endeda四层电梯控制器

目录1绪论111中国电梯的现状及发展趋势112EDA技术简介313硬件描述语言（VHDL）42设计电梯控制器的目的与要求521设计目的522设计要求53电梯控制器的综合设计531电梯控制器功能要求532电梯控制器设计方案633电梯控制器实体设计834电梯控制器结构体设计935电梯控制器程序设计说明104总结175参考文献19附录201绪论随着EDA技术发展和应用领域的扩大与深入，EDA技术在电子信息、通讯、自动控制及计算机应用等领域的重要性突出。随着技术市场与人才市场对EDA的需求不断提高，产品的市场需求和技术市场的要求也必然会反映到教学领域和科研领域中来。因此学好EDA技术对我们有很大的益处。EDA功能强大，一台计算机、一套EDA软件和一片或几片大规模可编程芯（CPLD/FPGA或ISPPAC），就能完成电子系统的设计。EDA技术涉及面广，内容丰富，但在教学和技术推广层面上，应用较为广泛的是基于可编程器件的EDA技术，它主要包括如下四大要素1大规模可编程器件，它是利用EDA技术进行电子系统设计的载体；2硬件描述语言，它是利用EDA技术进行电子系统设计的主要手段；3软件开发工具，它是利用EDA技术进行电子系统的智能化的自动化设计工具；4实验开发系统，它是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。电梯行业也随着科技的发展，不断地出现在人们生活的各个场所，因此，对电梯控制器的设计是一个很实用的例子，对我们掌握EDA技术的应用也有很大的帮助。11中国电梯的现状及发展趋势111中国电梯市场的现状近年来，随着中国房地产业的快速发展，与之配套的电梯生产制造业也经历了迅猛发展的阶段，电梯产量保持了每年20以上的增长速度。我国电梯的出口年均增长率将保持在35以上，电梯行业逐步成为国内比较重要的行业。随着我国经济持续增长、城镇化建设的加速和房地产行业的进一步发展，对电梯的需求越来越大。估计未来50年中国新增住房面积将达到200亿平方米。国家规定20米以上高楼就应安装电梯，因此未来电梯最大的市场就是住宅市场。此外，机场、商场、地铁等大型公共设施建设对自动扶梯、观光电梯等电梯的需求量也十分可观。中国不但是全球最大的电梯市场，而且形成了全球最强的电梯生产能力，但由于缺乏自主的知识产权和核心技术，产品的附加价值不高，利润非常低。目前，全国注册电梯企业约400家，但美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、日本三菱、日立、富士达、东芝等13家大型外企占据中国电梯市场75左右的份额，而自主品牌只占25左右的市场份额。电梯作为终端消费品，品牌在市场竞争中的作用非常明显。品牌往往成为人们在选择电梯产品时的重要考虑因素，电梯生产要想建立良好的品牌并获得市场的认可，也必须经过市场一定时间的不断考验。面对外资巨头的贴身进逼，我国电梯品牌在服务和营销上难以匹敌，其生存状况不容乐观。112电梯的发展方向电梯作为垂直方向的交通工具，在高层建筑和公共场所已经成为重要的建筑设备而不可或缺。电梯产业的前景和走势随着社会的需求而悄然发生着改变，除了考虑安全、舒适、豪华装修等要求外，市场对新一代的绿色电梯、节能电梯和智能电梯的需求越来越旺盛。国内外电梯企业顺应市场需要，加大研发投入，都准备在未来新概念电梯产业发展中占得先机。1电梯的节能和环保“绿色”已成为21世纪的主流色调，一个全球性的绿色市场为企业的发展提供了广阔的空间，当今社会谁先推出绿色产品，抢占绿色营销市场，谁就能掌握竞争的主动权。有关人士预言，绿色环保电梯将成为今后电梯市场的主导性产品，谁拥有了它的核心技术，谁就在竞争中获得了优势。老式电梯噪音、占用空间、耗能等形成的危害积累起来是相当大的，因此，在城市环保社区建设中，如何尽量减少电梯对环境的危害是相当重要的课题之一。目前，我国市场每年销售各种类型的电梯达45万部，如果这些电梯全部实现环保化，其环境效益是难以估量的。电梯现在越来越多，在对宾馆、写字楼等的用电情况调查统计中，电梯用电量占总用电量的1725以上，仅次于空调用电量，高于照明、供水等的用电量。负责任的开发商，都会为业主的长远利益着想，购买节能型的电梯。近年来，节能型电梯的市场越来越好，电梯制造商也越来越注重电梯的“节能”性能。在上世纪90年代，在电梯驱动上开始应用变频调压调速系统，能耗大幅度地降低。近几年，又出现了永磁同步电机驱动的电梯，能耗又有大幅度的下降，有的电梯还能利用太阳能对机房的电能进行补充。2电梯的智能化随着城市化的高速发展，越来越多的摩天大楼拔地而起。就摩天大楼的高度而言，不仅受建筑技术上的制约，而且还有电梯升高方面的困惑，因而，在摩天大楼日益完备智能化的趋势中，电梯的智能化也不容忽视。