基于FPGA的四层电梯控制系统设计毕业论文.doc

大连海事大学大连海事大学 毕毕 业业 论论 文文 二二 一四一四 年年 六六 月月 装 订 线 装 订 线 基于 FPGA 的四层电梯控制系统设计 专业班级 电子信息工程 10 1 班 姓 名 刘刊儒 指导老师 严 飞 信息科学技术学院 I 摘摘 要要 随着科技的发展 电梯早在上个世纪就已进入人们的生活 对于电梯的控 制 传统的方法是使用继电器 接触器控制系统进行控制 随着 EDA 技术的发 展 FPGA 已广泛应用于各项电子设计中 本设计即利用 FPGA 来实现对电梯 控制系统的设计 本文基于 VHDL 即超高速集成电路硬件描述语言开发的四层电梯控制系统 以 QuartusII 为开发环境 最终在 EDA 实验箱上实现四层电梯控制系统的基本 功能 其功能包括 显示电梯楼层数 响应楼层请求 电梯升降指示 电梯开 关门 电梯开门超时报警等 本文采用模块化设计的方法 整个系统主要分为 五个模块 其中包括 请求信号显示模块 楼层检测模块 数码管楼层显示模 块 开关门控制模块及电梯运行模块 首先 通过 EDA 实验箱上的按键输入楼层请求 其中包括电梯内部楼层请 求 电梯外上升请求及电梯外下降请求 同时 利用 LED 灯及数码管显示输入 的请求 然后 遵照电梯运行时的方向优先原则及内部响应优先原则来逐次应 答请求 并且 如果开门时间过长 电梯将发出报警并自动关门 关键字 电梯控制 关键字 电梯控制 EDA FPGA QuartusII VHDL II ABSTRACT With the development of scientific technology lift has come into our daily life since last century The traditional approach for elevator control is to use relay contactor system While thanks to the improvement of EDA technology FPGA has been widely used in various of electronic design And this design uses the FPGA to realize the elevator control Firstly required information including the interior floor required information and external required information for rising and external required information for dropping will be input by button Secondly the required information will be show by LED And then following the principle of operation the elevator control system will respond required information one by one Finally there is an alarm for overtime This design is an elevator control system basing on VHDL In the development environment of Quartus the ultimate functions will be realize in test case of EDA The basic functions of this elevator include showing the current floor of elevator responding the required information of elevator controlling the door of elevator and alarming for overtime And this elevator control system use modularization design There are five block in this design including displaying required information detecting current floor displaying current floor by LED the control of the door and operation of elevator Key words elevator control system EDA FPGA Quartus II VHDL III 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1 1 电梯的起源 1 1 2 电梯的现状与发展 1 1 3 四层电梯控制系统的设计要求 2 第 2 章 开发技术基础 3 2 1 EDA 技术简介 3 2 1 1 EDA 技术基本概述 3 2 1 2 EDA 技术的基本特征 3 2 1 3 EDA 技术的主要内容 4 2 1 4 EDA 技术发展趋势 4 2 2 FPGA 简介 4 2 2 1 可编程逻辑器件 PLD 简介 4 2 2 2 FPGA 简介 5 2 3 VHDL 设计基础 6 2 3 1 实体 Entity 6 2 3 2 结构体 Architecture 6 2 3 3 配置 