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基于FPGA的智能电梯控制系统的实现 毕业论文.doc

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基于FPGA的智能电梯控制系统的实现 毕业论文.doc

1题目基于FPGA的智能电梯控制系统的实现2010年12月07日2摘要智能电梯控制系统的设计思想智能电梯的编写的过程也不是一帆风顺的。而且我试过好多种方法去实现电梯的状态的转移。起初我想到的肯定是有限状态机。不过由于开始我想到只有六个请求(分别为16楼),后来在老师的启发下和东十二楼的电梯实际运行情况我发现,6个按钮肯定是不够的,所以我又加了5个向上的请求按钮和5个向下的请求按钮,这样总共就有16个按钮了,由于当时我没有想到用信号并置的方法,所以需要分析的情况实在是太多了,我也没有信心了。不过问题始终都是要得到解决的,后来我在我们寝室的一个同学的参考书上看到了一个用VHDL语言编写的智能电梯控制器的程序,不过很不完整,它给我的最大的启发就是“信号并置的算法”,我才发现这样一来的话,我的工作量就大大减少了。当时我不仅采用“信号并置的算法”外,还采纳了它的“以楼层为电梯的状态转移的依据”的思想,这确实是一个不错的方法,不过当时我一直没有任何进展,一是它是用VHDL语言编写的,而且我对这个语言不是很熟悉所以不是特别理解。后来竟然干起了把VHDL语言翻译成VERILOG语言的工作,这样没有任何含金量的工作让我浪费了不少时间。现在想起来,我才发现我竟然迷失了自己,我原先自己的算法已经被丢失了,留下了的仅仅是一些他人的程序。“以楼层为电梯的状态转移的依据”的编程方法让我没有得到任何进展,我放弃的这种处理多种状态的方法,继而转向了我原先的“有限状态机”的方法。使用三段式的有限状态机的方法也花了很多时间去修正和改善。实现了基本的功能,当时一遇到比较复杂的情况时(比喻同时有几个人在请求或者是同时有两个在不同楼层的请求时电梯该如何运行呢,这些特殊情况我在当时一直没有找到合适和有效的方法去解决)。关键词信号并置VERILOG状态机3INTELLIGENTELEVATORCONTROLSYSTEMDESIGNTHOUGHTABSTRACTINTELLIGENTELEVATORCOMPILATIONPROCESSISNOTEASYANDITRIEDAVARIETYOFWAYSTOREALIZETHETRANSFEROFTHESTATEATFIRSTITHOUGHTTHEAFFIRMATIONISAFINITESTATEMACHINEBUTDUETOSTARTITHOUGHTONLYSIXREQUESTRESPECTIVELYFOR16/FANDTHENINTEACHERINSPIREDANDEASTTENONTHESECONDFLOOROFTHEELEVATORACTUALOPERATIONSITUATIONIFOUND,6BUTTONAFFIRMATIONISNOTENOUGH,SOIADDEDFIVEUPWARDREQUESTBUTTONANDFIVEDOWNWARDREQUESTBUTTON,SOITHAS16BUTTON,BECAUSEATTHATTIMEIDIDNTTHINKBYSIGNALANDINVERTEDMETHOD,SONEEDANALYSISOFTRUEISTOOMANY,IALSOHAVENOCONFIDENCENEVERTHELESSTHEPROBLEMAREALWAYSTOBESOLVED,LATERIINOURBEDROOMISACLASSMATEOFREFERENCEBOOKSONSAWAWITHVHDLLANGUAGEPREPARATIONINTELLIGENTELEVATORCONTROLLERPROGRAM,BUTISNOTCOMPLETE,ITGIVESMETHEGREATESTINSPIRATIONISSIGNALANDINVERTEDALGORITHM,IDISCOVEREDTHISWAY,THENMYWORKLOADISGREATLYREDUCEDIWASNOTONLYUSESIGNALANDINVERTEDALGORITHMOUTSIDE,STILLADOPTEDITSTOTHEFLOORFORELEVATORSTATUSTRANSFERBASISTHOUGHT,ITISREALLYAGOODMETHOD,BUTIHAVENTMADEANYPROGRESS,ONEISITISWITHVHDLLANGUAGEPREPARATION,ANDIMNOTVERYFAMILIARWITHTHELANGUAGESONOTPARTICULARLYUNDERSTANDINGLATERUNEXPECTEDLYRAISEDTHEVHDLLANGUAGETRANSLATIONINTOVERILOGLANGUAGEJOB,SOTHATNOMEASUREOFWORKLETIWASTEALOTOFTIMENOWTHATITHINKABOUTIT,IFOUNDTHATIHADLOSTTHEMSELVES,IHADHISOWNALGORITHMHASBEENLOST,LEAVINGTHEOTHERSAREONLYSOMEOFTHEPROGRAMTOTHEFLOORFORELEVATORSTATUSTRANSFERBASISPROGRAMMINGMETHOD,LETIHAVENTGOTANYPROGRESS,IGIVEUPTHISHANDLEAVARIETYOFSTATEMETHOD,THENTURNEDTOMYORIGINALFINITESTATEMACHINEMETHODUSETHEFINITESTATEMACHINE3SECTIONALMETHODSALSOSPENTALOTOFTIMETOMODIFYANDIMPROVEREALIZETHEBASICFUNCTIONS,WHENAMEETMORECOMPLEXSITUATIONSPARABLESMEANWHILESEVERALPEOPLEINREQUESTORISALSOHAVETWOINDIFFERENTFLOORREQUESTHOWSHOULDTHEELEVATORRUNNINGTHESESPECIALCASESIATTHATTIMEHASNOTFINDAPPROPRIATEANDEFFECTIVEAPPROACHTOSOLVEABSTRACTKEYWORDSASIGNALANDBUYVERILOGSTATEMACHINE4目录第一章概述摘要511EDA概述5111什么是EDA5112EDA的特6113EDA的应用612FPGA的简介及特点713VHDL语言及程序概述8131VHDL语言的发展9132VHDL语言的特点9133VHDL语言程序的基本结构1014状态机的简介10第二章电梯控制系统的分析1221选题的背景1222电梯控制的研究背景1223我国电梯的发展概况1324电梯设计的具体目的及控制要求1325电梯控制器设计原理及思路1426电梯控制系统状态图分析15第三章电梯控制系统的设计与实现1731MAXPLUSII的介绍1732电梯控制系统的VHDL语言设计及仿真18321模块示意图和输入输出描述18322模块设计过程20323波形仿真2133电梯控制系统的实验平台实现27结论与体会28致谢30附件程序31参考文献435第一章概述摘要11EDA概述EDA在通信行业(电信)里的另一个解释是企业数据架构,EDA给出了一个企业级的数据架构的总体视图,并按照电信企业的特征,进行了框架和层级的划分。EDA是电子设计自动化(ELECTRONICDESIGNAUTOMATION)的缩写,在20世纪60年代中期从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的。111什么是EDA20世纪90年代,国际上电子和计算机技术较先进的国家,一直在积极探索新的电子电路设计方法,并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革,取得了巨大成功。在电子技术设计领域,可编程逻辑器件(如CPLD、FPGA)的应用,已得到广泛的普及,这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构,从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念,促进了EDA技术的迅速发展。EDA技术就是以计算机为工具,设计者在EDA软件平台上,用硬件描述语言HDL完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现,极大地提高了电路设计的效率和可操作性,减轻了设计者的劳动强度。利用EDA工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以通过计算机完成,并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中,从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟,都可能涉及到EDA技术。6112EDA的特点1高层综合和优化为了能更好地支持自顶向下的设计方法,现代的EDA工具能够在系统进行综合和优化,这样就缩短了设计的周期,提高了设计效率。2采用硬件描述语言进行设计采用硬件描述语言进行电路与系统的描述是当前EDA技术的另一个特征。与传统的原理图设计方法相比,HDL语言更适合描述规模大的数字系统,它能够使设计者在比较抽象的层次上对所设计系统的结构和逻辑功能进行描述。采用HDL语言设计的突出优点是语言的公开性和利用性;设计与工艺的无关性;宽范围的描述能力;便于组织大规模系统的设计;便于设计的复用,交流,保存和修改等。目前最常用的硬件描述语言有VHDL和VERILOGHDL,它们都已经成为IEEE标准。(3)开放性和标准化现代EDA工具普遍采用标准化和开放性框架结构,任何一个EDA系统只要建立了一个符合标准的开放式框架结构,就可以接纳其他厂商的EDA工具仪器进行设计工作。这样就可以实现各种EDA工具的优化组合,并集成在一个易于管理的统一环境下,实现资源共享。113EDA的应用随着电子技术的发展,可编程逻辑器件和EDA技术已广泛应用于通信、工业自动化、智能仪表、图像处理、计算机等领域。EDAELECTRONINCDESIGNAUTOMATION,电子设计自动化技术是现代电子工程领域的一门新技术,它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。EDA技术的发展和推广应用极大地推动了电子工业的发展。随着EDA技术的发展,硬件电子电路的设计几乎全部可以依靠计算机来完成,这样就大大缩短了硬件电子电路设计的周期,从而使制造商可以快速开发出品种多、批量小的产品,以满足市场的众多需求。EDA教学和产业界的技术推广是当今世界的一个技术热点,EDA技术是现代电子工业中不可缺少的一项技术。712FPGA的简介及特点背景目前以硬件描述语言(VERILOG或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至FPGA上进行测试,是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(FLIP-FLOP)或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA一般来说比ASIC(专用集成芯片)的速度要慢,无法完成复杂的设计,而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品,可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力,所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的,然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(复杂可编程逻辑器件备)。