2022《基于FPGA的电梯控制器设计报告13000字》

基于FPGA的电梯控制器设计报告目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章绪论 1\o"CurrentDocument"课题背景及研究意义 1\o"CurrentDocument"国内外研究现状分析 2\o"CurrentDocument"本文内容和章节安排 3\o"CurrentDocument"第二章基于FPGA电梯控制器的总体方法设计 5\o"CurrentDocument"QUARTUSI!软件 5QuartusII软件概述 5QuartusI!软件的应用介绍 5\o"CurrentDocument"VHDL语言 8VHDL语言概述 8VHDL语言的应用介绍 8\o"CurrentDocument"EDA技术 9EDA技术概述 9EDA技术的应用介绍 10\o"CurrentDocument"FPGA概述 10\o"CurrentDocument"本章小结 13\o"CurrentDocument"第三章基于FPGA电梯控制器的硬件电路设计 14\o"CurrentDocument"电梯控制器的总体结构 14\o"CurrentDocument"基于FPGA电梯控制器硬件组成 14系统电源部分 14电梯的报警电路 15数码管显示电路 16按键控制电路 16复位电路 17\o"CurrentDocument"本章小结 18\o"CurrentDocument"第四章基于FPGA电梯控制器的软件设计 19\o"CurrentDocument"软件总设计 19电梯运行流程 19、电梯内外请求最优响应 20\o"CurrentDocument"各模块程序设计 22按键模块 22控制模块 22数码管模块 23报警模块 24\o"CurrentDocument"基于FPGA电梯控制器的顶层原理图 25\o"CurrentDocument"本章小结 25\o"CurrentDocument"第五章 基于FPGA电梯控制器的实验结果演示 25\o"CurrentDocument"实物及键位功能介绍 25\o"CurrentDocument"基于FPGA电梯控制器实验结果功能演示 28电梯开关门控制功能的实验结果演示 28电梯运行控制,楼层显示功能的实验结果演示 29电梯内外请求最优响应功能的实验结果演示 31电梯超限预警功能的实验结果演示 35\o"CurrentDocument"本章小结 39\o"CurrentDocument"第六章总结与展望 40\o"CurrentDocument"总结 40\o"CurrentDocument"展望 40\o"CurrentDocument"参考文献 41致谢 42第一章绪论课题背景及研究意义如今随着社会经济的快速发展,无论是商业建筑还是住宅建筑都有着越来越高的楼层,尤其是在大城市,各个地方都开始了对旧住宅区的改造,在很大程度上节约了占地面积，充分利用了空间。但随之而来的是高楼的不安全性以及不方便的特点,急需要令人安心的运输工具来便捷地在楼层之间传送。随着新建筑楼层的增高,智能电梯将更受欢迎，基于这样的背景,本文将对智能控制电梯进行相应的分析和探讨。目前研究表明，电子系统正朝着集成化、大规模化、高速化的方向发展，集成电路的规模越大，复杂性也就越高，传统的门级描述方法过于琐细，难以理解和掌握;而传统的电梯控制器已使用了十几年,如单片设计的控制装置，大部分的功能虽然可以通过单片机来实现,在稳定性、成本、及使用习惯方面也具有ー定的优势;但基于单片机的装置很难设计和开发,因此电梯控制器的安全性和先进性受到普遍关注。设备的稳定性要求都与用户的切身利益有关;因此,设计合规性一般要求和确定的产品具有重要意义。由美国国防部在20世纪80年代提出的VHDL,超高速集成电路硬件描述语言,这是ー个标准电路的文字,让人们可以清楚地理解文字电路，也可以作为ー个模型仿真语言,VHDL语言是一种全面的硬件描述语言的设计不仅拥有多个等级,和支撑结构，ー个三描述形式的流动和混合,也可以作为ー个系统运行仿真模型和设计工具的电路，使用软件工具在连接图科学基本逻辑元件的文体表达自动转换为VHDL源代码VHDL语言描述和电路具有很强的建模能力,可以简化不同层次的硬件设计任务，描述的可靠性和高效建模。