基于FPGA的四層電梯控制系統設計

1、大連海事大學大連海事大學畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文二二一四一四 年年 六六 月月裝訂線裝訂線 基于 FPGA 的四層電梯控制系統設計專業(yè)班級: 電子信息工程 10-1 班 姓 名: 劉刊儒 指導老師: 嚴 飛 信息科學技術學院 I摘摘 要要隨著科技的發(fā)展，電梯早在上個世紀就已進入人們的生活。對于電梯的控制，傳統的方法是使用繼電器接觸器控制系統進行控制。隨著 EDA 技術的發(fā)展，FPGA 已廣泛應用于各項電子設計中，本設計即利用 FPGA 來實現對電梯控制系統的設計。本文基于 VHDL 即超高速集成電路硬件描述語言開發(fā)的四層電梯控制系統，以 QuartusII 為開發(fā)環(huán)境，最終在 EDA 實驗箱上實

2、現四層電梯控制系統的基本功能，其功能包括：顯示電梯樓層數、響應樓層請求、電梯升降指示、電梯開關門、電梯開門超時報警等。本文采用模塊化設計的方法，整個系統主要分為五個模塊，其中包括：請求信號顯示模塊、樓層檢測模塊、數碼管樓層顯示模塊、開關門控制模塊及電梯運行模塊。首先，通過 EDA 實驗箱上的按鍵輸入樓層請求，其中包括電梯內部樓層請求、電梯外上升請求及電梯外下降請求；同時，利用 LED 燈及數碼管顯示輸入的請求；然后，遵照電梯運行時的方向優(yōu)先原則及內部響應優(yōu)先原則來逐次應答請求；并且，如果開門時間過長，電梯將發(fā)出報警并自動關門。關鍵字：電梯控制；關鍵字：電梯控制；EDA；FPGA；Quartus

3、II；VHDL IIABSTRACTWith 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 electroni

4、c 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 inform

5、ation 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 ultima

6、te 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 desig

7、n. 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 錄錄第 1 章 緒論.1 1.1 電梯的起源.1 1.2 電梯的現狀與發(fā)展.1

8、1.3 四層電梯控制系統的設計要求.2第 2 章 開發(fā)技術基礎.3 2.1 EDA 技術簡介 .3 2.1.1 EDA 技術基本概述 .3 2.1.2 EDA 技術的基本特征 .3 2.1.3 EDA 技術的主要內容 .4 2.1.4 EDA 技術發(fā)展趨勢 .4 2.2 FPGA 簡介 .4 2.2.1 可編程邏輯器件（PLD）簡介.4 2.2.2 FPGA 簡介 .5 2.3 VHDL 設計基礎 .6 2.3.1 實體（Entity）.6 2.3.2 結構體（Architecture）.6 2.3.3 配置（Configuration）.6 2.3.4 包集合（Package）.6 2.3.

9、5 庫（Library）.7 2.4 開發(fā)軟件 QuartusII .7 2.5 硬件介紹：ZY11EDA13BE.7 2.5.1 ZY11EDA13BE 實驗系統的特點 .7 2.5.2 ZY11EDA13BE 實驗系統主板組成 .8第 3 章 四層電梯控制系統的設計.9 3.1 系統器件端口說明.9 3.2 請求信號響應模塊.11 3.2.1 外部上升請求信號響應.11 3.2.2 外部下降請求信號響應.12 3.2.3 內部請求信號響應.14 3.3 電梯所處樓層檢測模塊.15 3.4 樓層數碼管顯示模塊.16 3.5 開關門控制模塊.17 3.6 電梯運行模塊.18第 4 章 四層電梯

10、控制系統展示.21 IV 4.1 系統軟件驗證.21 4.2 四層電梯控制系統相應圖片展示.22 第 5 章 總結.35 參考文獻.36 致謝.37 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 1第第 1 章章緒論緒論1.1 電梯的起源電梯的起源電梯，是指動力驅動，利用剛性導軌運行的箱體或者沿固定線路運行的梯級，進行升降或者平行運送人、貨物的機電設備，包括人（貨）電梯、自動扶梯、自動人行道。習慣上不論其驅動方式如何，將電梯作為建筑物內垂直交通運輸工具的總稱。其實，人類利用升降工具運輸貨物、人員的歷史非常悠久。早在公元前2600 年，埃及人在建造金字塔時就使用了最原始的升降系統，這套系統的基本原理至

11、今仍無變化：即一個平衡物下降的同時，負載平臺上升。早期的升降工具基本以人力為動力。英國科學家瓦特發(fā)明蒸汽機后，起重機裝置開始采用蒸汽為動力。緊隨其后，威廉湯姆遜研制出用液壓驅動的升降梯。在這些升降梯的基礎上，一代又一代富有創(chuàng)新精神的工程師們在不斷改進升降梯的技術。然而，安全性問題是人類一直在突破的問題。直到 1854 年，美國人伊萊沙格雷夫斯奧的發(fā)明了人類歷史上第一部安全升降梯。在紐約水晶宮舉行的世界博覽會上，他向世人展示了這一偉大的偉大的發(fā)明。此后搭乘升降梯不再是“勇敢者的游戲”了，升降梯在世界范圍內得到廣泛應用。1889 年 12 月，美國奧的斯電梯公司制造出了名副其實的電梯，它采用直流電