CPLD与FPGA的关系早在1980年代中期,FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可以编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间,而FPGA通常是在几万到几百万。CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器。这样的结果是缺乏编辑灵活性,但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元,这样虽然让它可以更加灵活的编辑,但是结构却复杂的多。CPLD和FPGA另外一个区别是大多数的FPGA含有高层次的内置模块(比如加法器和乘法器)和内置的记忆体。一个因此有关的重要区别是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或者动态重新配置而改变。一些FPGA可以让设备的一部分重新编辑而其他部分继续正常运行。8FPGA工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LOGICCELLARRAY)这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(CONFIGURABLELOGICBLOCK)、输出输入模块IOB(INPUTOUTPUTBLOCK)和内部连线(INTERCONNECT)三个部分。FPGA的基本特点1)采用FPGA设计ASIC电路特定用途集成电路,用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。掉电后,FPGA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,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时,只需换一片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。因此,FPGA的使用非常灵活。13VHDL语言及程序概述VHDL的英文全名是VERYHIGHSPEEDINTEGRATEDCIRCUITHARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGE,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。VHDL主要用于描述数字系统的结构,行为,功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外,VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分9类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计,或称设计实体(可以是一个元件,一个电路模块或一个系统)分成外部(或称可视部分,及端口和内部(或称不可视部分),既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后,一旦其内部开发完成后,其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。131VHDL语言的发展在集成电路制造工艺的发展的过程中,微电子设计工艺已经达到了深亚微米时代,在EDA设计中主要有软硬件协作设计的要求,现有的工具支持SOC设计尚有难度,迫切需要提高设计能力。在设计语言中,由于VHL和VERILOGHDL是目前通用的设计语言,在设计大系统时,不够方便直观,所以需要进一步完善。电子产品随着技术的进步,更新换代日新月异,而掌握电子产品开发研制的动力源EDA技术,是我们国家工程技术人员不可推卸的责任,因为中国的设计公司大多还处在发展的初级阶段,所使用的设计工具都是几年前国外的主流工具。132VHDL语言的特点VHDL语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用,它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。归纳起来,VHDL语言主要具有以下优点11VHDL语言功能强大,设计方式多样VHDL语言具有强大的语言结构,只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。同时,它还具有多层次的电路设计描述功能。此外,VHDL语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现,这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL语言设计方法灵活多样,既支持自顶向下的设计方式,也支持自底向上的设计方法;既支持模块化设计方法,也支持层次化设计方法。2VHDL语言具有强大的硬件描述能力VHDL语言具有多层次的电路设计描述功能,既可描述系统级电路,也可以描述门级电路;描述方式既可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述,也可以采用三者的混合描述方式。同时,VHDL语言也支持惯性延迟和传输延迟,这样可以准确地建立硬件电路的模型。VHDL语言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据类型。VHDL语言既支持标准

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