Configuration 6 2 3 4 包集合 Package 6 2 3 5 库 Library 7 2 4 开发软件 QuartusII 7 2 5 硬件介绍 ZY11EDA13BE 7 2 5 1 ZY11EDA13BE 实验系统的特点 7 2 5 2 ZY11EDA13BE 实验系统主板组成 8 第 3 章 四层电梯控制系统的设计 9 3 1 系统器件端口说明 9 3 2 请求信号响应模块 11 3 2 1 外部上升请求信号响应 11 3 2 2 外部下降请求信号响应 12 3 2 3 内部请求信号响应 14 3 3 电梯所处楼层检测模块 15 3 4 楼层数码管显示模块 16 3 5 开关门控制模块 17 3 6 电梯运行模块 18 第 4 章 四层电梯控制系统展示 21 IV 4 1 系统软件验证 21 4 2 四层电梯控制系统相应图片展示 22 第 5 章 总结 35 参考文献 36 致谢 37 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 1 第第 1 章章绪论绪论 1 1 电梯的起源电梯的起源 电梯 是指动力驱动 利用刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运行的梯 级 进行升降或者平行运送人 货物的机电设备 包括人 货 电梯 自动扶 梯 自动人行道 习惯上不论其驱动方式如何 将电梯作为建筑物内垂直交通 运输工具的总称 其实 人类利用升降工具运输货物 人员的历史非常悠久 早在公元前 2600 年 埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统 这套系统的基本 原理至今仍无变化 即一个平衡物下降的同时 负载平台上升 早期的升降工 具基本以人力为动力 英国科学家瓦特发明蒸汽机后 起重机装置开始采用蒸 汽为动力 紧随其后 威廉 汤姆逊研制出用液压驱动的升降梯 在这些升降 梯的基础上 一代又一代富有创新精神的工程师们在不断改进升降梯的技术 然而 安全性问题是人类一直在突破的问题 直到 1854 年 美国人伊莱 沙 格雷夫斯 奥的发明了人类历史上第一部安全升降梯 在纽约水晶宫举行 的世界博览会上 他向世人展示了这一伟大的伟大的发明 此后搭乘升降梯不 再是 勇敢者的游戏 了 升降梯在世界范围内得到广泛应用 1889 年 12 月 美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯 它采用直流电动机为动力 通 过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索 悬挂并升降轿厢 1 2 电梯的现状与发展电梯的现状与发展 随着社会的发展 越来越多高层建筑出现在人们的生活中 电梯作为高层 建筑中不可缺少的垂直运输设备 已然成为城市物质文明的一个重要标志 随 着电梯的普遍使用 电梯功能也在随之提高 其控制方式也在不断的改善 150 年来 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 一款款集纳了人类在机械 电子 光学等领域最新科研成果的新 型电梯竞相问世 冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉 人们的生活因此变得 更加美好 伴随经济的快速发展 我国的电梯行业正经历着一个高速发展期 据前瞻 网统计 我国电梯产量从 1990 年的 1 03 万台增长到 2010 年的 36 5 万台 年 复合增长率 19 5 国内电梯需求量从 2000 年的仅 3 72 万台增长到 2010 年 的 32 97 万台 到 2010 年底 我国电梯保有量超过 160 万台 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 2 1 3 四层电梯控制系统的设计要求四层电梯控制系统的设计要求 对于电梯的控制 传统的方法是使用继电器 接触器控制系统进行控制 随着 EDA 技术的发展 FPGA 已广泛应用于各项电子设计中 本设计即利用 FPGA 来实现对电梯控制系统的设计 本次设计的基于 FPGA 的四层电梯控制系统 要求按键输入楼层请求 各 楼层的上升下降请求及快速关门与延时关门 LED 灯显示按键请求的状况以及 电梯运行方向和电梯开关门状况 数码管显示电梯当前所在楼层 具体要求如下 1 每层电梯设有上升和下降请求开关 电梯内设有乘客到达层次的停站 请求开关 2 显示电梯当前所在楼层以及电梯运行模式 上升或下降 3 电梯每 3 秒升降一层 电梯到达有停站请求的楼层后 电梯门开 开门指示灯亮 开门 5 秒后 电梯关门 关门指示灯灭 电梯继续运行 直到 完成所有请求信号 4 电梯运行中 遵循电梯内部楼层请求响应优先的原则 响应请求信号 时遵循运行方向优先的规则 当电梯处于上升模式时 优先响应比电梯所在位 置高的上楼信号 由下至上执行 若多个楼层都有下降请求 则直接到达有下 降请求的最高层 然后进入下降模式 当电梯处于下降模式时 电梯运行规律 与上升模式相反 5 电梯设有延时关门与快速关门功能 当启用延时关门时 电梯延时 3 秒关门 当启用快速关门电梯则 1 秒后立即关门 当电梯开门时间超过 10 秒 则报警灯亮且 2 秒后电梯自动关门 6 电梯初始状态为一层关门 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 3 第第 2 章章开发技术基础开发技术基础 2 1 EDA 技术简介技术简介 2 1 1 EDA 