本文采用EDA技术现代数字系统中的“自上而下”的设计方法，从系统设计开始,间隙的设计,仿真,以及纠错块层,以及一个高层次的硬件描述语言的顶层功能框图来描述系统的行为；验证功能层和集成优化工具,以生成与物理实现相对应的逻辑电路的特定逻辑门级网表,可以是印刷电路板或ASICo硬件描述语言在设计电路和系统中的使用是当前EDA技术的重要组成部分。因此针对现有电梯控制器通用性差的缺陷,本次实验利用VHDL语言设计,整个实验采用自顶向下(EDA)的电路设计方法,设计基于FPGA的电梯控制器,该计费系统具有不需改变硬件电路而重构系统的功能,秩序采用相同的电路结构。尤其适合当前实验设计的需要,设计者可以通过VHDL语言编写代码,然后利用模拟器验证其功能,完成逻辑综合和逻辑优化。最后,可以通过下载到相应的可编程逻辑器件(FPGA)来实现设计。只要在VHDL程序中根据需要设置参数就可以满足不同区域的不同需求,可应用于实际电梯控制系统中。本部分将继续通过了解技术发展状况和项目自身需求，以及开发FPGA嵌入式应用开发技术和客观实际性,来指出研究基于FPGA芯片设计出电梯控制系统的必要性。国内外研究现状分析在单梯控制系统方面,目前国外发达国家的电梯正在推广32位微机控制系统。他们都采用闭环反馈单微处理机控制系统或多微处理机协调控制系统。20世纪20年代,布莱克、奈奎斯特和博德在贝尔实验室的一系列工作中奠定了经典反馈控制理论基础。在电梯传动系统方面,采用交流变压变频(VVVF)调速技术,实现电梯从超低速到高速无级调速的高精度运行,具有节能、对电网污染小、乘坐舒适感佳等优点。1971年前,电梯群控系统的最初使用的是继电器顺序控制,也称自动模式选择系统,这是电梯群控的第一个阶段。2000年以后,对各种智能控制系统进行改进完善及智能方法的有效技术融合成为研究热点和应用趋势。如德国Kollmorgen研发的MPK400系列产品,对整个电梯控制系统进行了较为彻底的模块划分,其中包括操作控制模块、监控模块、群控调度模块、远程操作模块，并配备文字型人机交互界面,具有良好的实时监测与故障诊断功能。对电梯系统方面的研究，国内的电梯企业起步较晚,相对的投入也较少，大多数直接引进的国外的成型技术。2007年5月,基于多传感器的电梯智能群控系统面世,该系统通过在每ー层大厅中安装一个图像传感器来精确的测算等候电梯的人数,在轿箱下安装称重传感器来测算轿箱里的人数来合理分配电梯,进而提高电梯的运行效率。朱德文在现代电梯群控系统和人工智能技术中提出,如速度控制的运行方式和理想运行曲线基本上和国外的差不多。西子奥的斯和天津奥的斯,上海三菱和广州日立是用相对位置原则进行速度控制的;浙江巨人、北京京城中奥和上海新时达则是按时间原则进行速度控制的。考虑到经济性,现有国内的电梯控制系统,通常采用微机或PLC（可编程逻辑控制器）对变频器进行多段速控制。在2004年,李中华等以满足乘客心理和生理方面需求为控制目标,将模糊控制应用于电梯群控以减小乘客的最大冲击次数和最长侯梯时间。2007年5月,基于多传感器的电梯智能群控系统面世，该系统通过在每ー层大厅中安装ー个图像传感器来精确的测算等候电梯的人数，在轿箱下安装称重传感器来测算轿箱里的人数来合理分配电梯，进而提高电梯的运行效率。本文内容和章节安排本设计利用FPGA器件作为主控制芯片,采用模块化设计方法,通过硬件描述语言VHDL对电梯控制器各功能模块进行编程。实现了五层电梯控制器设计。经软件仿真和硬件实现,表明该方案能满足设计要求,并能扩展到多层电梯。主要完成以下功能:（1）电梯开关门控制;（2）电梯运行控制,楼层显示;（3）电梯内外请求最优响应；（4）超限报警。为完成本次实验设计,需先将相关资料仔细审査并确定大致设计思路,制定ー个整体目标；在查阅文献、资料后,根据本次实验设计做个需求分析,结合整体大纲进行具体深入的学习；然后化整为零,将系统整体划分成详细的不同模块,并梳理这些模块之间的联系，然后对如何设计、如何实现每个功能进行构思；在程序设计时需要先做个大致的流程图，流程图有利于思路的清晰，实验完成的有效。本文分为以下几个结构:第一章绪论,主要对课题的背景及其研究意义进行分析，并就国内外研究现状进行了探讨,理清了论文的主线。