12、動機為動力，通過蝸輪減速器帶動卷筒上纏繞的繩索，懸掛并升降轎廂。1.2 電梯的現狀與發(fā)展電梯的現狀與發(fā)展隨著社會的發(fā)展，越來越多高層建筑出現在人們的生活中，電梯作為高層建筑中不可缺少的垂直運輸設備，已然成為城市物質文明的一個重要標志。隨著電梯的普遍使用，電梯功能也在隨之提高，其控制方式也在不斷的改善。150 年來，電梯的材質由黑白到彩色，樣式由直式到斜式，在操縱控制方面更是步步出新，一款款集納了人類在機械、電子、光學等領域最新科研成果的新型電梯競相問世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光輝，人們的生活因此變得更加美好。伴隨經濟的快速發(fā)展，我國的電梯行業(yè)正經歷著一個高速發(fā)展期。據前瞻網統計，我國電梯

13、產量從 1990 年的 1.03 萬臺增長到 2010 年的 36.5 萬臺，年復合增長率 19.5%，國內電梯需求量從 2000 年的僅 3.72 萬臺增長到 2010 年的 32.97 萬臺，到 2010 年底，我國電梯保有量超過 160 萬臺。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 21.3 四層電梯控制系統的設計要求四層電梯控制系統的設計要求對于電梯的控制，傳統的方法是使用繼電器接觸器控制系統進行控制。隨著 EDA 技術的發(fā)展，FPGA 已廣泛應用于各項電子設計中，本設計即利用 FPGA來實現對電梯控制系統的設計。本次設計的基于 FPGA 的四層電梯控制系統，要求按鍵輸入樓層請求、各

14、樓層的上升下降請求及快速關門與延時關門，LED 燈顯示按鍵請求的狀況以及電梯運行方向和電梯開關門狀況，數碼管顯示電梯當前所在樓層。具體要求如下：（1）每層電梯設有上升和下降請求開關，電梯內設有乘客到達層次的停站請求開關；（2）顯示電梯當前所在樓層以及電梯運行模式（上升或下降） ；（3）電梯每 3 秒升降一層，電梯到達有停站請求的樓層后，電梯門開，開門指示燈亮，開門 5 秒后，電梯關門，關門指示燈滅，電梯繼續(xù)運行，直到完成所有請求信號；（4）電梯運行中，遵循電梯內部樓層請求響應優(yōu)先的原則，響應請求信號時遵循運行方向優(yōu)先的規(guī)則：當電梯處于上升模式時，優(yōu)先響應比電梯所在位置高的上樓信號，由下至上執(zhí)行

15、；若多個樓層都有下降請求，則直接到達有下降請求的最高層，然后進入下降模式。當電梯處于下降模式時，電梯運行規(guī)律與上升模式相反；（5）電梯設有延時關門與快速關門功能。當啟用延時關門時，電梯延時3 秒關門。當啟用快速關門電梯則 1 秒后立即關門。當電梯開門時間超過 10 秒，則報警燈亮且 2 秒后電梯自動關門；（6）電梯初始狀態(tài)為一層關門。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 3第第 2 章章開發(fā)技術基礎開發(fā)技術基礎2.1 EDA 技術簡介技術簡介2.1.1 EDA 技術基本概述技術基本概述 EDA 技術是以計算機為工作平臺，以 EDA 軟件軟件工具為開發(fā)環(huán)境，以硬件描述語言為設計語言，以可編程

16、邏輯器件為實驗載體，以 ASIC、SoC 芯片為目標器件，以數字系統設計為應用方向的電子產品自動化設計過程1 13。 EDA 技術與傳統的硬件技術以及軟件技術有著很大的差別，它打破了計算機軟件以及硬件間的隔閡，使計算機軟件和硬件之間的結合得以實現，設計效率與產品性能互相融合。因此，它代表了數字電子設計技術和應用技術的發(fā)展方向。2.1.2 EDA 技術的基本特征技術的基本特征 EDA 技術的廣泛應用，是電子技術的最新發(fā)展方向。EDA 技術具備著自己獨特的優(yōu)勢，設計人員首先按照“自頂向下”的設計方法，對整個系統進行方案設計和功能劃分，然后采用硬件描述語言完成系統行為設計，最后通過綜合器和適配器生成

17、目標器件，這樣的設計方法被稱為高層次的電子設計方法。因此，EDA 技術具備以下幾個基本的特征：（1） “自頂向下”的設計方法 傳統的電子設計技術采取的是“自底向上”的設計方法，這種設計方法不僅效率低、易出錯，而且成本很高。隨著技術的發(fā)展，當今的 EDA 技術采取“自頂向下”的全新設計方法，在結構上對整體功能實現模塊化，分塊進行仿真、糾錯，這樣有利于程序設計的修改，大大提高了設計的效率以及正確率13。（2）設計中采用硬件描述語言 采用硬件描述語言進行電路與系統的描述是當前 EDA 技術的另一個特征。HDL(Hardware Description Language)是一種用于設計硬件電子系統的計