技术基本概述技术基本概述 EDA 技术是以计算机为工作平台 以 EDA 软件软件工具为开发环境 以硬 件描述语言为设计语言 以可编程逻辑器件为实验载体 以 ASIC SoC 芯片为 目标器件 以数字系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程 1 13 EDA 技术与传统的硬件技术以及软件技术有着很大的差别 它打破了计算 机软件以及硬件间的隔阂 使计算机软件和硬件之间的结合得以实现 设计效 率与产品性能互相融合 因此 它代表了数字电子设计技术和应用技术的发展 方向 2 1 2 EDA 技术的基本特征技术的基本特征 EDA 技术的广泛应用 是电子技术的最新发展方向 EDA 技术具备着自己 独特的优势 设计人员首先按照 自顶向下 的设计方法 对整个系统进行方 案设计和功能划分 然后采用硬件描述语言完成系统行为设计 最后通过综合 器和适配器生成目标器件 这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法 因 此 EDA 技术具备以下几个基本的特征 1 自顶向下 的设计方法 传统的电子设计技术采取的是 自底向上 的设计方法 这种设计方法不 仅效率低 易出错 而且成本很高 随着技术的发展 当今的 EDA 技术采取 自顶向下 的全新设计方法 在结构上对整体功能实现模块化 分块进行仿 真 纠错 这样有利于程序设计的修改 大大提高了设计的效率以及正确率 13 2 设计中采用硬件描述语言 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 HDL Hardware Description Language 是一种用于设计硬件电子系统的计算机语 言 通过利用硬件描述语言 利用软件编程的方式将硬件电路结构 电子系统 的逻辑功能连接起来 硬件描述语言的应用是现在的发展趋势 它可以大大的 缩小设计成本 减少研发的周期 不仅适用于小批量的生产 同时也适合于大 批量的产品的成产 因此 不仅在设计研发上 在工业生产中都得到了广泛的 应用 13 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 4 3 具有逻辑综合和优化功能 逻辑综合功能是指将高层次的抽象描述转化为低级别抽象描述的一种方法 即根据芯片制造商提供的基本电路单元库 将硬件描述语言描述的电路转换为 电路网表或者是一组逻辑方程 13 优化功能是指根据布尔方程等效的原则 利用逻辑综合生成的结果 采取 更小更快的综合结果代替一些复杂的单元 然后根据指定的目标将其映射成新 的网表或者一组逻辑方程 优化的作用是将电路设计的时延缩短到最小和有效 利用资源 几乎所有的 EDA 综合工具都可以利用约束条件对电路进行优化 4 具有开放性和标准化的软件架构 软件架构是一套配置使用的规范软件包 其提供给 EDA 开发的平台以及相 应的开发环境 同时 架构还包括了各种与数据库相关的服务 架构能将来自 不同厂商生产的工具软件进行优化组合 集成在一个方便管理的统一的环境下 这样有利与实现资源的优化配置以及资源共享 13 2 1 3 EDA 技术的主要内容技术的主要内容 EDA 技术涉及面广 从教学和实用的角度看 主要有以下四个方面内容 一是大规模可编程逻辑器件 二是硬件描述语言 三是软件开发工具 四是实 验开发系统 12 大规模可编程器件是利用 EDA 技术进行电子系统设计的载体 硬件描述语 言是利用 EDA 技术进行电子系统设计的主要表达手段 软件开发工具是利用 EDA 技术进行电子系统设计的智能化 自动化的设计工具 实验开发系统是利 用 EDA 技术进行电子系统设计的下载工具以及硬件验证工具 12 2 1 4 EDA 技术发展趋势技术发展趋势 随着半导体技术 计算机技术以及集成技术的快速发展 面对如今的电子 产品市场 设计师们需要更加实用 方便 快捷的 EDA 工具 这对 EDA 提出 了更高的要求 从而也促进了 EDA 技术的快速发展 从 EDA 技术的组成方面 来看 在可编程器件方面 朝着高密度 高速度 宽带宽方面发展 同时也朝 着系统化 混合化 低电压 低功耗方向发展 在开发工具上 要求具备混合 的信号处理能力 高效的仿真能力 高效的逻辑综合能力以及优化能力 系统 描述方式更加的简便化 高效化和统一化 13 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 5 2 2 FPGA 简介简介 2 2 1 可编程逻辑器件 可编程逻辑器件 PLD 简介 简介 可编程逻辑器件以 SRAM Flash 存储器或者 EEPROM 为存储基础 由用 户根据自己的需要对其进行编程 确定芯片的功能 然后应用在用户的电路系 统中的电子设计技术 随着科技的发展 可编程逻辑器件也在很多方面有了飞 速的发展 规模 性能 密度 这些发展使得它广泛应用与计算机 信号处理 自动化 集成电路设计等领域 2 3 可编程逻辑器件具有减小系统体积 增强逻辑设计的灵活性 提高系统的 处理速度和可靠性 缩短设计周期 降低系统成本 具有系统加密功能等特点 可编程逻辑器件的分类 1 按编程的性质分 一次性编程 PLD 可对次编程 PLD 在线可重配 置 ICR 器件 在系统编程 ISPPLD 2 按器件的结构分 可分为乘积项结构器件和查找表结构器件 3 按器件的集成程度分 可分为高密度可编程逻辑器件和低密度可编程 逻辑器件 2 2 2 FPGA 简介简介 1985 年 美国 Xilinx 公司率先推出了一种新型的 PLD 现场可编程门 阵列 FPGA 在功能上 