【《某电梯控制器的整体设计与实现分析案例》5100字】

某电梯控制器的整体设计与实现分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u1931第1章电梯控制器的设计 1219841.1电梯控制器总体设计 143711.2电梯控制器的设计要求 1128832.1电梯控制器系统结构图 2178502.2电梯控制器模块 358882.3FPGA虚拟电梯模块 6281462.4信号输入模块 83212.5状态显示模块 8219052.6运行状态流程图 9270962.7FPGA核心板引脚定义 11第1章电梯控制器的设计1.1电梯控制器总体设计本次的毕业论文的课题是设计基于FPGA的电梯控制器设计与实现。控制器采用的核心处理器是FQ3D9R319D9，FQ3D9R319D9是Altera公司开发的CycloneII系芯片之一，其系统时钟是20兆赫兹；EDA仿真软件也为Altera公司开发的QuartusII软件；使用的FPGA开发板为睿智FPGA开发板。本次设计主要是从以下4个模块的设计考虑的：电梯控制、虚拟电梯、信号输入和状态显示，这四个模块的功能设计好了，本次设计的电梯控制器也就基本上能够实现其所需的功能。FPGA控制模块是控制器的主题与核心部分，其功能相当于人类的大脑，它又包含了按键消抖处理、解析与楼层判断、运行状态机、升降与开关门控制、楼层信息与状态显示、超重报警等部分REF_Ref21477\r\h[23]；为了更好更直观的显示电梯控制系统的运行状态与模式，需要利用之前所学的电子信息相关知识设计模拟电路板，借助按钮或者信号输入的方式，利用LED灯来直观地模拟电梯的运行状态。此外，由于现实原因本人接触不到实实在在的一部电梯实物来检验电梯控制器的功能，所以需要设计虚拟电梯。1.2电梯控制器的设计要求此次毕业设计的主要设计任务与要求是实现电梯控制系统最基本的功能，能够响应电梯内外的所有关键请求。主要设计逻辑和思路如下：（1）按照电梯运行方向优先的原则依次响应各种指令，如电梯箱内外的请求指令和调用指令.（2）电梯控制系统可以根据指令要求自行判断运行方向的功能。比如上下行信号同时响应，电梯会先响应同方向指令，然后继续响应响应另一方向运行指令。（3）在呼出控制开关装置中，初始楼层只有一个上行开关按钮，电梯门开关由该装置控制，按下上行按钮，控制电梯运行到达设定楼层；中间楼层的外箱呼叫系统都有向上按钮和向下按钮控制上下，电梯顶层只有向下按钮进行控制。（4）电梯显示模块必须有LED灯直观反映电梯运行情况。当电梯依次在某一楼层通过时，相应楼层的LED灯点亮；当到达所指定的楼层时，LED灯依次亮灭，代表电梯的开启和关闭状态。(5)如果无指令，电梯将在系统设定的时间内自动关门，返回等待状态。（6）此外，电梯能根据传感器接收的重量数据，发出超重警报等。本次设计需设置不同工作状态来描述电梯的运行方式，工作状态在论文第四章具体分析。第2章电梯控制器的实现2.1电梯控制器系统结构图本次设计的控制器的设计主要是从四个方面考虑的：虚拟电梯、控制器、信号输入与显示，因此从这四个方面设计了系统结构。图2.1电梯控制器系统结构图由电梯控制器系统结构图我们可以得知整个系统的核心关键部分为FPGA电梯控制模块，FPGA电梯控制模块设计好了，基本上就事半功倍了。系统硬件的核心功能有按键消抖、分析与楼层判断、上下行与开门关门控制、LED状态显示以及超重报警。为了实现电梯控制器的功能模拟，我设计了虚拟电梯模块，它是主要用于电梯门开关操作的虚拟电梯升降机。虚拟电梯升降机借助按钮输入电梯操作指令，利用LED灯来直观地模拟电梯的运行状态。如图2.2所示，为此次设计的电梯控制器硬件结构图。