18、算機語言，通過利用硬件描述語言，利用軟件編程的方式將硬件電路結構、電子系統的邏輯功能連接起來。硬件描述語言的應用是現在的發(fā)展趨勢，它可以大大的縮小設計成本，減少研發(fā)的周期，不僅適用于小批量的生產，同時也適合于大批量的產品的成產，因此，不僅在設計研發(fā)上，在工業(yè)生產中都得到了廣泛的應用13。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 4（3）具有邏輯綜合和優(yōu)化功能 邏輯綜合功能是指將高層次的抽象描述轉化為低級別抽象描述的一種方法，即根據芯片制造商提供的基本電路單元庫，將硬件描述語言描述的電路轉換為電路網表或者是一組邏輯方程13。優(yōu)化功能是指根據布爾方程等效的原則，利用邏輯綜合生成的結果，采取更小更快

19、的綜合結果代替一些復雜的單元，然后根據指定的目標將其映射成新的網表或者一組邏輯方程。優(yōu)化的作用是將電路設計的時延縮短到最小和有效利用資源。幾乎所有的 EDA 綜合工具都可以利用約束條件對電路進行優(yōu)化。（4） 具有開放性和標準化的軟件架構 軟件架構是一套配置使用的規(guī)范軟件包，其提供給 EDA 開發(fā)的平臺以及相應的開發(fā)環(huán)境。同時，架構還包括了各種與數據庫相關的服務。架構能將來自不同廠商生產的工具軟件進行優(yōu)化組合，集成在一個方便管理的統一的環(huán)境下，這樣有利與實現資源的優(yōu)化配置以及資源共享13。2.1.3 EDA 技術的主要內容技術的主要內容 EDA 技術涉及面廣，從教學和實用的角度看，主要有以下四個

20、方面內容：一是大規(guī)模可編程邏輯器件；二是硬件描述語言；三是軟件開發(fā)工具；四是實驗開發(fā)系統12。 大規(guī)?？删幊唐骷抢?EDA 技術進行電子系統設計的載體；硬件描述語言是利用 EDA 技術進行電子系統設計的主要表達手段；軟件開發(fā)工具是利用EDA 技術進行電子系統設計的智能化、自動化的設計工具；實驗開發(fā)系統是利用 EDA 技術進行電子系統設計的下載工具以及硬件驗證工具12。2.1.4 EDA 技術發(fā)展趨勢技術發(fā)展趨勢 隨著半導體技術、計算機技術以及集成技術的快速發(fā)展，面對如今的電子產品市場，設計師們需要更加實用、方便、快捷的 EDA 工具，這對 EDA 提出了更高的要求，從而也促進了 EDA 技

21、術的快速發(fā)展。從 EDA 技術的組成方面來看，在可編程器件方面，朝著高密度、高速度、寬帶寬方面發(fā)展，同時也朝著系統化、混合化、低電壓、低功耗方向發(fā)展；在開發(fā)工具上，要求具備混合的信號處理能力，高效的仿真能力，高效的邏輯綜合能力以及優(yōu)化能力；系統描述方式更加的簡便化、高效化和統一化13。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 52.2 FPGA 簡介簡介2.2.1 可編程邏輯器件（可編程邏輯器件（PLD）簡介）簡介 可編程邏輯器件以 SRAM、Flash 存儲器或者 EEPROM 為存儲基礎，由用戶根據自己的需要對其進行編程，確定芯片的功能，然后應用在用戶的電路系統中的電子設計技術。隨著科技的

22、發(fā)展，可編程邏輯器件也在很多方面有了飛速的發(fā)展：規(guī)模、性能、密度，這些發(fā)展使得它廣泛應用與計算機、信號處理、自動化、集成電路設計等領域23。 可編程邏輯器件具有減小系統體積、增強邏輯設計的靈活性、提高系統的處理速度和可靠性、縮短設計周期、降低系統成本、具有系統加密功能等特點。 可編程邏輯器件的分類： （1）按編程的性質分：一次性編程 PLD、可對次編程 PLD、在線可重配置 ICR 器件、在系統編程 ISPPLD。 （2）按器件的結構分：可分為乘積項結構器件和查找表結構器件。 （3）按器件的集成程度分：可分為高密度可編程邏輯器件和低密度可編程邏輯器件。2.2.2 FPGA 簡介簡介 1985

23、年，美國 Xilinx 公司率先推出了一種新型的 PLD現場可編程門陣列（FPGA） 。在功能上，FPGA 的功能由邏輯結構的配置數據決定，這些數據配置存放在片外的 EPROM 或者其他的存儲器上；在結構上，FPGA 在結構上由邏輯功能模塊排列成陣列，并有可編程的內部連接線連接這些功能模塊，以用于實現某些特定的邏輯功能。與 CPLD 相比，FPGA 可以實現更為復雜和更大規(guī)模的邏輯電路2。 FPGA 由六個部分組成，分別是可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、豐富的布線資源、嵌入式塊 RAM、內嵌專用硬核以及底層嵌入功能單元。（1）可編程輸入/輸出單元：該單元為芯片和外部電路的接口，可以完