第二章为开发环境及相关技术概括,简介了关于本次实验用到的软件及设计方法,从“QUARTUSH软件”、“VHDL语言”、“EDA技术”这几方面介绍采用此技术来实现电梯控制系统的实用性与必要性。第三章为电梯控制系统的设计,把实验总体分为四个部分,“设计原理”“设计内容’‘、“设计框图”、“设计模块”,简单介绍了电梯控制系统的原理和结构组成,通过图文并茂的形式直接反应出本次实验的设计流程及实现方法,对接下来的实验过程有一个简单的介绍。把整个系统分为几个模块,电梯开关门控制;电梯运行控制,楼层显示;电梯内外请求最优响应;超限报警,先对每ー个模块阐述我的设计想法。第四章为电梯控制系统的硬件电路设计,将各个模块的器件图按设计要求所连接,生成综合设计图进行仿真，介绍程序仿真过程及仿真结果,并结合实际情况得出最后的实验结果。第五章为电梯控制器的实验结果演示,对FPGA电梯控制器的四个功能进行实物演示。第二章基于FPGA电梯控制器的总体方法设计QuartusII软件是21世纪初推出的FDGA/CPLD开发环境,支持原理图、VHDL等多种语言。设计输入表单,嵌入式合成器和仿真器可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程;VHDL程序结构的特点是工程设计分为内部和外部两个部分,涉及设备的内部功能,这涉及到算法的完成。当完成内部开发时为设计设备定义外部接口时,其他设计可以直接调用此设备。2.1QUARTUSI!软件QuartusI!软件概述1、内嵌SignalTapII逻辑分析器、功率估计器等高级工具;2、支持多时钟时序分析,基于LogicLock模块的设计，易于引脚分配和时间限制;3、具有很强的HDL综合能力;4、MaxplusIIGUI包含在内,并且很容易将MaxplusII项目转移到QuartusII开发环境。5、对于Fmax的设计有很好的效果;6、支持多种设备;7、支持多种操作系统,如Windows,Linux和Solaris；8、支持与第三方工具,如集成,模拟等。QuartusII是ー款四代可编程逻辑软件。该平台支持工作组环境中的设计要求,包括对基于!nternet的协作的支持。Quartus平台与Cadence,示例逻辑,MeTror图形，SyoSyS和Sypple等EDA工具开发工具兼容。改进软件中的LogicLock模块构建功能，增加FastFit编译设置，促进网络编辑并提高调试功能。2.1.2QuartusI!软件的应用介绍QuartusII软件基于开发环境FDGA/CPLDo它支持VHDL,VeriloGHDL和AHDL等不同设计的输入形式,以及完成从输入设计到硬件配置的完整PLD电源。该软件拥有自己的合成器和模拟器。QuartusII软件也可以在不同的操作系统如XP,Linux和UNIX上使用。TCL脚本可以用于用户图形界面的设计。它具有快速辅助操作,保持界面风格一致,功能综合,易于学习和易于使用等特点。QuartusI!支持Altera的IP内核,包括LPM库,允许用户充分利用已经记录的模块,这样可以简化设计的复杂性并加快设计速度。QuartusII软件集成了AlteraFDGA/CPLD开发过程中涉及的所有工具和第三方软件接口。通过这个开发工具,设计师可以方便的创建,组织和管理他们自己的设计。QuartusII软件开发过程如图2-1所示。图2TQuartusI!软件的开发流QuartusI!软件提供了完整的多平台设计环境，可轻松满足特定的设计要求，并且是SOPC设计的集成环境。此外,QuartusII软件允许用户在设计过程的每个阶段使用其软件图形用户界面,EDA工具界面或命令行。.设计输入:输入模式采用QuartusII软件模块,输入模式,输入模式和中央输入EDA设计工具来表达用户电路的概念,并通过任务编辑器设置初始设计约束。.合成:将所述HDL语言,示意性设计,并且所述第二输入逻辑链路（网

