基于FPGA的電梯的自動(dòng)控制設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題 目 基于fpga的電梯的自動(dòng)控制設(shè)計(jì) 姓 名 學(xué) 號(hào) 20097048 系 部 理工系 專業(yè)年級(jí) 09電子信息工程2班 指導(dǎo)教師 2013年5月15日中文摘要電梯作為現(xiàn)代化的產(chǎn)物，早在上個(gè)世紀(jì)就進(jìn)入了我們的生活之中。大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)尤其是蓬勃發(fā)展的房地產(chǎn)業(yè)給國(guó)內(nèi)電梯行業(yè)開拓了更為廣闊的市場(chǎng)。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)高速發(fā)展，我國(guó)電梯需求量越來越大。由此，一個(gè)更為龐大的電梯市場(chǎng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)轟然形成。我國(guó)以前主要都是依靠國(guó)外的進(jìn)口技術(shù)，本國(guó)的電梯廠商主要都是依靠為進(jìn)口電梯作銷售代理或者售后維修進(jìn)行經(jīng)營(yíng)。但是隨著技術(shù)的革新和與國(guó)外的交流，當(dāng)今經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求的各類電梯，幾乎全部都可以在中國(guó)生

2、產(chǎn)。電梯生產(chǎn)作為一門國(guó)家的新興產(chǎn)業(yè)，它這種能有減少人口膨脹對(duì)環(huán)境所造成的巨大壓力的特性，注定了其在中國(guó)具有一片光明的前景。本設(shè)計(jì)就是基于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（electronic design automation）技術(shù)中的甚高速集成電路硬件描述語言（very high speed integrated circuit hardware descrisioon language）語言所開發(fā)的三層電梯控制程序，實(shí)驗(yàn)調(diào)試平臺(tái)是altera公司的quartusii軟件。本程序具有vhdl語言設(shè)計(jì)里最為常用的三個(gè)模塊：實(shí)體entity，對(duì)控制器的實(shí)體（輸入輸出）端口進(jìn)行定義；結(jié)構(gòu)體architecture，

3、對(duì)控制器內(nèi)部的信號(hào)端進(jìn)行定義；進(jìn)程執(zhí)行單元process，對(duì)控制器的所有輸入輸出端口、內(nèi)部信號(hào)端口進(jìn)行功能、行為描述。通過程序調(diào)試及運(yùn)行仿真，結(jié)果表明，本程序可以完成：電梯運(yùn)行所在樓層指示、電梯運(yùn)行方向指示、關(guān)門延時(shí)設(shè)置等。本設(shè)計(jì)對(duì)更高層的電梯控制設(shè)計(jì)具有一定的拓展性。關(guān)鍵詞：電梯控制 程序設(shè)計(jì) eda vhdl quartusiititle the lift control design basic on the eda technologyabstract:the lift , as the modernized result, are entered in our life in las

4、t century. extensive economic construction, especially vigorous real estate have opened up the wider market for the trade of domestic lift . with the sustained and rapid development of economic construction, the demand of lift in our country is increasingly large. therefore, a huger lift market has

5、already taken shape with a loud crash at home. our country depended on foreign importing technology mainly in the past, national lift manufacturer was act as for import lift sale agent or after sale to maintain operating to rely on mainly. but with the innovation of technology and and exchange in fo

6、reign countries, all kinds of lifts of the current economic construction demand, can all nearly produce in china now . lift produce as one new industry of country, its characteristic can cut down the population expansion which cause toward the environment enormous of pressure effectively, have been

7、destined that have a slice of bright prospect in china. this thesis designs the three - floor lift controll on the basis of the electron basic on the electronic design automation(eda) technologys the very high-speed integrated circuit hardware describe language(vhdl), it is debuged in the altera com

8、panysquartusii software as a platform in experiment. this procedure has commonly most used three pieces of module in language designs:the entity,the architectureand the process. through testing the connection of the eda case, realize the following main functions: the lift s floor shows, the lift ope

9、ration direction shows; closes prolonging the dog reports to the police; overloads reporting to the police;fault alarm ,etc. the design can make some evolution for designing to on the senior level lift control.keywords: lift control programmer eda vhdl目 錄 1 引言51.1 問題的提出51.2總體方案的確定51.2.1plc技術(shù)在電梯控制的應(yīng)用

10、51.2.2單片機(jī)技術(shù)在電梯控制的應(yīng)用61.2.3eda技術(shù)在電梯控制的應(yīng)用71.2.4方案選擇71.3 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)71.3.1 eda技術(shù)介紹81.3.2 vhdl語言介紹81.3.3 fpga的簡(jiǎn)介及特點(diǎn)91.4設(shè)計(jì)要求92 程序設(shè)計(jì)112.1 三層電梯控制器的端口設(shè)計(jì)112.2 三層電梯控制器的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)和進(jìn)程執(zhí)行單元122.3程序流程分析132.4程序調(diào)試1325程序仿真162.5.1建立波形輸入162.6電梯功能的實(shí)現(xiàn)與仿真172.6.1仿真步驟182.6.2仿真結(jié)果分析18結(jié)論21致謝22參考文獻(xiàn)23附錄24 1 引言1.1 問題的提出當(dāng)今世界，部分地區(qū)人口高度密集，人和土地資