24、成不同電氣特性下的輸入輸出的匹配3。（2）基本可編程邏輯單元：該單元式可編程邏輯器件的核心，實現可編程邏輯器件最基本的功能，也可以根據設計的靈活性改變它的內部連接和配置，以實現不同的邏輯功能3。（3）豐富的布線資源：布線資源是器件內部非常重要的連接渠道，連接著 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 6驅動功能以及數據的傳輸速度。FPGA 有著非常豐富的布線資源，它們從工藝、長度、寬度位置上被分為不同的等級，有專用的、有公用的3。（4）嵌入式塊 RAM：采用嵌入式塊 RAM，大大擴展了 FPGA 的使用靈活性和應用范圍3。（5）內嵌專用硬核：內嵌的專用內核主要指那些通用性相對較弱的功能單元。F

25、PGA 中的內嵌專用內核主要是為了實現某些特定功能開發(fā)的3。（6）底層嵌入功能單元：它主要是指由生產商在出產前嵌入在 FGPA 中的一些通用程度較高的功能模塊3。2.3 VHDL 設計基礎設計基礎 一個完整的 VHDL 語言程序一般情況下包括 5 個部分：實體（Entity） 、結構體（Architecture） 、配置（Configuration） 、包集合（Package） 、庫（Library） 。2.3.1 實體（實體（Entity） 任何一個 VHDL 程序必須包含并且只能有一個實體。實體是用于描述所設計芯片的外觀特性；它是 VHDL 的首要設計單元，實體是程序中最重要的幾個部分之一

26、，其中定義了 VHDL 所描述的數字邏輯電路的外部接口，它相當于一段程序的外部視圖，有輸入輸出的端口，也有參數的定義，相同的器件可以有不同的實現，但是只能對應一個實體12。2.3.2 結構體（結構體（Architecture） 結構體用于描述所設計芯片的邏輯功能。它用于描述系統的數據流程、系統的行為，以及系統的數據構成形式。在該部分，VHDL 語句的主要功能是指明所設計的芯片實現什么具體的功能，以及元件的內部聯系和連線。通常情況，結構體對于輸入輸出的關系有三種方式進行描述：行為描述、寄存器傳輸描述、和結構描述，不同的描述方式僅僅是體現在所編寫的語句上，其結構體的構造是完全相同的。其實結構體的功

27、能描述共有 5 種：信號賦值語句、塊（BLOCK）語句、進程（PROCESS）語句、元件例化（COMPONENT）語句和程序調用語句16。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 72.3.3 配置（配置（Configuration） 配置用于從庫中選取所需要單元來組成系統設計的不同規(guī)格的不同版本，使被設計系統的功能發(fā)生改變。配置語句用來描述層與層之間的連接關系以及實體與結構體之間的連接關系。在復雜的 VHDL 工程設計中，設計者可以利用這種配置語句來選擇不同的結構體，使其與要設計的實體相對應，或者為例化的各元件實體配置指定的結構體。在仿真設計中，可以利用配置來選擇不同的結構體進行性能對比試驗

28、，以得到性能最佳的設計方案13。2.3.4 包集合（包集合（Package） 程序包主要用于存放各設計模塊能共享的數據類型、常數、子程序等。它主要由兩個部分組成：程序包首、程序包體。程序包首用于說明程序包中所定義的常量、數據類型、過程首、函數首以及元件定義；程序包體主要是對程序包體部分所定義的函數首和過程首所對應的函數體和過程體進行說明。在 VHDL程序中，程序包不是必需的，程序包首可以獨立的定義和使用13。 2.3.5 庫（庫（Library） 在 VHDL 設計中，為了提高便捷性以及使用的規(guī)范性，必須將一些常用的、預先定義的數據類型，子程序等存放在一起，以供調用，這就是庫，因此，庫就是經編

29、譯的數據的集合，它可以存放實體定義、程序包定義、構造體定義以及配置的定義。庫包含了 5 種：IEEE 庫、STD 庫、WORK 庫、VITAL 庫以及用戶自定義庫。需注意的是，在 VHDL 語言中，庫的說明語句總是放在實體單元前面，即一段 VHDL 程序的開始一定是庫說明語句。由于庫是程序包的集合，因此，庫的調用其實就是程序包的使用12。2.4 開發(fā)軟件開發(fā)軟件 QuartusII QuartusII 是 Altera 公司推出的新一代 FPGA/CPLD 開發(fā)軟件，適合于大規(guī)模復雜的邏輯電路設計。它是 Altera 公司的第 4 代可編程邏輯器件集成開發(fā)環(huán)境，提供了從設計輸入到器件編程的全部

