指示电梯运行情况、楼层间的运行时间以及电梯所在楼层的等待时间。根据系统设计要求，并考虑到系统设计的可验证性，整个系统的输入、输出接口设计如图1所示。



各输入端口的功能如下：

CLKIN：基准时钟信号，为系统提供2 Hz的时钟脉冲，上升沿有效；
UPIN：电梯上升请求键。由用户向电梯控制器发出上升请求。高电平有效；
DOWNIN：电梯下降请求键，由用户向电梯控制器发出下降请求，高电平有效；
ST_CH[2．．0]：楼层选择键人键，结合DIRECT完成楼层选择的键入，高电平有效；
CLOSE：提前关门输入键．可实现无等待时间的提前关门操作，高电平有效；
DELAY：延迟关门输入键。可实现有等待时间的延迟关门操作，高电平有效；
RUN STOP：电梯运行或停止开关键。可实现由管理员控制电梯的运行或停止，高电平有效。

以下为输出端口：

LAMP：电梯运行或等待指示键，指示电梯的运行或等待状况。高电平有效；
RUN_WAIT[3…0]：电梯运行或等待时间指示键，指示电梯运行状况或等待时间的长短，高电平有效；
ST_OUT[3…0]：电梯所在楼层指示数码管，指示电梯当前所在的楼层数。即1"16层，高电平有效；
DIRECT[3…0]：楼层选择指示数码管，指示用户所要选择的楼层数，高电平有效。
该设计中，电梯的控制状态包括运行状态、停止状态及等待状态，其中运行状态又包含向上和向下状态。主要动作有开、关门，停靠和启动。乘客可通过键入开、关门按钮，呼唤按钮，指定楼层按钮控制电梯。因此，整个电梯控制器应包括5个组成部分：时序输出及楼选计数器；电梯服务请求处理器；电梯升降控制器；上升及下降寄存器和电梯次态生成器，图2为电梯控制器系统框图。图3为电梯控制器的内部组成结构。







从程序中可以看到，若第3层用户发送上升／下降请求。则电梯处于等待状态；若第3层用户没有发送上升／下降请求，且4～16层的用户发送上升，下降请求，或者1．2层的用户没有发送任何请求，则电梯处于上升状态；反之，电梯处于下降状态。

程序设计中采用方向优先原则，即若电梯处于上升状态，即使有1，2层用户发出上升／下降请求，电梯也不响应，而继续上升，直到响应完所有4～16层用户的请求后，再下降；反之，若电梯处于下降状态，即使4～16用户发出上升／下降请求，电梯也不响应，继续下降，直到响应完所有用户的请求后再上升。

(4)P4进程该进程主要完成电梯运行楼层计数及提前／延迟关门控制。

4 VHDL源程序的仿真

系统程序编写完毕后，在MAX+pluslI软件环境下对其编译仿真。其仿真试验结果如图4所示。



图4中，输入信号为：UPIN，ST_CH，RUN_STOP，DOWNIN，DELAY，CLOSE和CLKIN；输出信号为：ST_OUT， RUN_WAIT，LAMP，DIRECT，DIR，LIFTOR和WAI_T。当时钟上升沿到来时，若WAI_T=0，则它的下一状态为6；因 DELAY信号始终为低电平，故WAI_T依次自减1计数。RUN_WAIT是WAI_T和0的并置运算，故其值和WAI_T相同。

当时钟上升沿到来时，DIR进行加1计数，且当DIR=0XF时，DIR的下一状态值为0。与此同时，DIR加1并赋值给DIRECT。

当LAMP为低电平时，电梯处于等待状态，故LIFTOR保持其原值不变保持0和3不变；当LAMP为高电平时，电梯处于运行状态，因UPIN始终为高电平，DOWNIN始终为低电平，故当RUN_STOP为高电平时，电梯只能处于上升状态，故LIFFOR进行自加1计数，同时，LIFTOR加1赋值给 ST_OUT。

5 硬件实验

在MAx+plusII软件编译完后，采用EPM7128SLC84-6器件下载VHDL源程序，进行硬件试验。

其下载步骤为：首先，指定采用可编程器件EPM7128SLC84-6；其次，依据输入、输出端口指定与之对应的引脚；然后，使用Pof2Jed软件将编译后的下载文件*．Pof。转换成*．Jed文件；最后，使用Atmel ISP软件将转换后的*．Jed文件转换成*．Chn文件。

硬件系统试验表明，输出信号的显示与软件仿真结果完全相符，达到设计要求。