11、源短缺的矛盾日趨激化。這就注定了必須合理地利用土地去解決人與土地的矛盾。而興建高層建筑是其中的有效措施之一。因此，能使人們快速、便捷地到達(dá)目的樓層的電梯便應(yīng)運(yùn)而生了。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，人均電梯擁有數(shù)量一般在每萬人30臺(tái)以上，某些國(guó)家甚至達(dá)到每萬人120臺(tái)以上，隨著城鎮(zhèn)化程度的加大，電梯市場(chǎng)會(huì)更加繁華。中國(guó)的電梯市場(chǎng)增長(zhǎng)也很樂觀，目前，每年增長(zhǎng)率為15%18%。隨著電梯普及率的升溫，人們對(duì)電梯的要求也會(huì)越來越高。如何更安全、更快捷地到達(dá)目的樓層，也就成了人們對(duì)電梯最為根本的要求。而電梯系統(tǒng)里掌控這方面技術(shù)參數(shù)的是電梯控制系統(tǒng)。因此，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就成了在電梯設(shè)計(jì)領(lǐng)域里最為核心的技術(shù)。在電子技

12、術(shù)飛速發(fā)展的今天，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透到了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，加速了電子設(shè)計(jì)技術(shù)的普及進(jìn)程及技術(shù)革新。電子設(shè)計(jì)在日常生活和物質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)都占到了舉足輕重的地位，這尤其體現(xiàn)在其對(duì)電子產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)上。面對(duì)如此廣袤的電梯市場(chǎng)，所謂“科技就是第一生產(chǎn)力”，處于科技前沿的電子設(shè)計(jì)技術(shù)很自然地就與電梯控制設(shè)計(jì)一拍即合，給設(shè)計(jì)師們以巨大的設(shè)計(jì)空間。因此，本設(shè)計(jì)就是希望在以開發(fā)更安全、更快捷的三層電梯控制系統(tǒng)為前提下，結(jié)合電子設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)電梯控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.2總體方案的確定1.2.1plc技術(shù)在電梯控制的應(yīng)用由當(dāng)初的繼電器

13、邏輯控制電路到今天廣為應(yīng)用的可編程邏輯控制器及微機(jī)控制系統(tǒng)，電梯控制的發(fā)展經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)一段歷程。為了實(shí)現(xiàn)電梯的控制，過去大多是采用繼電器邏輯電路，這種邏輯控制方式具有原理簡(jiǎn)單、直觀的特點(diǎn)，但通用性較差，對(duì)不同的樓層和不同的控制方式，其原理圖、接線圖等必須重新制作，且控制系統(tǒng)由許多繼電器觸點(diǎn)組成，接線復(fù)雜、故障率高。因此，它逐漸被可靠性高、通用性強(qiáng)的可編程序控制器及微機(jī)控制系統(tǒng)所代替。由plc或微機(jī)實(shí)現(xiàn)繼電器的邏輯控制功能，具有較大的靈活性，不同的控制方式可用相同的硬件，只是軟件各不相同。只要把按鈕、限位開關(guān)、光電開關(guān)、無觸點(diǎn)行程開關(guān)等電器元件作為輸入信號(hào)，而把制動(dòng)器、接觸器等功率輸出元件接到輸

14、出端，就算完成了接線任務(wù)。通常，電梯功能、層數(shù)變化時(shí)，無需增減繼電器和大量的電路。plc在設(shè)計(jì)和制造上采取了許多抗干擾措施，輸入輸出均有光電隔離。能在較惡劣的各種環(huán)境里工作、可靠性高，適合于安全性要求較高的電梯控制。plc將cpu、存儲(chǔ)器、i/o接口等做成一體，使用方便，擴(kuò)展容易。具有繼電器系統(tǒng)的直觀、易懂、易學(xué)，應(yīng)用操作和調(diào)試方便等優(yōu)勢(shì)。因此，目前在國(guó)產(chǎn)電梯及中低檔的客梯廣泛應(yīng)用了plc控制系統(tǒng)，特別適用在用電梯的技術(shù)改造。電梯既是一種特殊的起重運(yùn)輸設(shè)備，具有完善的機(jī)械專用結(jié)構(gòu)，又是一種比較復(fù)雜的機(jī)電一體化的大型工業(yè)產(chǎn)品，具有復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)。就電梯的控制方法而言，目前國(guó)產(chǎn)電梯廣泛采用可編