FPGA 的功能由逻辑结构的配置数据决定 这些数据 配置存放在片外的 EPROM 或者其他的存储器上 在结构上 FPGA 在结构上由 逻辑功能模块排列成阵列 并有可编程的内部连接线连接这些功能模块 以用 于实现某些特定的逻辑功能 与 CPLD 相比 FPGA 可以实现更为复杂和更大规 模的逻辑电路 2 FPGA 由六个部分组成 分别是可编程输入 输出单元 基本可编程逻辑单 元 丰富的布线资源 嵌入式块 RAM 内嵌专用硬核以及底层嵌入功能单元 1 可编程输入 输出单元 该单元为芯片和外部电路的接口 可以完成 不同电气特性下的输入输出的匹配 3 2 基本可编程逻辑单元 该单元式可编程逻辑器件的核心 实现可编程 逻辑器件最基本的功能 也可以根据设计的灵活性改变它的内部连接和配置 以实现不同的逻辑功能 3 3 丰富的布线资源 布线资源是器件内部非常重要的连接渠道 连接着 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 6 驱动功能以及数据的传输速度 FPGA 有着非常丰富的布线资源 它们从工艺 长度 宽度位置上被分为不同的等级 有专用的 有公用的 3 4 嵌入式块 RAM 采用嵌入式块 RAM 大大扩展了 FPGA 的使用灵活 性和应用范围 3 5 内嵌专用硬核 内嵌的专用内核主要指那些通用性相对较弱的功能单 元 FPGA 中的内嵌专用内核主要是为了实现某些特定功能开发的 3 6 底层嵌入功能单元 它主要是指由生产商在出产前嵌入在 FGPA 中的 一些通用程度较高的功能模块 3 2 3 VHDL 设计基础设计基础 一个完整的 VHDL 语言程序一般情况下包括 5 个部分 实体 Entity 结构体 Architecture 配置 Configuration 包集合 Package 库 Library 2 3 1 实体 实体 Entity 任何一个 VHDL 程序必须包含并且只能有一个实体 实体是用于描述所设 计芯片的外观特性 它是 VHDL 的首要设计单元 实体是程序中最重要的几个 部分之一 其中定义了 VHDL 所描述的数字逻辑电路的外部接口 它相当于一 段程序的外部视图 有输入输出的端口 也有参数的定义 相同的器件可以有 不同的实现 但是只能对应一个实体 12 2 3 2 结构体 结构体 Architecture 结构体用于描述所设计芯片的逻辑功能 它用于描述系统的数据流程 系 统的行为 以及系统的数据构成形式 在该部分 VHDL 语句的主要功能是指明 所设计的芯片实现什么具体的功能 以及元件的内部联系和连线 通常情况 结构体对于输入输出的关系有三种方式进行描述 行为描述 寄存器传输描述 和结构描述 不同的描述方式仅仅是体现在所编写的语句上 其结构体的构造 是完全相同的 其实结构体的功能描述共有 5 种 信号赋值语句 块 BLOCK 语句 进程 PROCESS 语句 元件例化 COMPONENT 语句和程序调用语句 16 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 7 2 3 3 配置 配置 Configuration 配置用于从库中选取所需要单元来组成系统设计的不同规格的不同版本 使被设计系统的功能发生改变 配置语句用来描述层与层之间的连接关系以及 实体与结构体之间的连接关系 在复杂的 VHDL 工程设计中 设计者可以利用这 种配置语句来选择不同的结构体 使其与要设计的实体相对应 或者为例化的 各元件实体配置指定的结构体 在仿真设计中 可以利用配置来选择不同的结 构体进行性能对比试验 以得到性能最佳的设计方案 13 2 3 4 包集合 包集合 Package 程序包主要用于存放各设计模块能共享的数据类型 常数 子程序等 它 主要由两个部分组成 程序包首 程序包体 程序包首用于说明程序包中所定 义的常量 数据类型 过程首 函数首以及元件定义 程序包体主要是对程序 包体部分所定义的函数首和过程首所对应的函数体和过程体进行说明 在 VHDL 程序中 程序包不是必需的 程序包首可以独立的定义和使用 13 2 3 5 库 库 Library 在 VHDL 设计中 为了提高便捷性以及使用的规范性 必须将一些常用的 预先定义的数据类型 子程序等存放在一起 以供调用 这就是库 因此 库 就是经编译的数据的集合 它可以存放实体定义 程序包定义 构造体定义以 及配置的定义 库包含了 5 种 IEEE 库 STD 库 WORK 库 VITAL 库以及用户 自定义库 需注意的是 在 VHDL 语言中 库的说明语句总是放在实体单元前面 即一段 VHDL 程序的开始一定是库说明语句 由于库是程序包的集合 因此 库 的调用其实就是程序包的使用 12 2 4 开发软件开发软件 QuartusII QuartusII 是 Altera 公司推出的新一代 FPGA CPLD 开发软件 适合于大规 模复杂的逻辑电路设计 它是 Altera 公司的第 4 代可编程逻辑器件集成开发环 境 提供了从设计输入到器件编程的全部功能 1 本次设计是在 QuartusII9 0 环境下进行的 QuartusII9 0 是 Altera 公司 于 2009 年推出的新一代 PLD 开发集成环境 可在多种平台运行 具有开放性 多平台 与结构无关 完成集成化 丰富的设计库 模块化工具 支持多种 HDL 语言 易学习 易操作等特点 QuartusII 提供了方便的实体设计 快速的 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 8 编译处理以及编程功能 是目前 FPGA CPLD 开发工具中较为理想的综合 