30、功能1。 本次設計是在 QuartusII9.0 環(huán)境下進行的，QuartusII9.0 是 Altera 公司于 2009 年推出的新一代 PLD 開發(fā)集成環(huán)境。可在多種平臺運行，具有開放性、多平臺、與結構無關、完成集成化、豐富的設計庫、模塊化工具、支持多種HDL 語言、易學習、易操作等特點。QuartusII 提供了方便的實體設計、快速的 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 8編譯處理以及編程功能，是目前 FPGA/CPLD 開發(fā)工具中較為理想的綜合、仿真軟件1。QuartusII 是 EDA 技術的一個綜合性平臺。運用 EDA 技術設計系統的工作流程如圖 2.2 所示。應用 Quar

31、tusII 軟件，可以完成所有的設計工作。2.5 硬件介紹：硬件介紹：ZY11EDA13BE2.5.1 ZY11EDA13BE 實驗系統的特點實驗系統的特點（1）采用主板 A 基本實驗系統+適配板（擴展板）的結構：板是一個標準配置系統，是一個最簡 EDA 工具系統，包含了核心芯片 A（EP1K30QC208） ，在主板系統基礎上擴展了不同系統，比如主板+單片機+擴展板構成單片機系統，以及主板+擴展 CPLD/FPGA 等多重系統11。（2）主板中所有 I/O 口開放：主芯片的 I/O 口分為三個部分使用，三個部分的 I/O 口無重合。第一部分連接到外部資源（數碼管、譯碼器、時鐘源、液晶、LCD

32、、LED、按鍵、開關等） ，第二部分連接到試配板接口，第三部分連接到擴展版接口11。（3）數字 EDA 與模擬 EDA 混合實驗與開發(fā)：除了主板的模數轉換實驗，如果配以模擬 EDA 器件適配板，就能在主板系統上完成模擬 EDA 實驗或模數混合實驗的開發(fā)18。 （4）編程下載通用性強：主板系統含 FPGA/CPLD 通用下載編程模塊，可用于對 Altera 、Lattice、Xilinx 等多家國際著名的 PLD 公司幾乎所有 isp 或現場配置的 CPLD/FPGA 進行編程下載11。 （5）良好的混合電壓（MV）兼容功能：綠色能源電子系統要求器件低功耗、低噪聲和高電磁兼容性。因此低電壓器件的

33、使用將更加重要和普遍，如筆記本電腦、嵌入式系統等，其中的主要器件皆為低電壓器件 11。2.5.2 ZY11EDA13BE 實驗系統主板組成實驗系統主板組成 ZY11EDA13BE 實驗系統主板，主要由以下幾部分構成：通用編程模塊、液晶顯示模塊、數碼管顯示模塊、A/D、D/A 轉換模塊、LED 顯示模塊、數字可調信號源、濾波模塊、信號調節(jié)模塊、邏輯筆模塊、配置模塊、模式選擇模塊、模擬信號源、44 鍵盤模塊、開關按鍵模塊、電源模塊、分立元件模塊、喇叭模塊、I/O 口插孔、核心芯片 A、適配板 B 插座、擴展板 C 插座、40PIN 插座11。 本次設計中用到了通用編程模塊即核心芯片 EPF1K30

34、QC2082、數碼管顯 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 9示模塊、LED 顯示模塊、44 鍵盤模塊、開關按鍵模塊、電源模塊、喇叭模塊。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 10第第 3 章章四層電梯控制系統的設計四層電梯控制系統的設計根據設計要求，此次四層電梯控制系統的設計包括請求信號響應、樓層檢測、當前樓層數碼管顯示、開關門控制、電梯運行五個模塊。四層電梯控制系統的整體流程圖如圖 3.1 所示。圖圖 3.13.1 四層電梯控制系統整體流程圖四層電梯控制系統整體流程圖3.1 系統器件端口說明系統器件端口說明 本次設計全部使用 VHDL 語言編程，在程序中完成對各模塊的設計以及整體系

35、統對各模塊的調用。 系統生成器件如圖 3.2 所示。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 11clkrstinner_f1inner_f2inner_f3inner_f4outer_u1outer_u2outer_u3outer_d2outer_d3outer_d4delaycloseled7s6.0up_req4.1down_req4.1inner_req4.1u_dalarmdoor1.0runliftinst1圖圖 3.23.2 四層電梯控制系統生成器件四層電梯控制系統生成器件端口信號說明：clk：系統時鐘信號；rst：系統復位信號；inner_f1inner_f4：分別為電梯內用戶

36、到 1、2、3、4 樓的請求信號；outer_u1outer_u3：分別為 1、2、3 樓用戶的請求上樓信號；outer_d2outer_d4：分別為 2、3、4 樓用戶的請求下樓信號；up_req：用戶上升請求樓層指示；down_req：用戶下降請求樓層指示；inner_req：電梯內用戶到達樓層請求信號；led7: 七段數碼管樓層顯示信號；delay：延時關門信號；close：快速關門信號：door：門控信號，00 為關門，01 為等待關門，11 為開門；alarm：報警信號；u_d：上升下降指示，0 為下降，1 為上升；state：電梯運行狀態(tài)指示，其中 state（2）：1 為運行允許