15、程控制器技術(shù)的智能化控制。由于這種控制屬于隨機(jī)控制，各種輸入信號(hào)之間、輸出信號(hào)之間以及輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間互相關(guān)聯(lián)，邏輯關(guān)系處理起來非常復(fù)雜，這就給plc編程帶來很大難度。從這種意義上來說，plc編程水平的高低就決定電梯運(yùn)行狀態(tài)的好壞，因此plc應(yīng)用在電梯控制中的編程技術(shù)就成為控制電梯運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。plc充分利用了微型計(jì)算機(jī)的原理和技術(shù)，具有很強(qiáng)的邏輯處理能力，在電梯運(yùn)行控制中發(fā)揮了重要作用。由于電梯在運(yùn)行過程中各種輸入信號(hào)時(shí)隨機(jī)出現(xiàn)的，即信號(hào)的出現(xiàn)具有不確定性，同時(shí)信號(hào)需要自鎖保持、互鎖保存、優(yōu)先級(jí)排隊(duì)、數(shù)據(jù)比較等，因此信號(hào)之間就存在復(fù)雜的邏輯關(guān)系。所以在電梯的運(yùn)行控制中，plc的編程工

16、作主要是針對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷和處理。1.2.2單片機(jī)技術(shù)在電梯控制的應(yīng)用單片機(jī)體積小，處理速度快，價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，是合適的控制系統(tǒng)。對(duì)電梯的控制主要是選層、啟層、換速、平層、停車等幾個(gè)環(huán)節(jié)，其中以選層環(huán)節(jié)最為復(fù)雜。與通常的電器控制相比，單片機(jī)系統(tǒng)不需要通過“選層器”并且配備以大量的中間繼電器作為選層電路的控制設(shè)備，避免了設(shè)備多，檢修困難，運(yùn)行維護(hù)不便，造價(jià)成本高。應(yīng)用微機(jī)控制可以取消選層器和大量中間繼電器。而且應(yīng)用單片機(jī)控制又相當(dāng)于應(yīng)用其他微機(jī)減小了外圍設(shè)備的接口芯片，增強(qiáng)了可靠性。1.2.3eda技術(shù)在電梯控制的應(yīng)用eda技術(shù)不是某一學(xué)科的分支，或某種新的技能技術(shù)，它是一門綜合性學(xué)科

17、，融合多學(xué)科于一體，打破了軟件和硬件間的壁壘，使計(jì)算機(jī)的軟件和硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品性能合二為一，它代表了電子設(shè)計(jì)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向。vhdl具有與具體硬件電路無關(guān)和設(shè)計(jì)平臺(tái)無關(guān)的特性，并且具有良好的電路行為描述和系統(tǒng)描述的能力，并在語言易讀性和層次化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方面，表現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用潛力。eda使得設(shè)計(jì)者的工作僅限于利用硬件描述語言和eda軟件來完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)。正因eda在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中的這些特點(diǎn)，在電梯控制電路上采用eda技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，越來越受到人們的重視。1.2.4方案選擇對(duì)于符合市場(chǎng)需求的大規(guī)模系統(tǒng)，要達(dá)到高效、高速完成，必須有多人甚至多個(gè)開發(fā)組共同并行工作才能實(shí)

18、現(xiàn)。對(duì)于用eda技術(shù)完成的一個(gè)確定的設(shè)計(jì)，可以利用相應(yīng)的工具平臺(tái)進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。基于eda技術(shù)的vhdl語言對(duì)設(shè)計(jì)的描述具有相對(duì)獨(dú)立性，設(shè)計(jì)者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管理最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)器件是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。這為電子設(shè)計(jì)的入門者提供了便捷的幫助。相信在不遠(yuǎn)的將來，我國(guó)相關(guān)的專業(yè)技術(shù)人員使用eda技術(shù)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，就像現(xiàn)在使用計(jì)算器一樣，雖然大部分人不能開辦集成電路制造廠，但是卻能快速、經(jīng)濟(jì)地制造自己的專用集成電路。綜上比較，本設(shè)計(jì)采用eda技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的控制。1.3 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心是eda技術(shù)?；趀da技術(shù)開發(fā)的實(shí)現(xiàn)三層電梯自動(dòng)控制與目前

19、主流的利用可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)電梯控制緊密相連。硬件描述語言是eda技術(shù)的重要組成部分，vhdl是作為電子設(shè)計(jì)主流硬件的描述語言。使用vhdl語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，在quartusii軟件上對(duì)程序進(jìn)行編譯、仿真。在quartusii平臺(tái)上開發(fā)具有易學(xué)易懂、控制靈活方便、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。1.3.1 eda技術(shù)介紹eda是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（electronic design automation）的縮寫，在20世紀(jì)90年代初從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（cad）、計(jì)算機(jī)輔助制造（cam）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（cat）和計(jì)算機(jī)輔助工程（cae）的概念發(fā)展而來的。20世紀(jì)90年代，國(guó)際上電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)較