仿真 软件 1 QuartusII 是 EDA 技术的一个综合性平台 运用 EDA 技术设计系统的工作 流程如图 2 2 所示 应用 QuartusII 软件 可以完成所有的设计工作 2 5 硬件介绍 硬件介绍 ZY11EDA13BE 2 5 1 ZY11EDA13BE 实验系统的特点实验系统的特点 1 采用主板 A 基本实验系统 适配板 扩展板 的结构 板是一个标准 配置系统 是一个最简 EDA 工具系统 包含了核心芯片 A EP1K30QC208 在 主板系统基础上扩展了不同系统 比如主板 单片机 扩展板构成单片机系统 以及主板 扩展 CPLD FPGA 等多重系统 11 2 主板中所有 I O 口开放 主芯片的 I O 口分为三个部分使用 三个部 分的 I O 口无重合 第一部分连接到外部资源 数码管 译码器 时钟源 液 晶 LCD LED 按键 开关等 第二部分连接到试配板接口 第三部分连接到 扩展版接口 11 3 数字 EDA 与模拟 EDA 混合实验与开发 除了主板的模数转换实验 如 果配以模拟 EDA 器件适配板 就能在主板系统上完成模拟 EDA 实验或模数混合 实验的开发 18 4 编程下载通用性强 主板系统含 FPGA CPLD 通用下载编程模块 可用 于对 Altera Lattice Xilinx 等多家国际著名的 PLD 公司几乎所有 isp 或现 场配置的 CPLD FPGA 进行编程下载 11 5 良好的混合电压 MV 兼容功能 绿色能源电子系统要求器件低功耗 低噪声和高电磁兼容性 因此低电压器件的使用将更加重要和普遍 如笔记本 电脑 嵌入式系统等 其中的主要器件皆为低电压器件 11 2 5 2 ZY11EDA13BE 实验系统主板组成实验系统主板组成 ZY11EDA13BE 实验系统主板 主要由以下几部分构成 通用编程模块 液 晶显示模块 数码管显示模块 A D D A 转换模块 LED 显示模块 数字可调 信号源 滤波模块 信号调节模块 逻辑笔模块 配置模块 模式选择模块 模拟信号源 4 4 键盘模块 开关按键模块 电源模块 分立元件模块 喇叭 模块 I O 口插孔 核心芯片 A 适配板 B 插座 扩展板 C 插座 40PIN 插座 11 本次设计中用到了通用编程模块即核心芯片 EPF1K30QC208 2 数码管显 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 9 示模块 LED 显示模块 4 4 键盘模块 开关按键模块 电源模块 喇叭模块 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 10 第第 3 章章四层电梯控制系统的设计四层电梯控制系统的设计 根据设计要求 此次四层电梯控制系统的设计包括请求信号响应 楼层检 测 当前楼层数码管显示 开关门控制 电梯运行五个模块 四层电梯控制系 统的整体流程图如图 3 1 所示 图图 3 13 1 四层电梯控制系统整体流程图四层电梯控制系统整体流程图 3 1 系统器件端口说明系统器件端口说明 本次设计全部使用 VHDL 语言编程 在程序中完成对各模块的设计以及整体 系统对各模块的调用 系统生成器件如图 3 2 所示 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 11 clk rst inner f1 inner f2 inner f3 inner f4 outer u1 outer u2 outer u3 outer d2 outer d3 outer d4 delay close led7s 6 0 up req 4 1 down req 4 1 inner req 4 1 u d alarm door 1 0 run lift inst1 图图 3 23 2 四层电梯控制系统生成器件四层电梯控制系统生成器件 端口信号说明 clk 系统时钟信号 rst 系统复位信号 inner f1 inner f4 分别为电梯内用户到 1 2 3 4 楼的请求信号 outer u1 outer u3 分别为 1 2 3 楼用户的请求上楼信号 outer d2 outer d4 分别为 2 3 4 楼用户的请求下楼信号 up req 用户上升请求楼层指示 down req 用户下降请求楼层指示 inner req 电梯内用户到达楼层请求信号 led7 七段数码管楼层显示信号 delay 延时关门信号 close 快速关门信号 door 门控信号 00 为关门 01 为等待关门 11 为开门 alarm 报警信号 u d 上升 下降指示 0 为下降 1 为上升 state 电梯运行状态指示 其中 state 2 1 为运行允许标志 0 为运行禁 止标志 state 1 1 为上行任务标志 0 为下行任务标志 state 0 1 为正在上行标志 0 为正在下行标志 current floor 当前所在楼层 door time 门开关控制计数信号 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 12 3 2 请求信号响应模块请求信号响应模块 请求信号灯的亮灭是根据该层是否有请求信号以及电梯的运行状态来决定 的 当该层有人请求时 则该层的请求信号灯亮 直到电梯响应该层的请求时 请求信号灯才灭 请求信号响应分为外部上升请求信号响应 外部下降请求信 号响应 内部请求信号响应三部分 3 2 1 外部上升请求信号响应外部上升请求信号响应 四层电梯控制系统的外部上升请求信号有 3 个 根据运行规律 采用逐层 判断的方法 先从 3 楼开始判断 