基于FPGA的电梯控制器设计

1、唐山学fitEDA技术 课程段计題 Q 基于FPGA飽电梯扯制丢设计 糸 （部）信息工程糸& 级 奴 名 李 号指导妆师2013年勺月71月_U_目共 1 周2013 年 1 月 10 qEDA技术 课程段计任务书-word资料设计题目.内求及要求谡讨题目:基于FPGA的电样按制森设计役计内求：设计一个三屋电境控制余，具体要求：门丿每层屯样设有上下请求开关，电榻输厢内设冇乘瘵列达层次的停誌诒求开关。(2)设有电绎所处住逍指示裝.迅及电昴运行恃况指示。(3；生色样戍于上升肘，只响应比电绎所疫後逍壽的上揍请求信号，直列呆后一 个上揍请求执行兜华，再进入下阵核式。(4)生色样处于下跆时，只响

2、应比电绎所庇佞辽低的下揍请求信号，直刊呆后一 个下揍请求执行兜华，冉进入上升核式。(5；电榻的初船状态为弟一搂层。(6)设计超我般警功能。议计要求：(1) 垠据任务要求确岌电路冬功能誤块；(2) 写出役计代码；(3；给出对序仿真结果和硬件调式结果；(4)黃后要有设计总结。二、畏计處姿料QuartusII欲件，EDA空验錯。王、要求的沒计成系(谣穩谡计说明韦、役计卖畅、图烦夺丿轶件仿真和硬件仿真结果；课程设计说朋书。B、进程安排周周4： 杳阅济料，上机编写幷调忒代码；周5：谍程设计篆辩并灵交很计说朗书。五、主要衆考脊州1 .Voknei A.Pedroni.V HDL数字电珞设计教程M 色子工业

3、出版社，2008.52 潘松，黄建业.EDA妓术卖用放程(笫二版丿M科学出版祝，2005.23 焦素牧EDA应用枝术M请华大学出版社，2002.4指导教师(签名八我研金主任(签名人课程演计成绩评走表出勤出勤夭数缺勤夭数成绩评出勤情况及设计过程表现（20分丿课设答辩20分丿设计成果（60分丿总成绩rwo分丿提问（算辩丿问题综 合 评指导教师签名：年月目1 ift12 EDA技术介绍22.1 EDA枝术简介22.2 EDA枝术的发曼23电梯控制器设计33.1电榻技制器设计总体框图33.2电梯技制器役计思路33.3电樟处于各楼层的具体分析43.4电榻外部端d具体说朗63.4.1岌义各个羯d63.4.

4、2引脚藏岌64仿真结果与说朗85总结10参考丈故11附录程序代码121当今社会，随着城市建设的不新发展，壽层建筑的不靳增多，电样作为壽层 建筑中垂直运行的交通工具已与人们的目常生活密不可分。目前电样控制糸统主 要有三种控制方无：继电路控制糸统'早期安装的电樟多住继电器技制糸统”八 FPGA/CPLD的控制糸统、微机控制糸统。继电麥控制糸统由于故障率需、可靠 性杀.桂制方式不灵焙以处谄耗功率大等缺点，目前已逐浙彼沟比，微机控制糸 统虽衣智能控制方面有较強的功能，但也存A抗扰性差，糸统设计复杂，一般维 修人员难以拿握其维修枝术等缺陷。而FPGA/CPLD控制糸统由于运行可靠性需， 使用维修

5、方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，信受人们重视等优点， 已经成为目前柱电样控制糸统中使用最多的控制方无，目前也7泛用于传统继电 器控制糸统的枝术改凌。随着EDA技术的快速发展，电子设计勺动化（EDA丿逐浙成为重要的设计手 段，己经/泛应用于栈拟与数字电路糸统等许多领城。采用EDA设计，拥有电 子糸统小型化.低功耗、壽可靠性.开发过程技脊小、周期短等优点，而且还可 以通过轶件编程对硬件结构和工作方无进行重构，使得硬件设计如轶件设计那般 方便快捷。本次设计就是应用EDA电子电路枝术来设计电样控制器，从而使用 一片芯片就可以卖现对电样的控制的。2 EDA技术介绍2.1 EDA技术简介EDA