表）,ー个基本的逻辑单元（例如NAND,RAM,触发等）,并根据所生成的逻辑优化目标和要求Link和输出标准格式的网表文件,如.EDF或.VQM,用于路由设备的部署和布局。.布局:综合布局分析结果,布局优化,增量布局反向指示类似。.时序分析:允许用户分析所有逻辑设计的时序性能,布局并帮助引导分析,以满足设计的时间要求。.仿真：分为功能仿真和时序仿真。仿真功能是检查电路的功能是否满足结构要求,包括仿真时序延迟信息，最好是反应芯片的设计工作。.编程和配置：将器件,逻辑器件和布局引脚分配转换为器件分配文件到芯片进行测试。QuartusI!是Altera公司的FPGA设计软件，与FPGA片内的硬件相关的设计都在这个软件工具中完成。启动软件后,其默认界面如图2-2所示。由标题栏、菜单栏、工具栏、资源管理窗、编辑状态显示窗、信息显示窗和工程工作区等组成部分。心Hwl.OMjpngJ心Hwl.OMjpngJビ1双"♦♦ビ。®T❷ゝSRshス ルメ。ス3tmlt卜百ス百图2-2QuartusH软件的用户2.2VHDL语言VHDL语言概述VHDL语言主要用于描述数字系统的结构,行为,功能和接口。与其他硬件描述语言相比,VHDL具有以下优点:1)VHDL语言支持自顶向下(自顶向下)和基于库的设计方法。它还支持同步电路,异步电路,FPGA和其他随机电路的设计。VHDL语言能够从系统的数学模型到不同层次描述系统的硬件功能门级电路及其高级描述可与低级别的RTL描述和结构描述结合使用。他们还可以定制数据类型,为程序员提供更大的自由和便利。VHDL相对独立于设计描述。设计人员无法理解硬件结构,也不需要关闭硬件。VHDL具有可确保设计精度的电路仿真和验证功能。用户甚至不必写。如何测试可以在源代码级别进行测试，设计人员可以轻松比较它们。该解决方案的可行性和优点和缺点不需要任何实际的电路测试。VHDL语言可以在没有技术的情况下编程;VHDL的语言标准和规范很容易共享和重用。2.2.2VHDL语言的应用介绍当电路系统采用VHDL语言进行硬件设计时,与传统电路设计方法相比,具有以下特点:(1)采用自顶向下的设计方法。换句话说,从系统的总体要求进行设计,以完善从顶部内容底部,整个系统的硬件设计的最终完成。系统可以分为三个级别进行设计:1第一级是行为描述。它是描述整个系统的数学模型,以便识别在被在系统设计的初始阶段通过行为仿真所描述的系统的设计的问题。2第二个层次是RTL路线图。即注册转移描述，实现硬件的具体实现,VHDL语言程序行为描述的方式应改写为RTL描述。换句话说,系统使用RTL描述导出系统逻辑表达式并执行逻辑综合。3第三个层次是逻辑综合。即利用逻辑综合工具,在RTL文件（栅级网表）与由结果输出逻辑示意表示的基本逻辑元件,模拟上的栅极电平中所公开的转换器,并且控制所述定时关系。（2）主设计文件是用VHDL语言编写的源程序。与传统的接线图相比,使用VHDL源代码有很多优点:①数据少,易于保存。2另ー种是世袭的。在设计其他硬件电路时,可以在该过程中使用某些库文件,其他过程描述了一些本地硬件电路。3第三个是简单的阅读。阅读程序比阅读电路图更容易。读者可以很容易地看到程序中电路的工作原理和逻辑。为了从原理图中了解它的工作原理，更多的硬件需要知识和经验。图2-3可编程器件FPGA的一般设计流程EDA技术EDA技术概述EDA是电子设计自动化的缩写。这是新技术的快速发展。硬件表达式语言是在设计栏系统上表达逻辑的最重要的方式。它是由大型可编程逻辑器件的计算机,开发软件和实验开发系统设计而成。EDA技术大致可以分为三个发展阶段。1970年CAD（赞助计算器设计）阶段总结:这个阶段的重要特征是使用计算器赞助商的电路原理图编辑器,PCB布局与布线,这个阶段的ー个重要特征是基于逻辑仿真,时序分析,故障仿真,布局为核心的举措。20年世纪如EDA（电子设计自动化）摘要阶段:"自顶向下”的设计理念，设计许多以前的高级设计都是由EDA工具完成的。EDA是电子设计自动化技术,也就是说,人们可以赞助电子电路或系统设计软件工具。该工具可以在电子产品设计的每个阶段显示其效果,使设计更复杂的电路和系统成为可能。只要使用数字系统的硬件描述语言描述正确，芯片设计和生产的数字系统的措施。有专家认为，21世纪将是ー个快速发展的时期。四大技能中,EDA技术将成为21世纪十大技巧的重大影响之一。EDA技术的应用介绍由于电梯要运送不同楼层的客人，所以要有很多按键オ可以让满足不同楼层顾客的需求。而且,电梯还要有人性化的显示,如哪个按钮按下了,就把它对应楼层按钮的二极管点亮，还要有一个数码管实时显示电梯所在层数,用发光二极管组成的上下箭头来表示电梯当前的运行方向等等。而这些零碎的原件,又需要高效的芯片来控制,它们相互之间的物理连接问题这些就是本章所要叙述的硬件设计部分。