它不仅是人们上上下下的代步工具，同时，也是摩天大楼智能化的一个重要标志。尽管电梯在摩天大楼中只是个细节，但电梯智能化程度的高低却决定着它服务质量的优劣。因而，电梯的智能化在一定程度上反映出智能大厦的智能程度。计算机技术，通讯技术与控制技术的发展使大厦的智能化成为现实，而电梯是智能建筑中的重要交通工具，其技术发展及智能化程度也倍受世人关注。智能化的电梯要与智能大厦中所有自动化系统联网，如与楼宇控制系统、消防系统、保安监控系统等交互联系，使电梯成为高效优质、安全舒适的服务工具。12EDA技术简介EDA是电子设计自动化（ELECTRONICDESIGNAUTOMATION）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（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。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。121EDA技术的特点利用EDA技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点用软件的方式设计硬件；用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；设计过程中可用有关软件进行各种仿真；系统可现场编程，在线升级；整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。因此，EDA技术是现代电子设计的发展趋势。122EDA设计流程典型的EDA设计流程如下1）文本/原理图编辑与修改。首先利用EDA工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本或图形方式表达出来。2）编译。完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译，变成特定的文本格式，为下一步的综合做准备。3）综合。将软件设计与硬件的可实现性挂钩，是将软件转化为硬件电路的关键步骤。4）行为仿真和功能仿真。利用产生的网表文件进行功能仿真，以便了解设计描述与设计意图的一致性。5）适配。利用FPGA/CPLD布局布线适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。适配报告指明了芯片内资源的分配与利用、引脚锁定、设计的布尔方程描述情况。6）功能仿真和时序仿真。7）下载。如果以上的所有过程都没有发现问题，就可以将适配器产生的下载文件通过FPGA/CPLD下载电缆载入目标芯片中。8）硬件仿真与测试。13硬件描述语言（VHDL）VHDLVERYHIGHSPEEDINTEGRATEDCIRCUITHARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGE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（或称可是部分,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。1）用VHDL代码而不是用原理图进行设计，意味着整个电路板的模型及性能可用计算机模拟进行验证。2）VHDL元件的设计与工艺无关，与工艺独立，方便工艺转换。3）VHDL支持各种设计方法，自顶向下、自底向上或者混合的都可以。4）可以进行从系统级到逻辑级的描述，即混合描述。5）VHDL区别于其他的HDL，其代码在不同的系统中可交换建模。2设计电梯控制器的目的与要求21设计目的1在设计中理解EDA技术并掌握VHDL硬件描述语言的设计方法和思想。2通过学习的VHDL语言结合电子电路的设计知识理论联系实际，掌握所学的课程知识和基本单元电路的综合设计应用。3通过对实用电梯控制系统的设计，巩固和综合所学知识，提高设计能力，提高分析、解决计算机技术实际问题的独立工作能力，并在设计中体会硬件编程的流程和思路，为以后工作和发挥技术打下基础。22设计要求电梯控制器是控制电梯按顾客要求自动上下的装置。本文采用VHDL语言来设计实用四层电梯控制器，其代码具有良好的可读性和易理解性，源程序经A1TERA公司的QUARTUSII软件仿真。通过对四层电梯控制器的设计，可以发现本设计有一定的扩展性，而且可以作为更多层电梯控制器实现的基础。3电梯控制器的综合设计31电梯控制器功能要求在本课程设计中使用ALTERA公司的EP2C35系列的FPGA芯片，利用SOPCNIOSIIEP2C35开发板的资源，实现全自动的电梯控制器1）每层楼有上、下请求按钮，电梯内部有到达层数请求按钮，有指示电梯到达层数指示。