20、先進(jìn)的國(guó)家，一直在積極探索新的電子電路設(shè)計(jì)方法，并在設(shè)計(jì)方法、工具等方面進(jìn)行了徹底的變革，取得了巨大成功。在電子技術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可編程邏輯器件（如cpld、fpga）的應(yīng)用，已得到廣泛的普及，這些器件為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了極大的靈活性。這些器件可以通過軟件編程而對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，從而使得硬件的設(shè)計(jì)可以如同軟件設(shè)計(jì)那樣方便快捷。這一切極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)觀念，促進(jìn)了eda技術(shù)的迅速發(fā)展。eda技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在eda軟件平臺(tái)上，用硬件描述語言vhdl完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至

21、對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。eda技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可操作性，減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。利用eda工具，電子設(shè)計(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計(jì)算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出ic版圖或pcb版圖的整個(gè)過程在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成?，F(xiàn)在對(duì)eda的概念或范疇用得很寬。包括在機(jī)械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事、等各個(gè)領(lǐng)域，都有eda的應(yīng)用。目前eda技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學(xué)部門廣泛使用。例如在飛機(jī)制造過程中，從設(shè)計(jì)、性能測(cè)試及特性分析直到飛行模擬，都可能涉及到eda技

22、術(shù)。1.3.2 vhdl語言介紹vhdl（very high speed integrated circuit hardware description language）語言于1983年由美國(guó)國(guó)防部發(fā)起創(chuàng)建，由電工和電子工程師協(xié)會(huì)（the institute of electrical and electronics engineer）進(jìn)一步發(fā)展并在1987年作為“ieee1076”發(fā)布。從此，vhdl成為硬件描述語言的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)之一。vhdl作為一個(gè)規(guī)范語言和建模語言，具有很強(qiáng)的電路描述和建模能力，能從多個(gè)層次對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模和描述，從而大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，提高了設(shè)計(jì)效率和可靠性。vh

23、dl具有與具體硬件電路無關(guān)和設(shè)計(jì)平臺(tái)無關(guān)的特性，并且具有良好的電路行為描述和系統(tǒng)描述的能力，并在語言易讀性和層次化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方面，表現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用潛力。1.3.3 fpga的簡(jiǎn)介及特點(diǎn)目前以硬件描述語言（verilog或 vhdl）所完成的電路設(shè)計(jì)，可以經(jīng)過簡(jiǎn)單的綜合與布局，快速的燒錄至 fpga 上進(jìn)行測(cè)試，是現(xiàn)代 ic 設(shè)計(jì)驗(yàn)證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來實(shí)現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如and、or、xor、not）或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的fpga里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（flipflop）或者其他更加完整的記憶塊。

24、系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把fpga內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個(gè)電路試驗(yàn)板被放在了一個(gè)芯片里。一個(gè)出廠后的成品fpga的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計(jì)者而改變，所以fpga可以完成所需要的邏輯功能。 fpga一般來說比asic（專用集成芯片）的速度要慢，無法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點(diǎn)比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯(cuò)誤和更便宜的造價(jià)。廠商也可能會(huì)提供便宜的但是編輯能力差的fpga。因?yàn)檫@些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計(jì)的開發(fā)是在普通的fpga上完成的，然后將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到一個(gè)類似于asic的芯片上。另外一種方法是用cpld（復(fù)雜可編程邏輯

25、器件備）。 cpld與fpga的關(guān)系早在1980年代中期，fpga已經(jīng)在pld設(shè)備中扎根。cpld和fpga包括了一些相對(duì)大數(shù)量的可以編輯邏輯單元。cpld邏輯門的密度在幾千到幾萬個(gè)邏輯單元之間，而fpga通常是在幾萬到幾百萬。 cpld和fpga的主要區(qū)別是他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。cpld是一個(gè)有點(diǎn)限制性的結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)由一個(gè)或者多個(gè)可編輯的結(jié)果之和的邏輯組列和一些相對(duì)少量的鎖定的寄存器。這樣的結(jié)果是缺乏編輯靈活性，但是卻有可以預(yù)計(jì)的延遲時(shí)間和邏輯單元對(duì)連接單元高比率的優(yōu)點(diǎn)。而fpga卻是有很多的連接單元，這樣雖然讓它可以更加靈活的編輯，但是結(jié)構(gòu)卻復(fù)雜的多。 cpld和fpga另外一個(gè)區(qū)別是大多數(shù)的

26、fpga含有高層次的內(nèi)置模塊（比如加法器和乘法器）和內(nèi)置的記憶體。一個(gè)因此有關(guān)的重要區(qū)別是很多新的fpga支持完全的或者部分的系統(tǒng)內(nèi)重新配置。允許他們的設(shè)計(jì)隨著系統(tǒng)升級(jí)或者動(dòng)態(tài)重新配置而改變。一些fpga可以讓設(shè)備的一部分重新編輯而其他部分繼續(xù)正常運(yùn)行。 fpga工作原理fpga采用了邏輯單元陣列l(wèi)ca（logic cell array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊clb（configurable logic block）、輸出輸入模塊iob（input output block）和內(nèi)部連線（interconnect）三個(gè)部分。 1.4設(shè)計(jì)要求要求用高速集成電路硬件描述語言（very