6、是电子设计勺动化fElectronic Design Automation丿的缩写，淮.20世 纪90年代初从计算机辅助设计CCAD),计算机捕助制凌(CAM),计算机璃助 测沈(CATJ和计算机桔助工程CCAEJ的概念发嚴而来的。EDA枝术就是以计 算机为工具，设计EDA软件平台上，用硬件描述语t VHDL 成役计文件， 煞后由计算机勺动地屯成还辑编译、化简、分创、综合、优化、布局、布线和仿 真，直至对于特主目标芯片的适.配编译、逻辑映射和编程下栽等工作。EDA枝术是指以计算机为工作平台，融.合了应用电子技术、计算机枝术、传 息处理及智能化枝术的最新成果，进行电子尹的勺动设计。利用EDA工具

7、，电子设计师可以从概念、算岀.协议等开始设计电子 糸统，大量工作可以通过计算机兜成，并可以将电子尹阮从电路设计、性能分析 到彳殳计岀IC版图戎PCB版图的整个过程的计算机上勺动处理免成。2.2 EDA技术的发畏从目前的EDA枝术来看，其发袈趨势是欢府重视、使用普及、应用广泛、 工具多样、软件功能强丸。现准.对EDA的概念或苑畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航咗航天、 化工.矿尹.生炀、匪学、军事等各个领城，都有EDA的应用。flit EDA枝术 已在各丸公司.企事业单伐和科研教学部门广泛使用。例如A飞机制凌过程中， 从设计、性能测试及特性分析直到飞行栈拟，都可能涉及到EDA放术。EDA设

8、计可分为糸统级、电路级和场理实现级。庇EDA软件开发方面，目話主要集中在美国。但各国也正在努力开发相应 的工具。目本.韩国都有ASIC设计工具，但不对外开放。中国华大集成电路设 计中心，也提供IC设计软件，但性能不是很强。相信亦不久的将来会有更多更 好的设计工具4各地开抡并结果。据最新统计显示，中国和印度正在成为电子设 计勺动化领城发袈最快的两个市场，年夏合增长率分别达到了 50%和30%。3色梯控制器设计3.1亀棉控制器设计总体桓图图3-1总体框图电样控制器的功能栈块如图所示，包括主控制器、分控制器、棲层选择器. 状态显示器、译码器和搂层显示器。乘彖在电梯中逸挣所要列达的揍层，通过主 控制器

9、的处理，电样开始运行，状态显示赛显示电梯的运行状态，电梯所柱镂层 数通过译码薜译码从而亦揍层显示器中显示。分控制器把有效的请求传给主控制 器进行处理，同肘显示电梯的运行状态和电梯所往揍屋数。由于分推制衆相对简 单很多，所以主控制器是核心部分。3.2亀棉控制器设计思路本糸统的主要输入有电梯外上下控制按钮Button (其中Button(0)示一棲 电样外上升请求，Button。)表示二揍电梯外上升请求，Button(2)表示二接电梯 外下吟谕求，Button(3)示三搂电样外下舉请求丿；电梯内到达搂层控制按钮 floor (A中floor(O)在示请求到达一层，floor(1)哀示请求到达二层，

10、floor(2) 表示请求到达三层丿。糸统的输岀包括电样伐置标识position,表示电榻方前所柱搂层；电梯开门 关门显示按钮door ( door=1 示开门，door=0 示关门丿；电梯当話运行 状态按钮up_down (当up_down=1肘表示电梯处于上升状态，当up_down=0 肘表示电样处于下吟状杰J。糸统主要通过自前所牲镂层以及运行状态、后续请求判靳运行方式。电梯处 >4笫一层肘，当它收到二层电梯外上下揍谕求、三层电梯外下揍请求、一层电梯 内到达二层和三层请求肘，电样会按照指令上升到和应搂娱并开门、关门；若收 到一层电梯外上搂请求只做开门响应，随后根据使用者进入电梯后请求