FPGA控制模块是控制器的主题与核心部分，其功能相当于人类的大脑，它又包含了按键消抖处理、解析与楼层判断、运行状态机、升降与开关门控制、楼层信息与状态显示、超重报警等部分REF_Ref21477\r\h[23]；为了更好更直观的显示电梯控制系统的运行状态与模式，需要利用之前所学的电子信息相关知识设计模拟电路板，借助按钮或者信号输入的方式，利用LED灯来直观地模拟电梯的运行状态。此外，由于现实原因本人接触不到实实在在的一部电梯实物来检验电梯控制器的功能，所以需要设计虚拟电梯。图2.2硬件结构设计图2.2电梯控制器模块FPGA控制模块作为控制器的关键部分，包括了按键消抖处理、解析、楼层判断、运行状态机、上下行控制、开关门控制、状态显示、超重报警等部分REF_Ref21477\r\h[23]。本小节将重点分析图2.3所示控制器的三个子模块。图2.3电梯控制器输入输出信号图2.2.1按键消抖处理功能与接口说明：该模块的接口输入信号有：reset_n（复位操作指令信号），clk（时钟脉冲信号），up_key[1：0]（上升操作信号），down_key[2：0]（下降操作信号），inside_key[3：0]（电梯轿厢楼层选择请求信号），输出信号：up_key_in[1：0]（上升判断信号），down_key_in[2：0]（下降判断信号），inside-_key_in[3：0]（楼层请求信号）。模块端口信号定义：up-_key（1：0）表示外呼系统中的两个升序命令按钮，up-_key[0]接收二层操作信号，up-_key[1]接收三层操作信号；down-_key[2：0〕代表外呼系统中的三个下降操作信号，down-_key[0〕接收二层操作根据clk表示的时钟脉冲信号；Resetn代表复位操作指令信号；Down_key[0]是二层操作信号，down_key[1]接收三层操作信号，down_key[2]接收四层操作信号；Inside_key[3:0]表示电梯轿厢楼层选择请求信号，inside_key[0]接收一楼选择信号，inside_key[1]接收二楼选择信号，inside_key[2]接收三楼选择信号，inside-_key[3]接收四楼选择信号。Up-_key_in[1：0〕接收上升判断信号；down_key_in[2：0〕接收下降判断信号；Inside_key_in[3:0]接收楼层请求信号。该模块功能如下：此部分添加了D触发器，可以消掉按钮按下时产生的干扰，这样一来，电梯内外的每个按钮指令信号可以正确的传入控制器。图2.4按键请求消抖处理2.2.2解析模块模块功能与接口说明：A:：uart_tx（数据发送指令信号）、cIk（时钟脉冲信号）、uart_rx（数据接收指令信号）为解析模块接口的输入信号以及输出信号。B：模块端口信号定义：uart_tx接收数据发送指令，clk接收时钟脉冲，uart_rx接收数据接收指令。C：模块功能如下：电梯初始位置接收到的数据信号指令，需匹配库中的数据信息记录。若在库中匹配到相关信息记录，则将设置的楼层信号发送至楼层判断模块；如果没有配到相关信息记录，则不会发送开门信号。2.2.3判断模块功能与接口说明:A：该模块的接口输入信号有：reset_n（复位操作指令信号），cIk（时钟脉冲信号），up_key_in[1：0]（上升判断信号），down_key_in[2：0]（下降判断信号），inside_key_in[3：0]（楼层请求信号），floor_in[3：0]（电梯正在四楼的反馈信号）。该模块的接口输出信号有：up_request（上升请求信号），up_done（上升完成信号），down_request（下降请求信号），down_done（下降完成信号）。B：模块功能如下：判断模块主要功能是对输入信息进行判断，如当前楼层信息，请求楼层信息，传递判断结果至下一步并驱动电梯完成所需的操作，所以说判断模块是电梯控制器控制电梯正常工作的重要保障。