EDA代表了电子设计技术的最新发展,根据EDA技术的特点,与传统的数字电子系统或IC设计相比，EDA技术具有独特的优势。手动设计在传统数字电子系统或IC的设计中占较大的比例。所以也有很多缺点。例如,设计和调试复杂的电路是非常困难的;如果没有硬件系统仿真,如果在某个过程中出现错误,发现和修改是非常不方便的;在设计中很难管理和管理大量文档。相比之下,EDA技术则非常不同。它极大地简化了设计文档的管理,逻辑设计,仿真和测试变得越来越强大。VHDLEDA是目前EDA设计中应用最广泛的,并且几乎支持所有主流工具。FPGA概述FPGA作为可编程门阵列,换句话说也就是半开放电路,这属于专用集成电路范围之内,是基于可编程时间段进行进ー步开发的结果,在简单的对于电路设计进行相应布局和合成之后，硬件描述语言(VHDL)能够高效率的对其结果进行验证和测试,是目前十分受欢迎的现代集成电路设计的重要技术之一。不仅对于定制电路和可编程器件缺点的数量问题能有效解决,还可以并行地执行的各种FPGA逻辑,同时处理不同的任务,所以FPGA能更有效地工作,并且根据不同模块的不同需求进行相关设计，可以快速获得期望的功能。由于FPGA所具有的的这些优势，其使用起来十分方便有效，甚至是不同的电路功能通过同一FPGA都可以产生,这种主要是通过不同的编程数据来实现。在实际应用中FPGA发挥着其重要的优势作用,因而能够在各个领域包括通信,数据处理，网络等等体现了其重要的价值，还有工业控制,军事和航空航天等各个重大领域,未来随着其功能及价值被进ー步挖掘，还将在更多的领域范围内得到广发应用。电梯控制系统根据其实际运行的工作原理来看，可以说并不是ー个相当容易的逻辑控制过程，在系统正常的运行期间内可以需要同时对上百个乘客所输入的信号进行相应的接收和处理。尤其是在楼层不断增高,用户不断增多并且对电梯功能的需求持续增加的情况下,相应的控制方法也需要得到进ー步的改善和优化。随着EDA技术的快速发展,基于FPGA的微机控制被广泛应用于电梯电路设计和控制的各个方面。FPGA是现场可编程门阵列的缩写,其开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术。它使用计算机辅助设计绘制用户逻辑示意图,编辑布尔方程或使用硬件描述语言作为设计输入,然后通过一系列转换程序,自动布局和接线,仿真和仿真,最后生成配置FPGA器件以初始化FPGA器件的数据文件。这样就实现了满足用户需求的ASIC,达到了IC设计开发的目的。FPGA是ー种半定制集成电路。其特点是直接面向用户,具有极大的灵活性和通用性,高效率，硬件测试和实现,良好的工作可靠性和简单的技术维护。与CPLDFPGA相比，其结构的特点是基于查找表的FPGA查找表。查找表(look-up-table)被称为LUT,LUT本质上是ー个RAM〇FPGA使用4个以上的输入LUT,所以每个LUT可以被视为一个16位,1位,4位地址线的RAM。当用户以逻辑电路图或HDL语言描述逻辑电路时,PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果,并将结果写入RAM中,以便每个输入信号的逻辑操作等于将地址输入到查找表,并找出相应的地址内容。然后输出将是。通常,它由三个可编程电路和一个用于存储编程数据的SRAM（静态随机存储器）组成。这三个可编程电路是可编程逻辑阵列LAB（逻辑阵列块），I/O块（I/O块）和!R（互连资源）。FPGA可编程逻辑形成的方法基于查找表LUT（查找上表）结构。LUT是最小的可编程逻辑单元。,通过通讯控制。有两种方法可以设计FPGA:自下而上和自上而下。在大规模FPGA设计中,通常选择第二种设计方法。这种设计方法的特点是其语言可以独立创建企业的产品结构。直接在功能级设计中定义产品,并结合功能仿真技术,最终确保设计产品的正确性。功能定义完成后,应执行布局和布线。在布局和布线中，需要有一个网络标签文件，并与制造商的布线和布线设备ー起工作。在QuartusII中，它可以通过语言直接生成。布局和布线的结果将返回给仿真器以供进ー步验证。这可以避免由布局和布线引起的门延迟和线路延迟，并影响设计性能。“自上而下”的优势在于:首先,设计可以重复使用。模块化已成为设计的主流,集成度的提高使通话更加方便。