最后到 1 楼 当有本层的外部上升请求信号 时 外部请求信号指示灯亮 当电梯响应了本层外部上升请求信号 则本层的 外部上升请求信号灯灭 外部上升请求信号流程图如图 3 3 所示 图图 3 33 3 外部上升请求指示灯亮灭转换流程图外部上升请求指示灯亮灭转换流程图 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 13 1 当 3 楼有外部上升请求时 3 楼外部上升请求指示灯亮 若电梯处于上升状态响应此上升请求 state 1 downto 0 11 或下降状态响应此上升请求 state 1 downto 0 10 则当电梯停止 run 0 且停在 3 楼时 3 楼的外部上升请求指示 灯灭 若电梯处于下降状态响应下降请求时 state 1 downto 0 00 3 楼 的内部请求和 3 楼的外部请求信号也可将电梯停在 3 楼 因此不能简单的通过 电梯是否停止来判断信号灯熄灭 因此电梯在这种状态下 只有当 2 楼没有外 部下降信号且 1 2 楼没有内部请求时 电梯停止 run 0 且停在 3 楼 3 楼 的外部上升信号指示灯才可以熄灭 若电梯处于上升状态来响应下降请求 state 1 downto 0 01 3 楼 的外部下降请求同样可以使电梯停在三楼 因此同样不能简单的通过电梯是否 停止来判断 3 楼外部上升请求指示灯的亮灭 因此电梯在这种情况的 只有当 2 楼没有外部下降请求时 电梯停止 run 0 且停在 3 楼 3 楼的外部上升请 求指示灯才可以熄灭 2 当 2 楼有外部上升请求时 同样的方法可以判断 2 楼是否有上升请求和控制指示灯的亮灭 3 当电梯有 1 楼上升请求时 1 楼上升请求指示灯亮 但由于 1 楼是最底层 不能往下运行 所以只要 1 楼外部有上升请求时 只需要判断电梯是否到达 1 楼且电梯停止运行 run 0 当响应完毕时 1 楼外部上升信号指示灯灭 3 2 2 外部下降请求信号响应外部下降请求信号响应 外部下降请求信号有 3 个 采用逐层判断的方法 先从 4 层开始判断 最 后到 2 楼 其流程图如图 3 4 所示 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 14 图图 3 43 4 下降请求指示灯亮灭转换流程图下降请求指示灯亮灭转换流程图 1 当 4 楼有外部下降请求时 由于 4 楼是最高层 不能往上运行 所以只要 4 楼外部有上升请求时 只 需要判断电梯是否到达 4 楼且电梯停止运行 当响应完毕时 4 楼外部下降信 号指示灯灭 2 当 3 楼有外部下降请求时 3 楼外部下降请求指示灯亮 若电梯处于下降状态响应下降请求 state 1 downto 0 00 或上升状态响应下降请求 state 1 downto 0 01 则当电梯停止运行 run 0 且停在 3 楼时 3 楼的外部下降请求 指示灯灭 若电梯处于上升状态响应上升请求时 state 1 downto 0 11 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 15 3 楼的内部请求和 3 楼的外部上升请求信号也可将电梯停在 3 楼 因此不能简 单的通过电梯是否停止来判断信号灯熄灭 因此电梯在这种状态下 只有当 4 楼没有内部请求时 电梯停止运行 run 0 且停在 3 楼 3 楼的外部下降信 号指示灯才可以熄灭 若电梯处于上升状态来响应下降请求 state 1 downto 0 01 3 楼的外部上升请求同样可以使电梯停在三楼 但由于 3 楼的外部 上升请求信号时 4 层电梯控制系统中可以有外部上升请求的最高层 因此在这 种状态下 当电梯停止运行 run 0 且停在 3 楼 3 楼的外部上升请求指示 灯即熄灭 3 当 2 楼有外部上升请求时 2 楼外部下降请求指示灯亮 若电梯处于下降状态响应下降请求 state 1 downto 0 00 或上升状态响应下降请求 state 1 downto 0 01 则当电梯停止运行 run 0 且停在 2 楼时 2 楼的外部下降请求 指示灯灭 若电梯处于上升状态响应上升请求时 state 1 downto 0 11 2 楼的内部请求和 2 楼的外部上升请求信号也可将电梯停在 2 楼 因此不能简 单的通过电梯是否停止来判断信号灯熄灭 因此电梯在这种状态下 只有当 3 4 楼没有内部请求且 3 楼没有外部上升请求时 电梯停止运行 run 0 且停 在 2 楼 2 楼的外部下降信号指示灯才可以熄灭 若电梯处于上升状态来响应 下降请求 state 1 downto 0 01 2 楼的外部上升请求同样可以使电梯 停在 2 楼 因此电梯在这种状态下 只有当电梯 3 楼没有外部上升请求时 当 电梯停止运行 run 0 且停在 2 楼 2 楼的外部上升请求指示灯即熄灭 3 2 3 内部请求信号响应内部请求信号响应 内部请求信号有 4 个 先判断是否有 1 楼内部请求 若有则 1 楼内部信号 指示灯亮 且保持到请求被响应 则 1 楼内部请求信号指示灯灭 用同样的方 法可以判断 2 4 楼的内部请求信号 若某层有内部请求 则该层的内部请求指 示灯亮 并保持到内部请求响应完毕 内部请求信号指示灯亮灭转换流程图如 图 3 5 所示 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 16 图图 3 53 5 内部楼层请求信号指示灯亮灭转换流程图内部楼层请求信号指示灯亮灭转换流程图 3 3 电梯所处楼层检测模块电梯所处楼层检测模块 当系统复位时 电梯显示楼层为 1 楼 当系统置位时 