图2.5楼层判断模块2.2.4运行状态机功能与接口说明：A：该模块的接口输入信号：open_done（开门成功信号），close_done（关门成功信号），floor_in[3：0]（停止楼层反馈信号），time_up（超时信号），over_weight_in（电梯内重量信号），输出信号：up_ctrl（上升反馈信号），down_ctrl（下降反馈信号），open_ctr（开门信号）l，close_ctrl（关门信号），over_weight（超重信号），light_ctrl（照明信号）。B：模块端口信号定义：floor_in[3：0〕接收停止楼层反馈信号：floor_in[0]接收停在一楼反馈信号，floorin[1〕接收停在二楼反馈信号，floorin[2〕接收停在三楼反馈信号；floor_in[3〕接收停在四楼反馈信号。Open-_done输出开门成功信息；close_done输出关门成功信息；time_up输出超时信号；over_weight_in接收电梯内重量信号。Up-_ctrl输出上升反馈信号；down-_ctrl输出下降反馈信号；open_ctrl输出开门信息；close-_ctrl输出关门信息。0ver-_weight输出超重信号；light_ctrl输出照明信号。模块功能为接收各种反馈信号，将各种反馈信号传送到相应的模块，运行状态机模块控制并完成各种操作如：电梯上升下降、电梯门开门关门、显示当前楼层信息、电梯超重报警等。2.3FPGA虚拟电梯模块前面虽然详细介绍介绍了电梯控制系统的各个组成部分，但是由于各种现实原因，我接触不到实实在在的一部电梯实物来检验电梯控制器的功能。且本人的毕业设计课题即为《基于FPGA的电梯控制器的设计与实现》，我要做的就是利用睿智FPGA开发板和Altera公司开发的QuartusII软件设计并模拟实现电梯控制器的各种功能。于是我设计了如图2.6所示的虚拟电梯模块，这样就模拟了电梯控制器对电梯的控制，并且能够达到设计要求。为了使电梯控制器正常平稳的工作，这个虚拟电梯模块是在在核心板内部利用寄存器实现的，虚拟电梯模块主要模拟了电梯的运行和电梯门的开关，并将接收到的电梯运行情况和开关门情况反馈到电梯控制器，并等待下一步操作。图2.6电梯控制器仿真结构图模块端口的定义及其输入输出的信息：up_ctrl接收虚拟电梯上升信息；down_ctrl接收虚拟电梯下降信息；open_ctrl接收虚拟电梯开门信息；close_ctrl接收虚拟电梯关门信息；floor_in[3：0〕输出停止楼层反馈信号，floor_in[0〕输出停在一楼反馈信号，floor_in[1〕输出停在二楼反馈信号，floor_in[2〕输出停在三楼反馈信号；floor_in[3〕输出停在四楼反馈信号；open_done输出虚拟电梯开门成功信息；closedone输出虚拟电梯开门成功信息；timeup输出超时信息也即达到系统设定好的开门关门的时间间隔。2.4信号输入模块本小节主要介绍信号输入模块，此模块主要的信号来源为电梯内外的各个按钮，所以此模块的输入信号即由电梯内外的各个按钮的按键输入信号组成。具体实现过程如下：将外部按键信号转换为电梯运行控制的外部请求信息，将电梯内部按键信号输出为电梯控制模块的上行下行信息，通过电梯楼层信号自动清除下一步操作无关信号如电梯内外按键操作信号。本系统有9个按键输入信号按钮，外层系统有5个按钮，内层系统有4个按钮。按键分布与日常生活中的电梯相似，顶楼和一楼分别为外层系统的下降和上升按钮，中间楼层既有上升按钮又有下降按钮；内层系统为代表楼层的按钮。此次设计主要为实现电梯的一般控制，用到的也只是模拟电梯模块，故未像日常生活中电梯一般设置故障报警电话按钮。系统还设置了LED灯来反应电梯的工作状态，若电梯控制器正常工作，LED灯亮，反之熄灭。