27、high speed integrated circuit hardware descripsioon language）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)3層電梯的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的要求如下：(1)電梯運(yùn)行規(guī)則：當(dāng)電梯處在上升模式時(shí)，只響應(yīng)比電梯所在位置高的上樓請(qǐng)求，由下向上逐個(gè)執(zhí)行，直到最后一個(gè)上樓請(qǐng)求執(zhí)行完畢。如果高層有下樓請(qǐng)求，直接升到有下樓請(qǐng)求的最高樓層，然后進(jìn)入下降模式。電梯處在下降模式時(shí)，工作方式與上升模式相反。設(shè)電梯共有3層，每秒上升或下降一層。(2)電梯初始狀態(tài)為一層，處在開門狀態(tài)，開門指示燈亮。(3)每層電梯入口處均設(shè)有上下請(qǐng)求開關(guān)，電梯內(nèi)部設(shè)有乘客到達(dá)樓層的停站請(qǐng)求開關(guān)及其顯示。 (4)設(shè)置電梯

28、所處位置的指示及電梯上升或下降的指示。 (5)電梯到達(dá)有停站請(qǐng)求的樓層后，電梯門打開，開門指示燈亮。開門4妙后，電梯門關(guān)閉，開門指示燈滅，電梯繼續(xù)運(yùn)行，直至執(zhí)行完最后一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)后停在當(dāng)前層。 (6)電梯控制系統(tǒng)能記憶電梯內(nèi)外的請(qǐng)求信號(hào)，并按照電梯運(yùn)行規(guī)則工作，每個(gè)請(qǐng)求信號(hào)執(zhí)行完畢后清除。 根據(jù)電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，除了具備兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)clk，一個(gè)是電梯時(shí)鐘信號(hào)，另一個(gè)是按鍵時(shí)鐘信號(hào)。以外，還應(yīng)該定義輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。輸入信號(hào)定義如下：系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)：reset，高電平有效；電梯入口處一層、二層的上樓請(qǐng)求開關(guān)：f1upbuttion、f2upbuttion；電梯入口處二層、三層的下樓請(qǐng)求開關(guān)

29、：f2dnbuttion、f3dnbuttion；電梯內(nèi)部到達(dá)樓層的停站請(qǐng)求開關(guān)：stoplbuttion、stop2buttion、stop3buttion。 所有輸入信號(hào)的規(guī)定為：輸入信號(hào)等于1，表示有請(qǐng)求，信號(hào)等于0，表示無請(qǐng)求。輸出信號(hào)定義如下：電梯外部上升和下降請(qǐng)求指示燈：uplight和downlight，這些信號(hào)與f1upbuttion、f2upbuttion、f2dnbuttion、f3dnbuttion信號(hào)相對(duì)應(yīng)；電梯內(nèi)部乘客到達(dá)樓層的停站請(qǐng)求燈：stoplight，該信號(hào)與stoplbuttion、stop2buttion、stop3buttion信號(hào)相對(duì)應(yīng)；電梯運(yùn)行模式指

30、示：udsig，1代表下降模式，0代表上升模式；電梯所在樓層指示：position，表示電梯在對(duì)應(yīng)樓層；電梯門狀態(tài)指示：doorlight，1表示開門，0表示關(guān)門2 程序設(shè)計(jì)2.1 三層電梯控制器的端口設(shè)計(jì)首先考慮輸入端口，一個(gè)復(fù)位端口reset，用于系統(tǒng)不正常時(shí)回到初始狀態(tài)；在電梯外部必須有升降請(qǐng)求端口，一層不需要有下降請(qǐng)求，三層不需要有上升請(qǐng)求，二層則上升下降請(qǐng)求端口都有；在電梯內(nèi)部應(yīng)該有各層的停止請(qǐng)求按鈕；一個(gè)電梯時(shí)鐘輸入端口，以1秒為周期，用于驅(qū)動(dòng)電梯的上升，下降。開門以及關(guān)門動(dòng)作；另外一個(gè)按鍵時(shí)鐘輸入端口，頻率要比電梯的高得多在這里要64hz。其次是輸出端口，有升降請(qǐng)求信號(hào)以后，就得

31、有一個(gè)輸出端口指示是否被響應(yīng)，同樣，在電梯內(nèi)部也應(yīng)該有輸出端口來顯示各層停留是否響應(yīng)。在電梯外部需要一個(gè)端口來顯示電梯所在的位置，電梯開門，關(guān)門狀態(tài)也要用一個(gè)端口來顯示；為了觀察電梯的升降狀態(tài)，也要有一個(gè)端口來指示電梯的升降狀態(tài)。最后還要顯示開門時(shí)間，就要有一個(gè)端口來輸出2.1.1三層電梯的總電路圖2.2 三層電梯控制器的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)和進(jìn)程執(zhí)行單元首先說明一下狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)了10個(gè)狀態(tài)，分別是電梯停留在一層（stopon1），開門（dooropen），關(guān)門（doorclose），開門等待1秒（doorwait1），開門等待2秒（doorwait2），開門等待3秒（doorwait3），開門等待