自顶向下的设计独立于芯片结构，产品可以在需要时保存和重复使用。其次,“自上而下”的设计方法与芯片结构无关,因此设计人员可以在设计时专注于产品,降低设计风险,缩短开发时间,节省成本。第三,设计规模得到改善,设计减少。2.4本章小结本章主要介绍了此次设计需要用到的相关技术及概括,包括QuartusII软件、VHDL语言和EDA自顶向下的技术特点等,用于软件设计硬件系统电子系统。第三章基于FPGA电梯控制器的硬件电路设计电梯控制系统已被广泛使用在生活中,通常由微控制器控制,但结构简单,故障率高，和现场可编程门阵列（FPGA）,其具有高密度可编程软件和强大的支撑特性，所设计的产品功能强大,功能强大,可靠性高,灵活性强。电梯控制器的总体结构它是电梯控制系统的主要组成部分，负责整个电梯的运行控制。总控制器位于楼顶的电梯机房内，电梯动カ装置的牵引机构成为整个电梯控制系统的核心。牵引电机采用变频器控制。编码器反馈汽车的速度。系统中设有轿厢位置上、下限位开关。速度的上、下限位开关提供安全保证。设置带挡光板的继电器输出接ロ,实现对相应设备的控制。控制器结构如图3-1所示。图3-1电梯控制器结构示意图基于FPGA电梯控制器硬件组成系统电源部分图3-2-1电源模块在操作期间可能也会有需要重置并重新启动控制器的情况,这种情况一般是为了避免由于干扰或其他因素可能导致程序进入无限循环或失控状态的情况,此时这类操作能够在一定程度上保证电梯的稳定性。电梯的报警电路统啊JK骅动模块图3-2-2报警电路报警电路处理的主要是电梯内用户按下的报警按键信号,如图3-5所示。该电路连接到核心芯片,主要将接收到的信息传递到中央处理。如果电梯在运行的这段时间内,有因为电梯故障而停止运行的情况或者是电梯遇到紧急情况被用户按下HELP按键时，电路中的限流电阻会作出反应,保证电路输出相应的反应。此时蜂鸣器可以发出报警的信号。在对相应的时间处理完成后,电路返回到之前的状态继续原来的工作。在电

梯中断运行的这个过程中,也涉及到优先级的处理问题,同时在问题解决后也需要进行初始化处理。数码管显示电路图3-2-34位数码管电路显示器可以看到许多家用电子产品,它会显示ー些数字,特殊符号和一些图形等。它与主控制器连接电路非常简单,可以承载数据的显示，我们只需要把ー个8位的1/O接口和数码管连接,然后3位控制端口分别与显示模块相连,这样布线可以使驱动カ越来越强。按键控制电路图3-2-4独立按键电路四个按键的功能分别为:第一个按键:选择自动/手动模式。第二个按键:在手动模式下,对应设置的参数加1。第三个按键:在手动模式下,对应设置的参数减1。本设计中设置有按键电路,通过几个独立按键进行人机交互。按键通过一点连接主控制器的I/Oロー端连接电源地。这样设计是因为在悬空没有作为输出的情况下是默认高电平的，在按键没有按下则相当于该!/O处于悬空状态。当按下后!/Oロ的电平就会被拉低，这样只需要进行循环的检测I/Oロ是否有出现低电平就可以判断是否有按键按下,当然这种按键是金属解除的方式所以会有抖动纹波的情况,所以在程序中需要适当的加上短暂的延时消抖。具体电路如图所示。3.2.5复位电路图3-2-5重配置电路复位电路的基本功能是:系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定以后,撤销复位信号。为了可靠起见,电源稳定后还要进过一定时间的延时撤销复位信号，以防止电源开关或者电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。本章小结本章介绍了基于FPGA电梯控制器的硬件设计,主要内容为电梯控制器结构示意图和对系统电源部分电路、电梯报警电路、数码管显示电路、按键控制电路、复位电路进行了介绍。第四章基于FPGA电梯控制器的软件设计软件总设计电梯运行流程电梯的整个运行过程实际上就是不停的响应等待召唤、响应召唤、运行、再等待召唤的过程。很显然其为ー个动态的服务过程。对于每一台电梯,当有厅层召唤时;而当乘客离开电梯时,则从轿内召唤列表中删除该记录。电梯的运行、停靠就是根据对厅层及轿内召唤记录的响应而进行的。其运行过程如图4-1所示:等待召唤电梯运行从厅层"唤队列删除该召唤记录＜插入轿内召唤队列乘客进入电梯停止等待召唤电梯运行从厅层"唤队列删除该召唤记录＜插入轿内召唤队列乘客进入电梯停止图4-1电梯运行流程图当它检测到调平时,它还会检查相应的楼层是否有对接任务。如果没有对接任务,水平调整速度变化点和启用图层的控制器将不会被处理,并将继续上下移动。主程序流程图如图4-2所示。图4-2主程序框图电梯内外请求最优响应这是整个计划正常运作的核心保证,当电梯通过楼层时，自动根据实际情况安排电梯的智能运行，最后将用户送达到所需要达到的楼层。该过程如图4-3所zj\〇