按键输入信号模块示意图表明，当电梯楼层处于开始状态时，如果某一层按键处于未按下的关闭状态时，所有信号输出的电平均高。如果按下某个键，信号由高电平转变为低电平，低电平自动存放至寄存器中。按键闭合瞬间，可能会出现以下问题：瞬时电压过大，导致按钮烧毁；不稳定的触电导致信号不清晰。解决办法如下：需要增加上拉电阻，分压按钮瞬时电压防止按钮烧毁；按钮电路还需采用D触发器，D触发器用于按键消抖，它可以驱动每个脉冲信号消除不清晰信号。通过D触发器的处理，当组合键不稳定时，也可以输出清晰的按键信号。2.5状态显示模块在虚拟电梯模块中，电梯正常运行的各种状态都是在FPGA中进行的。为了直观地反映电梯控制器的运行状态，设计了一个状态显示模块，可以通过LED灯亮灭反映电梯控制器的运行状态。模块端口信号定义及端口接收的信息：up_ctrl接收上升信息；down_ctrl接收下降信息；open-ctrl接收开门的信息；close-ctrl接收关门信息；light_ctrl接收照明信息；over_weight接收超载信息。本小节设计的状态显示模块跟前一小节设计的按键输入组合到一起，也就成立此次设计的演示电路板部分。状态显示模块如图2.7所示，进行设计时同样要设置分压电阻，防止LED灯被击穿电压破坏而达不到显示效果。图2.7状态显示模块2.6运行状态流程图一般来说，进行系统的设计最基本的任务就是理解系统流程并设计好运行流程图。本次设计的关键任务是FPGA电梯控制器的运行状态流程图的设计。设计一个合乎逻辑的流程图可以加深我们对本次系统设计的理解，也可以帮助读者迅速理解所设计的系统的运行流程。同日常生活所用的电梯系统类似，所以本次设计的六种状态也是以常生活所用的电梯系统为蓝本，其运行流程具体包括以下几个状态：上行下行、开门关门、延迟等待等。系统复位后（restn=1），进入空闲状态（Idle/000）。空闲状态下up，down，open，close四个电位都为0（此点在运行时序图中可以体现）。在有向上请求条件下，电梯上升（UP/010）；在向上达到匹配楼层条件下，电梯停止进入等待（STOP/001）；在刚到匹配楼层条件下，电梯开门（OPEN/011）；在开门成功条件下，开门延时（DELAY/100），等待人员进入；在计时结束条件下，电梯关门（CLOSE/101）；关门成功且电梯此未收到请求，在电梯关门成功条件下，电梯停止运行（STOP/001）；在有向下请求的条件下，电梯下降，其他过程与相关运行的情况相同。图2.8电梯状态转换图表1.1电梯转换条件状态机模块端口引脚的定义及其输入输出信号：reset_n接收复位信、clk接收时钟脉冲、open_done接收开门完毕反馈信息、close_done接收关门完毕反馈信息、time_up接收延时信息。up_ctrl输出电梯上升信息、open_ctrl输出电梯开门信息、down_ctrl输出电梯下降信息、close_ctrl输出电梯关门信息。statement_output[2：0]输出电梯操作的7种状态，其参数分别为IDLE_status=4'd000、STOP_status=4'd001、UP_status=4'd010、OPEN_status=4'd011、DELAY_status=4'd100、CLOSE_status=4'd101、DOWN_status=4'd110。图2.9状态机端口信号引脚图2.7FPGA核心板引脚定义电梯警报LED引脚定义如下：let-position_distributionPIN_61＝ALARM楼层LED引脚定义如下：let-position_distributionPIN_39＝LEVEL_LED[0]let-position_distributionPIN_38＝LEVEL_LED[1]let-position_distrib