11、进行响 应；其他请求不响应。当电样处亦笫二层肘，若糸统收列二层电梯外上下揍请求只做开门响应；若 收到三层电样外下棲死二层电样内到达三层请求，则做上搂响应、开门；若收到 一层电样外上棲或二层电样内到达一层请求，則做下揍揍响应并开门；其他请求 不响屁O当电样处亦笫三层肘，若它收列二层电梯外上下揍请求、一层电梯外上搂请 求、电梯内到达二层和一屋氓求肘，电梯会按照指令下吟列和应揍层并开门、关 门；若收列三层电梯外下揍请求只做开门响应，随后抿据使用者进入电梯后请求 进行响应；其他请求不旳应。若电样正处准.上升状态中收到外部请求，则只响应比当前所A棲层需的棲层 的请求，列达需要列达最壽揍层肘再响应低层请求

12、。若电樟正处在下吟状态中收 到外部请求，则只响应比当前所在揍层低的揍层的请求，到达需要到达最低搂层 肘冉响应壽层请求。3.3削梯处于各楼层的具体分析处于一镂肘，不管是电梯内戎电梯外，电梯都只可能接收到上升的请求信号。 此肘，电梯就进入预上升状恚，准备作上升运行，如果电樟没有接收到请求信号， 电样则4 一搂待机。图3 - 2电梯处于一楼处于二镂肘，电样则可能岀现三种情况：1 电样并没有接受到电样内或电样外的任何请求信号肘，电样则停留A当前 搂层。2电样接收到上升请求信号，进入预上升状态。3.电样棲收到下降请求信号，进入预下斧状态。图3-3电梯处于二楼处于三棲肘，不管电样内龙电样外电样都只可能接收

13、列下吟的请求信号。此 肘，电样就进入预下降状态，准备作下吟运行。如果电样没有接收到请求信号， 色様则停留4三搂。图3-4电梯处于三楼电样的运行规则确立后，需对整个控制程序的设计做一个流程规施。对程序 进行栈块化构思。根据VHDL语言的规则，程序必须由最基本的实体和结构体构 成。实体对挫制器的端d进行走义，结构体对各端d的行为进行描述。因此程序 运行禽经过以下浇程：VHDL库调用：确立控制器的端d及相关的孑存器；根据 色样运行规则，役计柑关运行描述；对色梯内信号进行处理。总浇程图如下图3 - 5总流程图3.4电梯外部端口具体说朗3.4.1走义各个靖口1. 肘钟信号(elk丿；2. 一棲电梯外人的

14、上升请求信号fButton0J,二揍电梯外人的上升谕求信号fButton1J ;二搂电样外人的下障请求信号CButton2J,三棲电梯外人 的下障请求信号(Button3J；3. 电样内人请求到达一搂的信号Cfllor0J,电樟内人请求列大二揍的信号(floor1J,电樟内人请求到大三接的信号ffloor2J；4. 电样技制复住信号freset；5. 电樟所在搂层显示(position3.0J；6. 电梯开门状态(door)；7. 电樟上下指示(up-down)；3.4.2引冲徴走3 - 1 ：输入引脚獄岌输入信号械定的引脚elkPIN (76)Button3PIN (68)Button2PI

15、N (69)Button1PIN (70)Button0PIN (73)floor2PIN (80丿floor1PIN (81Jfloor0PIN (82；resetPIN (83)warmPIN (57)输入共10个信号，elk%输入豚冲，提供肘钟，信号Button3为三棲外下 斧请求信号，Button2为二镂外下吟请求信号，Button1为二搂外上升错求信 号，Button0为一搂外上升请求信号；floor2%电榻内三层请求信号，floor1 为电梯内二屋请求信号，floor0为电梯内一娱请求信号；reset为复柱信号; warm为警告信号。表3 2 ：输出引脚械岌输出信号械定的引脚doo

16、rPIN (78)Position3PIN (46)Position 2PIN (45)Position1PIN (44)Position 0PIN (39)qPIN (94)up dow nPIN (95)输出信号共7个door为门信号,当door=T肘表示为门开，古door=©肘 在示门关；position3. position2. position.position0,为控制数码管 显示的输岀引脚；q为警告指示信号，当紘发警告warm肘q='1''则起栽，当q='O' 肘则没事；up_down为上下揍屋显示传号，当up_dow n=