2能记忆电梯内外所有请求，并能依一定规则响应，响应后自动消除请求电梯运行规则当电梯上行时，只响应比电梯高的层的请求，从下至上依次响应，如更高层有下行请求，则上升直最高层，电梯下行则反之。没有请求则电梯自动停在第1层。32电梯控制器设计方案控制器的功能模块如图1所示，包括主控制器、分控制器、楼层选择器、状态显示器、译码器和楼层显示器。乘客在电梯中选择所要到达的楼层，通过主控制器的处理，电梯开始运行，状态显示器显示电梯的运行状态，电梯所在楼层数通过译码器译码从而在楼层显示器中显示。分控制器把有效的请求传给主控制器进行处理，同时显示电梯的运行状态和电梯所在楼层数。由于分控制器相对简单很多，所以主控制器是核心部分。图1电梯控制器原理图电梯控制器采用状态机来实现，思路比较清晰。可以将电梯等待的每秒钟以及开门、关门都看成一个独立的状态。由于电梯又是每秒上升或下降一层，所以就可以通过一个统一的1秒为周期的时钟来触发状态机。根据电梯的实际工作情况，可以把状态机设置10个状态，分别是“电梯停留在第1层”、“开门”、“关门”、“开门等待第1秒”、“开门等待第2秒”、“开门等待第3秒”、“开门等待第4秒”、“上升”、“下降”和“停止状态”。各个状态之间的转换条件可由上面的设计要求所决定。外部按键请求信号寄存器状态寄存器内部软件执行机构外部硬件执行机构图2总流程图总流程图初始化判定电梯运行方向是否有请求等待电梯运行楼层检测否电梯停止目标层与本层是否同层是是否目标层开门延时关门是否停止运行是否是否是否停止图3电梯控制主流程图33电梯控制器实体设计首先考虑输入端口，一个异步复位端口RESET，用于在系统不正常时回到初始状态；在电梯外部，必须有升降请求端口，一层最低，不需要下降请求，四层是最高层。不需要有上升请求，二层与三层则上升，下降请求端口都有；在电梯内部，应该设有各层停留的请求端口；一个电梯时钟输入端口，该输入时钟以1秒为周期，用于驱动电梯的升降及开门关门等动作；另有一个是按键时钟输入端口，时钟频率比电梯时钟高。其次是输出端口，有升降请求信号，就得有一个输出端口来指示请求是否被响应，有请求信号以后，该输出端口输出逻辑1，被响应以后则恢复逻辑0；同样，在电梯内部也应该有这样的输出端口来显示各层停留是否被响应；在电梯外部，需要一个端口来指示电梯现在所处的位置；电梯开门关门的状态也能用一个输出端口来指示；为了观察电梯的运行是否正确，可以设置一个输出端口来指示电梯的升降状态。图4电梯控制系统图在端口的定义中定义POSITION时选用的是整型数据类型（INTEGRER），主要是为了在电梯运行是便于观察。整型直接可以看出电梯运行是楼层的变化，在第一层就显示1，第二层就显示2，很直观。当然，POSITION的定义也可以用标准逻辑矢量（STD_LOGIC_VECTOR）来定义，但是如果选用标准逻辑矢量，在电梯运行时就不是那么好观察。这里是四层的电梯控制器，那么只需定义一个两位的就足够显示了。”00”的时候对应电梯的第一层，”11”的时候就对应第四层。但是”11”的十进制值为3，没有和层次显示的第四层想对应起，所以就放弃选用标准逻辑矢量来定义POSITION，而选用的整型。楼层请求提前关门关门中断清除报警请求信号输入模式时钟CLK控制模块请求信号显示运行状态显示所在楼层显示门控制信号输出显示模块34电梯控制器结构体设计首先说明一下状态。状态机设置了10个状态，分别是电梯停留在1层STOPON1、开门DOOROPEN、关门DOORCLOSE、开门等待第1秒DOORWAIT1、开门等待第2秒DOORWAIT2、开门等待第3秒DOORWAIT3、开门等待第4秒DOORWAIT4、上升UP、下降DOWN和停止STOP。在实体说明中定义完端口之后，在结构体个之间需要有如下的定义语句，来定义状态机。TYPELIFT_STATEISSTOPON1,DOOROPEN,DOORCLOSE,DOORWAIT1,DOORWAIT2,DOORWAIT3,DOORWAIT4,UP,DOWN,STOP电梯的10个状态SIGNALMYLIFTLIFT_STATE定义为LIFT类型的信号MYLIFT在结构体中，设计了两个进程互相配合，一个状态机进程作为主要进程，另外一个是信号灯控制进程作为辅助进程。状态机进程中的很多判断条件是以信号灯进程产生的信号灯信号为依据的，而信号灯进程中信号灯的熄灭又是有状态机进程中传出CLEARUP和CLEARDN信号来控制。在状态机进程中，在电梯上升状态中，通过对信号灯的判断，决定下一个状态是继续上升还是停止；在电梯下降状态中，也是通过对信号灯的判断，决定下一个状态是继续下降还是是停止；在电梯停止状态中，判断是最复杂的，通过对信号的判断，决定电梯是上升、下降还是停止。在信号灯控制进程中，由于使用了专门的频率较高的按键时钟，所以使得按键的灵敏度增大，但是时钟频率不能过高，否则容易使按键过于灵敏。