楼层显示信号根据 电梯运行方向和运行状态来决定 当电梯处于停运状态时 楼层信号保持当前 数值 当电梯运行时 若电梯向上运行则层数加 1 若电梯向下运行则楼层数 减 1 电梯的运行方向由后续的电梯运行程序来决定 根据设计要求 电梯每 秒升降一层 系统时钟选择 2HZ 因此设有计数器 当计数器到 6 时 3 秒时间 到 计数器的值恢复为 0 楼层显示则相应地加 1 或减 1 楼层检测流程图如图 3 6 所示 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 17 图图 3 63 6 楼层检测模块流程图楼层检测模块流程图 3 4 楼层数码管显示模块楼层数码管显示模块 表 3 1 为 7 段译码真值表 当输出端状态为 1 时表示该段亮 当输出端状 态为 0 时表示该段灭 数码管显示当前电梯所在楼层 即 current floor 表表 3 13 1 七段译码真值表七段译码真值表 输出笔状态显示 数字 abcdefg 10110000 21011011 31001111 41100110 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 18 3 5 开关门控制模块开关门控制模块 当 state 2 0 时 启动开关门控制 电梯门共有三个状态 分别为开 门 door 11 准备关门 door 01 和关门 door 00 状态 其中 一般 情况下开门时间为 4 秒 0 door time 8 准备关门状态为 1 秒 7 door time20 则电梯 开始报警 准备关门 并在 3 秒后自动关门 开关门控制流程图如图 3 7 所示 图图 3 73 7 开关门控制流程图开关门控制流程图 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 19 3 6 电梯运行模块电梯运行模块 电梯运行模块是控制系统的关键 这个模块中的很多判断条件是以信号灯 的状态为依据 而后根据本模块输出的电梯上升 下降 停止等状态信号反过 来又控制信号灯的状态 电梯运行时 遵循电梯内部请求优先响应的原则 同时响应请求信号遵循 运行方向优先原则 即 电梯处于上升模式时 电梯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 如更高层 有下楼请求时 则直接上升到有下降请求的最高楼接客 然后进入下降模式 当电梯处于下降模式时 电梯只响应比所在楼层低的下楼信号 由上至下依次 响应 直到最后一个上楼请求执行完毕 若更低楼层有上升请求 则直接下降 到有上升请求的最低楼接客 然后进入上升模式 电梯运行流程图如图 3 8 所 示 当系统复位时 电梯处于停止和等待的状态 1 当电梯在 1 楼时 若电梯停在 1 楼 run 0 先判断 1 楼是否有上升请求 若有 1 楼的外 部上升请求 则电梯开门关门 再判断 2 3 楼是否有外部上升请求或内部 2 4 楼的请求 若 2 3 楼有外部上升请求或有内部请求到达 2 4 楼 则电梯运行 run 1 此时电梯处于上升状态去应答上升请求 state 1 downto 0 11 最后判断 2 4 楼是否有外部下降请求 若 2 4 楼有外部下降请求 则电 梯运行 run 1 此时电梯处于上升状态去应答下降请求 state 1 downto 0 01 若电梯正在运行 run 1 当电梯处于下降状态时且 1 楼有上升请求或 有内部到达 1 楼的请求时 电梯停止运行并开门 2 当电梯在 2 楼时 当电梯停在 2 楼时 run 0 先判断 2 楼是否有外部上升或下降的请求 若电梯在 2 楼有外部上升或下降请求 则电梯开门 若电梯当前处于下降状态 state 0 0 则再判断电梯是否有内部 1 楼请求 若有内部请求去 1 楼 则电梯开始运行 run 1 电梯变为下降状态去响应下降请求 state 1 downto 0 00 再判断电梯是否有 1 楼的外部上升请求 若电梯有 1 楼外部 上升请求 则电梯开始运行 run 1 电梯变为下降状态去响应上升请求 state 1 downto 0 10 再判断电梯是否有 3 4 楼的内部请求或 3 楼的 外部上升请求 如果电梯内部有 3 4 楼请求或 3 楼有外部上升请求 则电梯开 始运行 run 1 此时电梯变为上升状态去应答上升请求 state 1 downto 0 11 最后判断是否有 3 4 楼的外部下降请求 若有 3 4 楼的外部下降请 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 20 求 则电梯开始运行 run 1 此时电梯变为上升状态去响应下降请求 state 1 downto 0 01 若电梯当前处于上升状态 state 0 1 则再判断电梯是否有 3 4 楼的内部请求或 3 楼的外部上升请求 如果电梯内部 有 3 4 楼请求或 3 楼有外部上升请求 则电梯开始运行 run 1 此时电梯变 为上升状态去应答上升请求 state 1 downto 0 11 再判断是否有 3 4 楼的外部下降请求 若有 3 4 楼的外部下降请求 则电梯开始运行 run 1 此时电梯变为上升状态去响应下降请求 state 1 downto 0 01 再判断 电梯是否有内部 1 楼请求 若有内部请求去 1 楼 则电梯开始运行 run 1 电梯变为下降状态去响应下降请求 state 1 downto 0 00 最后判断电 梯是否有 1 楼的外部上升请求 若电梯有 1 楼外部上升请求 则电梯开始运行 run 1 电梯变为下降状态去响应上升请求 state 