17、9;1肘表示色梯正疫向 上运行，古up_down='(r肘表示电榻正淮.向下运行。4仿真结果与说朗b Master lire Bar1568ns <|>|Pohler. 1.29m Inteivat -1436m Sial: | ?8ttOre End P BOdOre)ps BO.O is ifOg 240,0 ns 520.0,5 W.O xs V».O ns 5«OOns MO.Om 73).0 os 9J3.0 as 住GO ns SO.Oiis iiiiiii15.65 isJr0 Xw X0rin、X【3；图4 - 1从一楼到三楼使用者柱一搂

18、给予色梯上升请求信号，即button0置1,随后门打开，即 door置仁 使用者症电榻内给予三揍请求信号，随后门关谥，即door置0,并 削梯上升，即up_down置仁 最后列达三揍后门林开，door置1。s 5).0 us 代Qis 2qQQ 疋 33).0 u 40Q. 0 as 49).0救,Qds KO.O us 720.0 u 80Q.O m 3;0.0 os ?6Q. 0 ns0III0I0III1I15.65 os匝C3O0CZS -di d Id 【01jLrLnwinnnnnjinnnnnnrmnruwinwmwwuinnnwwdtw3Mltn92图42三楼下一楼同时二楼有上

19、升请求使用者艮三棲给予色様一下阵请求，即button3置X随后门材开，即door 置1,使用者在电样内给予一层请求信号，随后门关诩，即door置0,当列达一 棲肘门林开，即door置X 随后门关乩door置0,列达二揍后，门林开，door置1.图4 - 3 楼到三楼在二楼时接另一人色梯上升过程中可以接收较需搂层的要求。开始肘有人按下一层外上升 (Button(0)=1 J按钮，电棉开门使用者进入并按下到达三层ffloor(2)=1 J请扎 此肘电梯关门并上升。在电样上升但未到达二层肘，二层外有人按下上揍 (Button(1)=1)请求，因此当电梯列达二层(position=2丿后停止并开门.待

20、二 层使用者进入后再屯成笫一个使用者的请求到达三层。b HteiTine Ba.15£5俗 JjPDiiler.3.03r% Irteivd竝62re Stat |ErtlA)?£fl?- ,w.ow 240.°- 32°pm吗w肥吗5岀小彻严吗g观吓鬥宀15 6S15.65 iisJ3>3-.lA> 厂电. 0Ai傅LiCLmrnmwuwuwinniwuwiwwuwumriRnmwiw<!>6doorA i1 1 1 1 1B flo(<rA lX m roi-T. .2AigAi IS0Ai；:1'1 ； 

21、9; 1 | ： ：i ： :;: i J. tiuiAhitrri5i:orxrnAirras<tAi018A1>)9trr.A I-iI图4- 4有警告信号存在时当有超栽信号肘警圾指示等亮起.，即q置1,电梯将一直在一揍。当警告信 号结束肘色様才正常运行。5总结这次EDA课程设计虽滋肘间较短但是收荻普丰，使得我对VHDL语t的理 解与应用能力得到了较丸的提升，让我认钗列只要深入学习，提升的空间永运是 存症的。在本次课程设计中&显了我的不足之处，比如软件运用不丈熟媒，对 VHDL语言语法有诗多不请楚的认识，使柱谍程设计中遇到緒多困难。但是好在 通过杳阅资抖和老师同学的奉助

22、得以鮮决，使课程设计顺利兜成。用VHDL硬件 描述语言的形无进行数字糸统的设计方便灵活，利用EDA软件进行编译优化仿 真圾丸地减少了电路设计肘间和可能发生的错谋。吟低了开发成本，这中设计方 法必将A未来的数字糸统设计中发挥越来越重的作用。动手实跋是理怡知识得以灵活运用的必要前提，色是今后走上工作岗伐之后 能够很好的屯成设计工作的枝术保证。只有遏到实际问題并根据勺己对课堂上荻 得的专业知识的理解来解决才能真正的提壽勺己的能力。这色提醒我A.平肘的学 习生活中不能一味埋头于课本知识，当今社会克争越来越激見，祝会对人才的要 求越来越全面，只有理论知识是运运不够的，必须靠卖跋作丈撐。肘间是检验真 理的