37、標志，0 為運行禁止標志，state（1）：1 為上行任務標志，0 為下行任務標志；state（0）：1為正在上行標志，0 為正在下行標志；current_floor：當前所在樓層；door_time:門開關控制計數信號。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 123.2 請求信號響應模塊請求信號響應模塊 請求信號燈的亮滅是根據該層是否有請求信號以及電梯的運行狀態(tài)來決定的。當該層有人請求時，則該層的請求信號燈亮，直到電梯響應該層的請求時，請求信號燈才滅。請求信號響應分為外部上升請求信號響應、外部下降請求信號響應、內部請求信號響應三部分。3.2.1 外部上升請求信號響應外部上升請求信號響應 四

38、層電梯控制系統的外部上升請求信號有 3 個，根據運行規(guī)律，采用逐層判斷的方法，先從 3 樓開始判斷，最后到 1 樓。當有本層的外部上升請求信號時，外部請求信號指示燈亮，當電梯響應了本層外部上升請求信號，則本層的外部上升請求信號燈滅。外部上升請求信號流程圖如圖 3.3 所示。圖圖 3.33.3 外部上升請求指示燈亮滅轉換流程圖外部上升請求指示燈亮滅轉換流程圖 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 13 （1）當 3 樓有外部上升請求時：3 樓外部上升請求指示燈亮，若電梯處于上升狀態(tài)響應此上升請求（state（1 downto 0）11） ，或下降狀態(tài)響應此上升請求（state（1 downto

39、 0）10） ，則當電梯停止（run0）且停在 3 樓時，3 樓的外部上升請求指示燈滅；若電梯處于下降狀態(tài)響應下降請求時（state（1 downto 0）00） ，3 樓的內部請求和 3 樓的外部請求信號也可將電梯停在 3 樓，因此不能簡單的通過電梯是否停止來判斷信號燈熄滅，因此電梯在這種狀態(tài)下，只有當 2 樓沒有外部下降信號且 1-2 樓沒有內部請求時，電梯停止（run0）且停在 3 樓，3 樓的外部上升信號指示燈才可以熄滅；若電梯處于上升狀態(tài)來響應下降請求（state（1 downto 0）01） ，3 樓的外部下降請求同樣可以使電梯停在三樓，因此同樣不能簡單的通過電梯是否停止來判斷 3

40、 樓外部上升請求指示燈的亮滅，因此電梯在這種情況的，只有當2 樓沒有外部下降請求時，電梯停止（run0）且停在 3 樓，3 樓的外部上升請求指示燈才可以熄滅。（2）當 2 樓有外部上升請求時：同樣的方法可以判斷 2 樓是否有上升請求和控制指示燈的亮滅。（3）當電梯有 1 樓上升請求時：1 樓上升請求指示燈亮，但由于 1 樓是最底層，不能往下運行，所以只要1 樓外部有上升請求時，只需要判斷電梯是否到達 1 樓且電梯停止運行（run0） ，當響應完畢時，1 樓外部上升信號指示燈滅。 3.2.2 外部下降請求信號響應外部下降請求信號響應外部下降請求信號有 3 個，采用逐層判斷的方法，先從 4 層開始

41、判斷，最后到 2 樓。其流程圖如圖 3.4 所示。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 14圖圖 3.43.4 下降請求指示燈亮滅轉換流程圖下降請求指示燈亮滅轉換流程圖 （1）當 4 樓有外部下降請求時： 由于 4 樓是最高層，不能往上運行，所以只要 4 樓外部有上升請求時，只需要判斷電梯是否到達 4 樓且電梯停止運行，當響應完畢時，4 樓外部下降信號指示燈滅。 （2）當 3 樓有外部下降請求時： 3 樓外部下降請求指示燈亮，若電梯處于下降狀態(tài)響應下降請求（state（1 downto 0）00）或上升狀態(tài)響應下降請求（state（1 downto 0）01） ，則當電梯停止運行（run0

42、）且停在 3 樓時，3 樓的外部下降請求指示燈滅；若電梯處于上升狀態(tài)響應上升請求時（state（1 downto 0）11） ， 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 153 樓的內部請求和 3 樓的外部上升請求信號也可將電梯停在 3 樓，因此不能簡單的通過電梯是否停止來判斷信號燈熄滅，因此電梯在這種狀態(tài)下，只有當 4樓沒有內部請求時，電梯停止運行（run0）且停在 3 樓，3 樓的外部下降信號指示燈才可以熄滅；若電梯處于上升狀態(tài)來響應下降請求（state（1 downto 0）01） ，3 樓的外部上升請求同樣可以使電梯停在三樓，但由于 3 樓的外部上升請求信號時 4 層電梯控制系統中可以