图4-3电梯判决流程图从图中可以看出,实际情况分为四种情况来判断。其中电梯向上运行主要有两个目的,ー个是楼上有用户等待电梯上去,另一个是需要将用户送达至楼上的楼层。另外电梯向下运行主要也有两个目的,ー个是楼上有用户需要搭乘电梯下楼，另ー个是需要将用户送达至楼下的楼层。此时就会涉及到电梯内外的请求优先响应。各模块程序设计按键模块每个命令和调用按钮都有其相应的内存存储单元。为了实现车内指令的记忆和消除功能,以及在大厅外呼叫,必须注意其记忆和消除条件。当按下命令按钮或呼叫按钮,电梯不在楼层时,相应的存储单元被分配ー个值“ド,信号被输出给其他模块使用和指向。当电梯正常到达楼层时，如果指令或呼叫信号的停车条件满足，电梯停在楼层并消除相应的指令或呼叫信号（相应的存储单元被分配为“〇”）〇Key11~~〉應二Key21 AiヾVCCKey31 AINffJTvccKey41_>-…出bKey51—>IMRJT :VQCKeylUp[—>-ISPL：T二Key2Up1 y_INPUT....yes KeyZDovti1 >[，ぞ_TvCcKey3Up1 L客£Key3D。wi.祁Key4Up1—>-INPUT :Key4D。wi1 >-ド方」vccKeySDovn1—-w—SWI yuhaii vcc图4-2-1按键检测元件图控制模块有效方向选择信号称为有效方向选择信号。方向选择的控制原理是将有效的方向选择信号（指令、呼叫）与电梯的实际位置进行比较。当有效方向选择信号（指令或呼叫）高于电梯所在楼层时,选择上方向运行,反之亦然,选择下方向运行。当电梯运行到所选楼层并达到水平位置时,方向选择模块应断开输出方向,即上下两个方向都输出“O”，电梯停止并制动。

ControlmodelCLKLED1ii RSTnLED2——：- Key1LEDSi- Key2LED4- Key3LED5— Key4LEDWp——- Key5LED2Up KeylUpLED2Dowi- Key2UpLED3Up1- Key2DowiLED3DOW1■'i- Key3UpLED4Up- Key3DowiLED4Dov/i1j Key4UpLED5Dowi■Key4Dov/iLEDOpen： Key5DowiLEDClose：SWLEDGo[1..0] •Num[3.0] •mmDrfl0] 'Speaker ：inst图4-2-2键盘扫描元件图数码管模块当电梯运行到某ー楼层时,如果有指令信号满足下列条件之ー,则满足该楼层电梯停车的条件,选择模块输出减速停车信号。（1）当电梯运行到某ー楼层时,电梯输出减速停车信号。本层有上呼叫信号;（2）电梯运行方向向下,本层有下呼叫信号;（3）电梯运行方向向上,本层有下呼叫信号,本层无命令或呼叫信号；（4）电梯运行方向向下,本层无命令或呼叫信号。本层有上呼叫信号，本层以下无命令或呼叫信号。LED-encoder-CLK Rovv_Scan_Sig(70]-Hutn(30] Column-Sec_Sq[30]—D”101图4-2-3电梯显示模块元件图报警模块在超载的情况下,会自动的根据超载情况对应处理,从而输出相应的信号状态,保持电梯门打开的状态并且做出相应的超载提示。这个状态一直维持到有人从电梯中处来,不再超载为止。这时就不会发生超载提示,电梯恢复之前正常的状态运行。Alarm_fnodel-CLKSpeaker-Eninsf2图4-2-4电梯报警模块元件图基于FPGA电梯控制器的顶层原理图将软件各个模块进行编译综合产生元件图以后,放入图文件进行连线和设置引脚产生系统顶层电路,最后生成顶层电路图如下:本章小结本章介绍了电梯控制系统整个设计实验流程和最终实现要求。根据整体设计画出直观的流程图,再将整体分为各个模块,可以更有效率的将分模块链接起来完成整个电梯控制系统的设计。按照自顶向下的设计方法,首先把系统分为各个模块,然后对每ー个模块进行单独的设计,根据每ー个模块的实验框图进行程序设计。第五章基于FPGA电梯控制器的实验结果演示实物及键位功能介绍如图1所示从左到右蓝红灯分别表示第一层上行指令灯,第二层上行或下行指令灯，第三层上行或下行指令灯,第四层上行或者下行指令灯,第五层下行指令灯。对应着电梯外按键如图3下侧的五组按键。说明有人在某层电梯发出上或者下指令时对应的某层的上下楼的指令灯的亮灭。图1中黄绿灯分两部分,上