23、唯.一标准这句话准.这里同样适用。想要更加了解EDA枝术这一领城必然还 要经过更多的实跋与努力，了解更多的这方面的知识，与肘代共同进步，达到学 以玫用的效果。再次威谢A本次课程设计中奉助我免成设计的老师与同学们，没有你们的帮 肋我不能顺利的免成此次课程设计，琏.这里提前祝老师与同学新年快乐。参考文献1 .Voknei A.Pedroni.VHDL数字电路役计教程M电子工业出版祝，2008.52 潘松，黄继业EDA技术实用教程（笫二版丿M科学出版祝，2005.23 魚素牧.EDA应用技术M请华大学出版社，2002.44 梁延东主塢。电样控制枝术M。中国建筑工业出版祝，19975 李鼎培，生前电样

24、研制开发技术动恚J,中国电样，1995-word资料-word资料附录程序代码LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.all;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.all;ENTITY li ISP0RT( CLK: IN STD_L0GIC;reset,warm: IN STD_L0GIC;Button : IN STD_L0GIC_VECT0R(3 D0WNT0 0); -button(O) 为一层外上升请求，button(1)为二层外上升请求button(2)为二接外下阶谕求， Button(3)为三层外下舉诗求；floor : IN

25、STD_L0GIC_VECT0R(2 D0WNT0 0); -floor(O)为色梯内一层请求按钮，floor(1)为色梯内二层请求按钮，-floor(2)为电梯内三层请求按钮；position : OUT STD_L0GIC_VECT0R(3 DOWNTO 0);position表示电样当前住置信息；door : OUT STD.LOGIC; T为开门0为关门； up_down,q: OUT STD_LOGIC T为上棲，O为下棲;END li;ARCHITECTURE happen OF li ISTYPE State IS (S0,S1U,S1D,S2);S1U为二棲上状态，S1D为二棲

26、下状态;中间变量：古甫状态中间变量：下一状态SIGNAL current_state : State;SIGNAL next_state : State;SIGNAL up : STD.LOGIC;中间变量：上升下吟状态SIGNAL dor: STD.LOGIC;中问变量：开门关门状态BEGINP1:PR0CESS(CLK)状态转換进程；BEGINIF CLKEVENT AND CLK=11 THEN检测肘钟上升沿if warm=O*thencurrent_state <= next_state;END IF;end if;END PROCESS;P2:PROCESS(reset,elk

27、,curre nt_state,up,butt on,floor)VARIABLE button_var: STD_LOGIC_VECTOR( 3 DOWNTO 0);VARIABLE floor.var : STD_LOGIC_VECTOR( 2 DOWNTO 0);VARIABLE cat : STD_LOGIC;VARIABLE ca_time : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINIF reset = '1'THEN八复佞处理，初始状态为一层next_state <= SO;position v= "0001"

28、cat:='0'ca_time:="0000"up<=Z'dor<=0'button_var( 3 DOWNTO 0)=0000“；floor_var(2 DOWNTO 0):=“000”；ELSIF clkevent and clk=T THEN若无复佞信号，则将外部按钮信号存橋列7个变量之中;IF button(O) =TTHENbutton_var(0):=r； ELSE NULL;END IF;IFbutton(1) =TTHENbutton_var(1):=1B; ELSE NULL;END IF;IF button(2

29、) =1THENbutton_var(2):=r； ELSE NULL;END IF;IF button=1'THENbutton_var(3):=r； ELSE NULL;END IF;IFfloor(0)=r THEN floor_var(0):= f; ELSE NULL; END IF;IFfloor(1)=1 THEN floor_var(1):=r； ELSE NULL; END IF;IF floor(2)= r THEN floor_var(2):=1' ELSE NULL; END IF;IF cat='O' THEN ca_time:=ca_

30、time+1; END IF; -开门，关门计对;CASE current state ISWHEN SO =>镂状态处理；position <= "OOOr*;cat:='O'IF (button_var(0) or floor_var(0)=1' THENCASE ca_time ISWHEN ”0011” => dor<=T;WHEN ,110r,=> doYO'butto n_var(0):='0'floor_var(0):='0'IF (floor_var(1) or floor_