1 downto 0 10 若电梯正在运行 run 1 则当电梯处于上升状态去完成上升请求时 state 1 downto 0 11 若 2 楼有外部上升请求 则电梯停运并开门 若电梯处于上升状态去应答下降信号时 state 1 downto 0 01 若 2 楼 有外部下降请求且 3 4 楼没有外部下降请求 则电梯停运并开门 若电梯处于 下降状态去应答下降信号时 state 1 downto 0 00 若 2 楼有外部下降 请求 则电梯停运并开门 若电梯处于下降状态去完成上升请求时 state 1 downto 0 10 若 2 楼有外部上升请求且 1 楼没有上升请求时 电梯停运并 开门 3 当电梯在 3 楼时 电梯运行状态与 2 楼类似 4 当电梯在 4 楼时 当电梯停在 4 楼时 run 0 先判断是否有 4 楼的外部下降请求 4 楼有 外部下降请求 则电梯开门 在判断 2 3 楼是否有外部下降请求或 1 3 楼的内 部请求 若 2 3 楼有外部下降请求或电梯内部有到 1 3 楼的请求时 则电梯 开始运行 run 1 此时电梯处于下降状态去完成下降信号 state 1 downto 0 00 最后判断电梯是否有 1 3 楼的外部上升请求 若 1 3 楼有 外部上升请求时 电梯运行 run 1 此时电梯处于下降状态去应答上升信号 state 1 downto 0 01 若电梯正在运行 run 1 当电梯处于下降状态且 4 楼外部有下降请求或 有到 4 楼的内部请求时 电梯停止运行并开门 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 21 图图 3 83 8 电梯运行流程图电梯运行流程图 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 22 第第 4 章章四层电梯控制系统展示四层电梯控制系统展示 4 1 系统软件验证系统软件验证 系统通过仿真后 根据 EDA 实验开发平台的实际情况 选择可编程逻辑器 件 CPLD FPGA 进行管脚分配 锁定管脚进行编译 将编译产生的 SOF 文件 通过下载电缆配置到硬件中 将目标板和并口通信线连接好 验证电子密码锁 的功能 该系统选择器件为 EP1K30QC208 2 管脚锁定对照表如表 4 1 所示 系统仿真图如图 4 1 所示 表表 4 14 1 信号与管教对照表信号与管教对照表 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 23 图图 4 14 1 系统仿真图系统仿真图 如图 4 1 当复位时 rst 1 电梯门关闭 door 00 电梯处于 1 楼 led7s 0000110 电梯停止运行 run 1 当有外部的 2 楼上升请求时 2 楼的外部上升信号指示灯亮 up req 2 1 电梯开始运行 run 1 电梯 上升 u d 1 3 秒后 电梯到达 2 楼 led7s 1011011 电梯停止运行 run 1 电梯开门 door 11 2 楼外部上升请求指示灯灭 up req 2 0 4 秒后电梯准备关门 door 10 再过 1 秒后电梯关门 door 00 4 24 2 四层电梯控制系统相应图片展示四层电梯控制系统相应图片展示 程序下载成功后 运行系统可得到展示结果 1 电梯复位 如图 4 2 所示 当复位时 电梯处于 1 楼停止的状态 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 24 图图 4 24 2 成果展示图成果展示图 1 1 电梯复位 电梯复位 2 电梯有 3 楼内部请求 如图 4 3 所示 当内部有 3 楼的请求信号时 3 楼的请求指示灯亮 上升 下 降指示灯亮 说明电梯在向上运行 run 运行指示灯亮 当电梯到达 3 楼时 3 楼指示灯灭 run 运行指示灯灭 电梯开门 门控指 示灯都亮 如图 4 4 所示 图图 4 34 3 成果展示图成果展示图 2 2 电梯在 电梯在 1 1 楼 内部有到楼 内部有到 3 3 楼的请求 开始上升楼的请求 开始上升 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 25 图图 4 44 4 成果展示图成果展示图 3 3 电梯上升到 电梯上升到 3 3 楼 开门楼 开门 3 电梯在 1 楼 2 楼 3 楼同时发出外部上升请求 如图 4 5 所示 当电梯在 1 楼时 2 楼 3 楼外部同时有向上请求时 电梯 2 楼 3 楼上升指示灯亮 上升 下降指示灯亮 run 运行指示灯亮 电梯先应答 2 楼的上升请求 然后再应答 3 楼的上升请求 如图 4 6 4 7 所示 图图 4 54 5 成果展示图成果展示图 4 4 电梯在 电梯在 1 1 楼 上升状态楼 上升状态 2 2 3 3 楼外部有上升请求楼外部有上升请求 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 26 图图 4 64 6 成果展示图成果展示图 5 5 上升状态 应答 上升状态 应答 2 2 楼上升请求 开门楼上升请求 开门 图图 4 74 7 成果展示图成果展示图 6 6 上升状态 应答 上升状态 应答 3 3 楼上升请求 开门楼上升请求 开门 4 电梯在 4 楼 2 楼 3 楼同时发出外部向下请求 如图 4 8 所示 当电梯在 4 楼时 2 楼 3 楼有外部下降请求时 2 楼 3 楼的 下降请求指示等亮 运行指示灯亮 上升 下降指示灯灭 电梯向下运行 电梯 先应答 3 楼的下降信号再应答 2 楼的下降