32、4秒（doorwait4），上升（up），下降（down），和停止（stop）。 在結(jié)構(gòu)體中，設(shè)計(jì)兩個(gè)進(jìn)程互相配合，一個(gè)是狀態(tài)機(jī)進(jìn)程的主要進(jìn)程，另一個(gè)是信號(hào)燈控制進(jìn)程作為補(bǔ)助的進(jìn)程。狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中的很多判斷條件是以信號(hào)燈進(jìn)程產(chǎn)生的信號(hào)為依據(jù)的，而信號(hào)燈進(jìn)程中信號(hào)的熄滅又是以狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中傳出的clearup，cleardn 信號(hào)來控制的。 在狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中，在電梯上升狀態(tài)中，通過對(duì)信號(hào)燈的判斷，決定下一個(gè)狀態(tài)是繼續(xù)還是停止；在電梯下降狀態(tài)中，也是通過對(duì)信號(hào)燈的判斷，決定下一個(gè)狀態(tài)是繼續(xù)下降還是停止。 在信號(hào)燈控制進(jìn)程中，由于使用了專門的頻率比較高的按鍵時(shí)鐘，所以按鍵靈敏度增大，但是時(shí)鐘頻率不能太高，

33、否則容易按鍵過于靈敏。按下按鍵后產(chǎn)生的點(diǎn)亮的信號(hào)燈用于作為狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中判斷條件，而clearup和cleardn信號(hào)為邏輯1時(shí)相應(yīng)的信號(hào)燈熄滅。2.3程序流程分析電梯的運(yùn)行規(guī)則確立后，需對(duì)整個(gè)控制程序的設(shè)計(jì)作一個(gè)流程規(guī)范。對(duì)程序進(jìn)行模塊化構(gòu)思。根據(jù)vhdl語言的規(guī)則，程序必須由最基本的實(shí)體和結(jié)構(gòu)體構(gòu)成。實(shí)體對(duì)控制器的端口進(jìn)行定義，結(jié)構(gòu)體對(duì)各端口的行為進(jìn)行描述。因此程序運(yùn)行需經(jīng)過以下流程：vhdl庫調(diào)用；確立控制器的端口；根據(jù)電梯運(yùn)行規(guī)則，設(shè)計(jì)相關(guān)運(yùn)行描述；對(duì)電梯內(nèi)外信號(hào)進(jìn)行處理；具體流程圖如圖1所示：程序開始vhdl庫調(diào)用設(shè)置控制器的端口電梯運(yùn)行規(guī)則描述電梯信號(hào)處理程序結(jié)束 圖1程序流程圖2.

34、4程序調(diào)試（1）建立好工作目錄，以便設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目的存儲(chǔ)，打開quartusii軟件，其初始界面如圖2所示。圖2quartus軟件初始界面（2）在工具欄中選擇“新建”按鈕。選擇“vhdl file”，如圖3所示。圖3創(chuàng)建vhdl文本輸入（3）在文本輸入界面內(nèi)進(jìn)行程序輸入，如圖4所示。圖4程序輸入界面(4)輸入完畢后，需要對(duì)程序進(jìn)行保存。注意文件名和實(shí)體定義名必須保持一致，即threeflift，文件后綴名為vhd。(5)保存以后，對(duì)程序進(jìn)行編譯。在編譯前，需要把文件設(shè)置為頂層文件或工程文件project。選擇菜單“project”中的“set as top-level entity”。(6)在“

35、quartusii”里選擇“processing”下拉菜單中的“start compilation”，此時(shí)，quartusii軟件會(huì)對(duì)程序進(jìn)行糾錯(cuò)等處理。當(dāng)程序被確認(rèn)無誤后會(huì)出現(xiàn)如下界面，如圖5所示。圖5編譯完成2.4.1三層電梯的邏輯電路圖 圖6邏輯電路圖25程序仿真2.5.1建立波形輸入（1）編譯完成后，新建波形編輯器進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。選擇菜單“file” 中的“new”項(xiàng)，在ne w窗口中選擇“vector waveform file”，單擊ok按鈕，即出現(xiàn)空白的波形編譯器，如圖7所示。圖7波形編輯器（2）設(shè)置仿真時(shí)間區(qū)域，在“edit”菜單中選擇“end time”項(xiàng)，在彈出窗口中設(shè)置。（

36、3）將工程threeflift的端口信號(hào)名選入波形編輯器中。方法是在編輯器左邊name下的空白處右擊選擇“insert node or bus”項(xiàng)，彈出對(duì)話框如圖8所示，在node filter框中選“pins：all”，單擊list按鈕，下方的nodes found 窗口中出現(xiàn)設(shè)計(jì)工程的所有端口引腳名。圖7圖8添加節(jié)點(diǎn)信號(hào)（4）創(chuàng)立輸入波形。從上圖左邊框中往右邊框加入需要的信號(hào)節(jié)點(diǎn)，就可對(duì)輸入信號(hào)逐一賦值，便可對(duì)程序進(jìn)行仿真，觀察輸出信號(hào)，得出結(jié)論。如對(duì)時(shí)鐘信賦于周期如下圖9 所示。設(shè)置好的輸入波形如下圖10所示。 圖9 設(shè)置時(shí)鐘的周期 圖10 設(shè)計(jì)好的輸入波形2.6電梯功能的實(shí)現(xiàn)與仿真2.