31、var(2)=rTHENn ext_state<=S1U;ca_time:="0000"up<=1'；ELSEn ext_state<=S0;ca_time:="0000"END IF;WHEN others => NULL;END CASE;ELSIF (button_var(1) OR button_var(2) or button_var or floor_var(2) or floor_var(1)=r THENnext_state <= S1U;ca_time:="0000,;up <= T

32、;ELSEnext_state <= SO;ca_time:="0000"END IF;WHENS1U=>二棲上状态处理;position <= "0010"cat:='O'IF floor_var(1)='r THEN- 二棲内上升请求；CASE ca_time ISWHEN ”0011“ => dor<=1'WHEN"110r=> dor<=0' floor_var :=O;IF (button_var(1) or button.var or floor_va

33、r(2)=T THENn ext_state<=S2;ca_time:="0000"butto n_var :=O;ELSIF ( button_var(0) or button_var(2) or floor_var(0)=T THENn ext_state<=s0;ca_time:="0000M;butto n_var(2):=0f;ELSEn ext_state<=S1U;ca_time:="0000"END IF;WHEN others => NULL;END CASE;ELSE二揍外上升诘求;IF button

34、_var(1 )=T THENCASE ca_time ISWHEN M0011M => dor<=r；WHEN ,110r,=> dor<=0'button_var 店'O'IF (floor_var(2) or button_var)二TTHENn ext_state<=S2;ca_time:="0000"ELSIF ( button_var(0) or floor_var(0) or button_var(2)='1THENn ext_state<=sO;ca_time:="0000&quo

35、t;up<=*0,;ELSE next_state<=S1U;button_var(1):=0'END IF;WHEN others => NULL;END CASE;ELSEIF (button_var or floor_var(2)=r THEN-二揍无上搂，开门请求，但三层有下揍或开门请求；n ext_state<=S2;ca_time:="0000"ELSIF button_var(2)=r THEN-二揍无上揍，开门请求，三层也无下揍或开门请求，此-肘二搂有下揍请求；CASE ca_time ISWHEN OOH" =&g

36、t; dor<=T;WHEN => dor<=0'button_var(2):='0'IF(floor_var(0) or button_var(0)='1'THENn ext_state<=sO;ca_time:="0000"up<='0'ELSE n ext_state<=S1U;ca_time:="OOOO"END IF;WHEN others => NULL;END CASE;ELSIF (button_var(0) or floor_var(0)=

37、1' THEN电梯处于二揍上状态，仅有一揍信号要处理n ext_state<=sO;ca_time:="0000"up<='0'ELSEn ext_state<=S1U;-无任何信号，保特方箭状态不变；ca_time:="0000"END IF;END IF;END IF;WHEN S1D =>- up='O'肘的情况；position v= "0010"cat:='O'IFfloor_var(1)=rTHENCASE ca_time ISWHEN ”00

38、11“ => dor<=r；WHEN ,110r, => dor<=0'floor_var(1IF (button_var(2) or button_var(0) or floor_var(0)=r THENn ext_state<=s0;ca_time:="0000"button_var(2):='0'ELSIF ( button_var(1) or button_var or floor_var(2)=1' THEN n ext_state<=S2; ca_time:="OOOO"b

39、utton_var(1):='0'ELSEn ext_state<=S1D;ca_time:="OOOO"END IF;WHEN others => NULL;END CASE;ELSEIF button_var(2)= T THENCASE ca_time ISWHEN OOH" => dor<=r；WHEN => dor<=0'butto n_var(2):=O;IF (floor_var(0) or button_var(0)=rTHENn ext_state<=sO;ca_time:="0000"ELSIF ( button_var(1) or floor_var(2) or button_var(3)=1 THEN n ext_state<=S2;ca_time:="0000"up<=1'；ELSEn ext_state<=S1D;ca_time:="0000"END IF;WHEN others => NULL;END CASE;ELSEIF (button_var(0) or floor_var(0)=T THEN n ex