按键后产生的点亮的信号灯逻辑值为1用于作为状态机进程中的判断条件，而CLEARUP和CLEARDN信号为逻辑1使得相应的信号灯熄灭。表1控制信号灯的译码电路说明BUTTONCLK按键时钟LIFTCLK电梯时钟RESET异步复位信号F1UPBUTTON第一层上升请求35电梯控制器程序设计说明351端口、寄存器设计说明（1）由功能要求得到本程序设计的端口必须包括输入端口时钟（CLK，频率为2HZ）超载（FULL）关门中断（DENG）提前关门（QUICK）清除报警（CLR）电梯外的上升请求信号（C_U1,C_U2,C_U3）电梯外的下降请求信号（C_D2,C_D3,C_D4）电梯内的请求信号（D1,D2,D3,D4）F2UPBUTTON第二层上升请求F3UPBUTTON第三层上升请求F2DNBUTTON第二层下降请求F3DNBUTTON第三层下降请求F4DNBUTTON第四层下降请求FUPLIGHT上升指示灯（1到4）FDNLIGHT下降指示灯（1到4）STOP1BUTTON第一层到站请求STOP2BUTTON第二层到站请求STOP3BUTTON第三层到站请求STOP4BUTTON第四层到站请求STOPLIGHT停止指示灯（1到4）POSITION电梯位置（1到4）DOORLIGHT门灯到达楼层信号（G1,G2,G3,G4）。输出端口电梯门控制信号（DOOR）电梯所在楼层显示（LED）电梯外上升请求信号显示（LED_C_U）电梯外下降请求信号显示（LED_C_D）电梯内请求信号显示（LED_D）看门狗报警信号（WAHAHA）电梯运动方向显示（UD）超载警告信号（ALARM）电机控制信号（UP,DOWN）图5电梯控制器端口分布图（2）程序要求的寄存器（中间信号）包括电梯内请求信号寄存信号（D11,D22,D33,D44）电梯外上升请求信号寄存信号（C_U11,C_U22,C_U33）电梯外下降请求信号寄存信号（C_D22,C_D33,C_D44）分频信号（Q）关门延时计数器（Q1）看门狗计数器（Q2）电梯内外请求信号寄存器（DD,CC_U,CC_D,DD_CC）开门使能信号（OPENDOOR）电梯运动方向信号寄存器（UPDOWN）预备上升、预备下降预操作使能信号（EN_UP,EN_DW）352模块设计说明本程序由三个基本模块组成，包括调用VHDL库模块、实体设计模块和结构体设计模块。而在结构体模块中又内嵌有进程执行单元。（1）调用VHDL库使用LIBRARY语句，本程序应用了VHDL库中的“通用IEEE库”和“标准STD库”。LIBRARYIEEEUSEIEEESTD_LOGIC_1164ALLUSEIEEESTD_LOGIC_UNSIGNEDALLUSEIEEESTD_LOGIC_ARITHALL（2）ENTITY实体设计模块ENTITYZXISPORTCLKINSTD_LOGIC时钟信号（频率为2HZ）FULL,DENG,QUICK,CLRINSTD_LOGIC超载、关门中断、提前关门、清除报警信号C_U1,C_U2,C_U3INSTD_LOGIC电梯外的上升请求信号C_D2,C_D3,C_D4INSTD_LOGIC电梯外的下降请求信号D1,D2,D3,D4,INSTD_LOGIC电梯内的请求信号G1,G2,G3,G4INSTD_LOGIC到达楼层信号DOOROUTSTD_LOGIC_VECTOR1DOWNTO0电梯门控制信号LEDOUTSTD_LOGIC_VECTOR4DOWNTO0电梯所在楼层显示（数码管显示）LED_C_UOUTSTD_LOGIC_VECTOR3DOWNTO0电梯外上升请求信号显示LED_C_DOUTSTD_LOGIC_VECTOR3DOWNTO0电梯外下降请求信号显示LED_DOUTSTD_LOGIC_VECTOR3DOWNTO0电梯内请求信号显示WAHAHAOUTSTD_LOGIC看门狗报警信号UD,ALARMOUTSTD_LOGIC电梯运动方向显示，超载警告信号UP,DOWNOUTSTD_LOGIC电机控制信号和电梯运动ENDZX（3）ARCHI结构体设计模块和PROCESS进程执行单元ARCHITECTUREBEHAVOFZXISSIGNALD11,D22,D33,D44STD_LOGIC电梯内请求信号寄存信号SIGNALC_U11,C_U22,C_U33STD_LOGIC电梯外上升请求信号寄存信号SIGNALC_D22,C_D33,C_D44STD_LOGIC电梯外下降请求信号寄存信号SIGNALQINTEGERRANGE0TO1分频信号SIGNALQ1INTEGERRANGE0TO4关门延时计数器SIGNALQ2INTEGERRANGE0TO9看门狗计数器SIGNALDD,CC_U,CC_D,DD_CCSTD_LOGICVECTOR4DOWNTO0电梯请求信号寄存器SIGNALOP