37、6.1仿真步驟（1）仿真器參數(shù)設(shè)置。選擇菜單“assignment”中的“settings”，在“settings”窗口下選擇“category”下的“simulator”，右側(cè)設(shè)置如下圖11所示。圖11選擇仿真控制（2）啟動(dòng)仿真器?，F(xiàn)在所有設(shè)置進(jìn)行完畢，在菜單processing項(xiàng)下選擇start simulation，直到出現(xiàn)simulation was successful，仿真結(jié)束。仿真結(jié)果如下圖12。2.6.2仿真結(jié)果分析(1) 圖12所示仿真的是在第二層電梯外部有上升請(qǐng)求，也就是f2upbuttton信號(hào)的一個(gè)脈沖，可以看到電梯從一層上升到二層，position信號(hào)由00變到01。

38、doorlight信號(hào)1表示開門，0表示關(guān)門。當(dāng)電梯到達(dá)第二層以后，doorlight信號(hào)為1,電梯處在開門狀態(tài)，經(jīng)過4秒的關(guān)門延遲后，doorlight信號(hào)為0，電梯處在關(guān)門狀態(tài)。圖12有上升請(qǐng)求時(shí)電梯的仿真波形圖(2)圖13所示仿真的是reset=1,電梯處在不正常工作狀態(tài)，一直停留在一樓。圖13 reset為1時(shí)電梯的仿真波形圖結(jié)論電梯控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)全部完成，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了電梯按預(yù)定運(yùn)行規(guī)則上升、下降、載客等功能。設(shè)計(jì)了關(guān)門延時(shí)功能使電梯運(yùn)行更加安全更加可靠。在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)榭紤]了擴(kuò)展性，所以在信號(hào)定義的時(shí)候就使用了二進(jìn)制的向量，而不是整數(shù)。在設(shè)計(jì)方法上也做了特殊的設(shè)計(jì)，

39、所以使得擴(kuò)展性較好。如果要實(shí)現(xiàn)n層電梯的控制，首先在端口的地方就要加入所有的按鍵，而指示燈只要把向量中的3改成n就可以了。在本設(shè)計(jì)過程中還需要改進(jìn)的地方有，電梯運(yùn)行規(guī)則的優(yōu)化（如設(shè)計(jì)閑時(shí)忙時(shí)控制規(guī)則）、電梯運(yùn)行速度的控制、設(shè)計(jì)更多的報(bào)警功能等。電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了vhdl覆蓋面是如此的廣，描述能力強(qiáng)，是一個(gè)多層次的硬件描述語言及運(yùn)行速度快，使用方便，便于修改，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)在實(shí)用方面和參考方面具有一定的價(jià)值。致謝感謝所有任課老師四年來對(duì)我的培養(yǎng)。這個(gè)文化底蘊(yùn)深厚、安詳寧靜的地方，塑造了我積極、樂觀、淡定的人生態(tài)度，刻畫了我永遠(yuǎn)留戀的青春記憶，讓我在這即將離別的時(shí)候如此不舍。在此，

40、我要向諸位老師說聲謝謝。當(dāng)然也要感謝我的父母，我所邁出的每一步，都凝聚著你們心血和汗水，你們始終如一的支持和關(guān)愛，是我一直勇敢向前的動(dòng)力。同時(shí)也要感謝我的同學(xué)和朋友，我將永遠(yuǎn)記得你們伴我走過的每一個(gè)有歡笑有淚水的日子，是你們的關(guān)心和幫助，讓我感受到了家的溫暖。參考文獻(xiàn)1王鎖萍.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（eda）教程m.成都：成都電子科技大學(xué)出版社,2006,6790.2 邱玉春. 李文俊.vhdl系統(tǒng)設(shè)計(jì)m.電子產(chǎn)品世界,2007, 5053.3 蘇長(zhǎng)贊. 電梯設(shè)計(jì)與應(yīng)用m. 北京:人民郵電出版社,2008,7691.4 彭為. 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)m. 電子工業(yè)出版社，2006,6171.5 戴佳. vhdl