43、有外部上升請求的最高層，因此在這種狀態(tài)下，當電梯停止運行（run0）且停在 3 樓，3 樓的外部上升請求指示燈即熄滅。（3）當 2 樓有外部上升請求時： 2 樓外部下降請求指示燈亮，若電梯處于下降狀態(tài)響應下降請求（state（1 downto 0）00）或上升狀態(tài)響應下降請求（state（1 downto 0）01） ，則當電梯停止運行（run0）且停在 2 樓時，2 樓的外部下降請求指示燈滅；若電梯處于上升狀態(tài)響應上升請求時（state（1 downto 0）11） ，2 樓的內部請求和 2 樓的外部上升請求信號也可將電梯停在 2 樓，因此不能簡單的通過電梯是否停止來判斷信號燈熄滅，因此電梯

44、在這種狀態(tài)下，只有當 3-4 樓沒有內部請求且 3 樓沒有外部上升請求時，電梯停止運行（run0）且停在 2 樓，2 樓的外部下降信號指示燈才可以熄滅；若電梯處于上升狀態(tài)來響應下降請求（state（1 downto 0）01） ，2 樓的外部上升請求同樣可以使電梯停在 2 樓，因此電梯在這種狀態(tài)下，只有當電梯 3 樓沒有外部上升請求時，當電梯停止運行（run0）且停在 2 樓，2 樓的外部上升請求指示燈即熄滅。3.2.3 內部請求信號響應內部請求信號響應內部請求信號有 4 個。先判斷是否有 1 樓內部請求，若有則 1 樓內部信號指示燈亮，且保持到請求被響應，則 1 樓內部請求信號指示燈滅。用同

45、樣的方法可以判斷 24 樓的內部請求信號，若某層有內部請求，則該層的內部請求指示燈亮，并保持到內部請求響應完畢。內部請求信號指示燈亮滅轉換流程圖如圖 3.5 所示。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 16圖圖 3.53.5 內部樓層請求信號指示燈亮滅轉換流程圖內部樓層請求信號指示燈亮滅轉換流程圖3.3 電梯所處樓層檢測模塊電梯所處樓層檢測模塊 當系統復位時，電梯顯示樓層為 1 樓。當系統置位時，樓層顯示信號根據電梯運行方向和運行狀態(tài)來決定。當電梯處于停運狀態(tài)時，樓層信號保持當前數值，當電梯運行時，若電梯向上運行則層數加 1，若電梯向下運行則樓層數減 1。電梯的運行方向由后續(xù)的電梯運行程序

46、來決定。根據設計要求，電梯每秒升降一層，系統時鐘選擇 2HZ,因此設有計數器，當計數器到 6 時，3 秒時間到，計數器的值恢復為 0，樓層顯示則相應地加 1 或減 1。樓層檢測流程圖如圖3.6 所示。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 17圖圖 3.63.6 樓層檢測模塊流程圖樓層檢測模塊流程圖3.4 樓層數碼管顯示模塊樓層數碼管顯示模塊 表 3.1 為 7 段譯碼真值表：當輸出端狀態(tài)為 1 時表示該段亮，當輸出端狀態(tài)為 0 時表示該段滅。數碼管顯示當前電梯所在樓層，即 current_floor。表表 3.13.1 七段譯碼真值表七段譯碼真值表輸出筆狀態(tài)顯示數字abcdefg10110

47、000210110113100111141100110 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 183.5 開關門控制模塊開關門控制模塊 當 state（2）0 時，啟動開關門控制，電梯門共有三個狀態(tài)，分別為開門(door11)、準備關門（door01）和關門（door00）狀態(tài)。其中，一般情況下開門時間為 4 秒（0door_time8） ，準備關門狀態(tài)為 1 秒(7door_time20）則電梯開始報警，準備關門，并在 3 秒后自動關門。開關門控制流程圖如圖 3.7 所示。圖圖 3.73.7 開關門控制流程圖開關門控制流程圖 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 193.6 電梯運行模塊

48、電梯運行模塊 電梯運行模塊是控制系統的關鍵，這個模塊中的很多判斷條件是以信號燈的狀態(tài)為依據，而后根據本模塊輸出的電梯上升、下降、停止等狀態(tài)信號反過來又控制信號燈的狀態(tài)。 電梯運行時，遵循電梯內部請求優(yōu)先響應的原則，同時響應請求信號遵循運行方向優(yōu)先原則，即：電梯處于上升模式時，電梯只響應比電梯所在位置高的上樓信號，由下至上依次執(zhí)行，直到最后一個上樓請求執(zhí)行完畢，如更高層有下樓請求時，則直接上升到有下降請求的最高樓接客，然后進入下降模式。當電梯處于下降模式時，電梯只響應比所在樓層低的下樓信號，由上至下依次響應，直到最后一個上樓請求執(zhí)行完畢，若更低樓層有上升請求，則直接下降到有上升請求的最低樓接客，

49、然后進入上升模式。電梯運行流程圖如圖 3.8 所示。 當系統復位時，電梯處于停止和等待的狀態(tài)。 （1）當電梯在 1 樓時： 若電梯停在 1 樓（run0） ，先判斷 1 樓是否有上升請求，若有 1 樓的外部上升請求，則電梯開門關門，再判斷 2-3 樓是否有外部上升請求或內部 2-4樓的請求，若 2-3 樓有外部上升請求或有內部請求到達 24 樓，則電梯運行（run1） ，此時電梯處于上升狀態(tài)去應答上升請求（state（1 downto 0）11） ，最后判斷 2-4 樓是否有外部下降請求，若 2-4 樓有外部下降請求，則電梯運行（run1）此時電梯處于上升狀態(tài)去應答下降請求（state（1 d