半部分黄绿灯表示电梯的开关门状态,绿灯亮代表关门状态,黄灯亮代表开门状态。下半部分黄绿灯是电梯上升和下降的指示灯,绿灯亮代表上升,黄灯亮代表下降。图1如图2所示主芯片下的五个led灯从左到右分别表示电梯内ー层到五层的指令灯。时钟屏幕上可现实电梯的层数以及上行或下行的状态。图2如图3所示,图左侧的五个键位从下到上分别表示电梯内部ー层到五层的按键,对应的led指示灯如图2中的主芯片下的五个led灯。下面的五组按键从左到右分别表示电梯外一层上行按键,二层上行和下行按键,三层上行和下行按键,

四层上行和下行按键,五层上行和下行按键。图3图4所示是FPGA电梯控制器的总体实物图基于FPGA电梯控制器实验结果功能演示本设计利用PFGA器件作为主控制芯片,采用模块化设计方法通过硬件描述语言VHDL对电梯控制器各模块进行编程。主要完成以下功能:（1）电梯开关门控制。（2）电梯运行控制,楼层显示。（3）电梯内外请求最优响应。（4）超限报警。电梯开关门控制功能的实验结果演示掘下如图3中一层电梯外上行按键,之后会出现如图5和图6的实验结果。如图5所示说明绿灯亮电梯开门图5如图6所示黄灯亮电梯关门。图6

电梯运行控制,楼层显示功能的实验结果演示如图7所示在ー层电梯内按下二层按键则电梯内对应二层的led指示灯会亮电梯上行下半部分绿灯亮说明电梯上行状态,且在时钟屏幕上显示。图7

如图8所示当电梯到达二层时,绿灯亮说明电梯开门图8如图9所示随着绿灯的熄灭黄灯亮说明电梯关门,电梯内2层的led灯灭。整个电梯运行过程结束且电梯层数在时钟屏幕上显示。图9电梯内外请求最优响应功能的实验结果演示如图10所示把电梯设置在三楼,在三层电梯内掘下ー层按键的同时在二层电梯外给ー个二层下行的指令如图11所示,下部黄色灯亮说明电梯下行且在时钟屏幕上显示下行状态，FPGA开发板上红色led灯亮说明去ー层的指令已经发出,红色指令灯亮说明在二层有人发出下行的指令。然后电梯运行到到ニ层,绿色指示灯亮电梯开门,黄色指示灯亮电梯关门,此时说明二层的人已经进入电梯,这个过程如图12和图13。之后二层电梯外红色下行指示灯熄灭,下部分黄色指示灯亮说明电梯继续下行,如图14所示。电梯下行到ー层,下半部分黄色指示灯灭电梯停止下行,上部分绿色指示灯亮电梯开门,此时说明人已经到达ー楼准备出电梯,如图15所示。最后,上部分黄色指示灯亮且绿色指示灯灭说明电梯关门,与此同时一层电梯内的led灯灭说明已经完成了整个过程，人已经走出电梯,如图16所示。如图10所示把电梯设置在三楼,在三层电梯内撼下一层按键的同时在二层电梯外给ー个二层下行的指令图!0如图!1所示下部黄色灯亮说明电梯下行且在时钟屏幕上显示下行状态,fpga开发板上红色led灯亮说明去ー层的指令已经发出,红色指令灯亮说明在二层有人发出下行的指令。图!1如图12所示电梯运行到到ニ层,绿色指示灯亮电梯开门,此时说明二层的人已经进入电梯

图!2如图13所示黄色灯亮说明电梯关门,二层的人进入电梯,电梯准备下行。电梯层数和下行状态通过时钟屏幕显示。图!3

如图14所示二层电梯外红色下行指示灯熄灭,下部分黄色指示灯亮说明电梯继续下行。图!4如图!5所示电梯下行到ー层,下半部分黄色指示灯灭电梯停止下行,上部分绿色指示灯亮电梯开门,此时说明人已经到达ー楼准备出电梯,图!5如图16所示上部分黄色指示灯亮且绿色指示灯灭说明电梯关门,与此同时ー层电梯内的led灯灭说明己经完成了整个过程,人已经走出电梯。图!65.2.4电梯超限预警功能的实验结果演示如图17所示首先将电梯层数设置在ー层,然后在电梯内同时撼下二层和三层,电梯上行图!7

如图18所示,电梯上行到二层开门时,掘下模拟超限按键,此时会出现蜂鸣声且上半部分绿色指示灯亮说明电梯一直保持开门状态,电梯停止关门和上行,这说明电梯已经超限图!8如