41、程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講m. 電子工業(yè)出版社，2007,8892.6 朱清慧. vhdl教程. 清華大學(xué)出版社m.2008,201210.7 何立民eda應(yīng)用技術(shù)選編m北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008,44518 李華eda實(shí)用接口技術(shù)m. 北京航空航天大學(xué)出版社2003,176182.9 譚會(huì)生，張昌凡.eda技術(shù)及應(yīng)用.第二版.西安電子科技大學(xué)出版社，200910 譚會(huì)生，瞿遂春.eda技術(shù)綜合應(yīng)用實(shí)例與分析.西安電子科技大學(xué)出版社，200411 王志鵬，付麗琴可編程邏輯器件開發(fā)技術(shù)max+plusii北京：國(guó)防工業(yè)出版社.200412 王金明，楊吉斌.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文源自網(wǎng)與verilog

42、 hdl.北京：電子工業(yè)出版社，200213 潘松，黃繼業(yè).eda技術(shù)實(shí)用教程.北京：科學(xué)出版社，200214 李國(guó)麗，朱維勇.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.合肥：中國(guó)科技大學(xué)出版社，200015潘松，王國(guó)棟. vhdl實(shí)用教程（修訂版）m.成都：成都電子科技大學(xué)出版社,2002,4587.附錄library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;-輸入輸出口定義entity threeflift isport(buttonclk: in std_logi

43、c;liftclk: in std_logic;reset: in std_logic;f1upbutton:in std_logic; -一樓上升請(qǐng)求f2upbutton:in std_logic; -二樓上升請(qǐng)求f2dnbutton:in std_logic; -二樓下降請(qǐng)求f3dnbutton:in std_logic; -三樓下降請(qǐng)求fuplight: buffer std_logic_vector(3 downto 1); -上升指示燈fdnlight:buffer std_logic_vector(3 downto 1); -下降指示燈stop1button,stop2button

44、,stop3button:in std_logic;stoplight: buffer std_logic_vector(3 downto 1);position: buffer integer range 1 to 3;doorlight:out std_logic;udsig: buffer std_logic); - 升降指示end threeflift;- -architecture art of threeflift istype lift_state is -十個(gè)狀態(tài)的定義(stopon1,dooropon,doorclose,doorwait1,doorwait2,doorwai

45、t3,doorwait4,up,down,stop);signal mylift: lift_state;signal clearup: std_logic; -用于清除上升請(qǐng)求信號(hào)signal cleardn: std_logic; -用于清除下降請(qǐng)求信號(hào)begin ctrlift: process(reset,liftclk)variable pos: integer range 3 downto 1;beginif reset='1' then -初始化時(shí)mylift<=stopon1;clearup<='0'cleardn<='

46、0'else -正常運(yùn)行時(shí)if liftclk'event and liftclk='1' thencase mylift iswhen stopon1=>doorlight<='1'position<=1; pos:=1;mylift<=doorwait1;when doorwait1=>mylift<=doorwait2;when doorwait2=>clearup<='0'cleardn<='0'mylift<=doorwait3;when doo

47、rwait3=>mylift<=doorwait4;when doorwait4=>mylift<=doorclose;when doorclose=>doorlight<='0'-電梯在關(guān)門狀態(tài)下執(zhí)行if udsig='0' then if position=3 thenif stoplight="000" and fdnlight="000" and fuplight="000"thenudsig<='1' mylift<=doorcl

48、ose;else udsig<='1'mylift<=down;end if;elsif position=2 thenif stoplight="000" and fdnlight="000" and fuplight="000"thenudsig<='0'mylift<=doorclose;elsifstoplight(3)='1' or (stoplight(3)='0' and fdnlight(3)='1')thenuds

49、ig<='0'mylift<=up;else udsig<='1'mylift<=down;end if;-elsif position=1 then if stoplight="000" and fdnlight="000" and fuplight="000"then udsig<='0'mylift<=doorclose;else udsig<='0'mylift<=up;end if;end if;-elsif ud

50、sig<='1' then if position=1 then if stoplight="000" and fuplight="000" and fdnlight="000" thenudsig<='0'mylift<=doorclose;else udsig<='0'mylift<=up;end if;elsif position=2 thenifstoplight="000" and fuplight="000"

51、; and fdnlight="000" thenudsig<='1'mylift<=doorclose; elsif stoplight(1)='1'or(stoplight(1)='0' and fuplight(1)='1') thenudsig<='1'mylift<=down;else udsig<='0'mylift<=up;end if;elsif position=3 then if stoplight="000&qu

52、ot; and fuplight="000" and fdnlight="000" then udsig<='1'mylift<=doorclose;else udsig<='1'mylift<=down;end if;end if;end if;-當(dāng)電梯在上升狀態(tài)時(shí)執(zhí)行when up=>position<=position+1;pos:=pos+1;if pos<3 and(stoplight(pos)='1' or fuplight(pos)='1')then mylift<=stop;elsif pos=3 and(stoplight(pos)='1'or fdnlight(pos)='1')then mylift<=stop;else mylift<=doorclose;end if;-當(dāng)電梯在下降狀態(tài)時(shí)執(zhí)行when down=>position