50、ownto 0）01） 。 若電梯正在運行（run1）：當電梯處于下降狀態(tài)時且 1 樓有上升請求或有內部到達 1 樓的請求時，電梯停止運行并開門。（2）當電梯在 2 樓時：當電梯停在 2 樓時（run0）：先判斷 2 樓是否有外部上升或下降的請求，若電梯在 2 樓有外部上升或下降請求，則電梯開門；若電梯當前處于下降狀態(tài)（state（0）0） ，則再判斷電梯是否有內部 1 樓請求，若有內部請求去 1 樓，則電梯開始運行（run1） ，電梯變?yōu)橄陆禒顟B(tài)去響應下降請求（state（1 downto 0）00） ，再判斷電梯是否有 1 樓的外部上升請求，若電梯有 1 樓外部上升請求，則電梯開始運行（r

51、un1） ，電梯變?yōu)橄陆禒顟B(tài)去響應上升請求（state（1 downto 0）10） ，再判斷電梯是否有 3-4 樓的內部請求或 3 樓的外部上升請求，如果電梯內部有 3-4 樓請求或 3 樓有外部上升請求，則電梯開始運行（run1） ，此時電梯變?yōu)樯仙隣顟B(tài)去應答上升請求（state（1 downto 0）11） ；最后判斷是否有 3-4 樓的外部下降請求，若有 3-4 樓的外部下降請 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 20求，則電梯開始運行（run1） ，此時電梯變?yōu)樯仙隣顟B(tài)去響應下降請求（state（1 downto 0）01） ；若電梯當前處于上升狀態(tài)（state（0）1） ，則再

52、判斷電梯是否有 3-4 樓的內部請求或 3 樓的外部上升請求，如果電梯內部有 3-4 樓請求或 3 樓有外部上升請求，則電梯開始運行（run1） ，此時電梯變?yōu)樯仙隣顟B(tài)去應答上升請求（state（1 downto 0）11） ；再判斷是否有 3-4樓的外部下降請求，若有 3-4 樓的外部下降請求，則電梯開始運行（run1） ，此時電梯變?yōu)樯仙隣顟B(tài)去響應下降請求（state（1 downto 0）01） ，再判斷電梯是否有內部 1 樓請求，若有內部請求去 1 樓，則電梯開始運行（run1） ，電梯變?yōu)橄陆禒顟B(tài)去響應下降請求（state（1 downto 0）00） ，最后判斷電梯是否有 1 樓的

53、外部上升請求，若電梯有 1 樓外部上升請求，則電梯開始運行（run1） ，電梯變?yōu)橄陆禒顟B(tài)去響應上升請求（state（1 downto 0）10） ； 若電梯正在運行（run1） ，則當電梯處于上升狀態(tài)去完成上升請求時（state（1 downto 0）11） ，若 2 樓有外部上升請求，則電梯停運并開門；若電梯處于上升狀態(tài)去應答下降信號時（state（1 downto 0）01） ，若 2 樓有外部下降請求且 34 樓沒有外部下降請求，則電梯停運并開門；若電梯處于下降狀態(tài)去應答下降信號時（state（1 downto 0）00） ，若 2 樓有外部下降請求，則電梯停運并開門；若電梯處于下降狀

54、態(tài)去完成上升請求時（state（1 downto 0）10） ，若 2 樓有外部上升請求且 1 樓沒有上升請求時，電梯停運并開門。（3）當電梯在 3 樓時：電梯運行狀態(tài)與 2 樓類似。（4）當電梯在 4 樓時：當電梯停在 4 樓時（run0）：先判斷是否有 4 樓的外部下降請求 4 樓有外部下降請求，則電梯開門；在判斷 2-3 樓是否有外部下降請求或 1-3 樓的內部請求，若 23 樓有外部下降請求或電梯內部有到 13 樓的請求時，則電梯開始運行（run1） ，此時電梯處于下降狀態(tài)去完成下降信號（state（1 downto 0）00） ，最后判斷電梯是否有 1-3 樓的外部上升請求，若 13

55、 樓有外部上升請求時，電梯運行（run1） ，此時電梯處于下降狀態(tài)去應答上升信號（state（1 downto 0）01） 。若電梯正在運行（run1） ，當電梯處于下降狀態(tài)且 4 樓外部有下降請求或有到 4 樓的內部請求時，電梯停止運行并開門。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 21圖圖 3.83.8 電梯運行流程圖電梯運行流程圖 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 22第第 4 章章四層電梯控制系統展示四層電梯控制系統展示4.1 系統軟件驗證系統軟件驗證 系統通過仿真后，根據 EDA 實驗開發(fā)平臺的實際情況，選擇可編程邏輯器件 CPLD/FPGA，進行管腳分配，鎖定管腳進行編譯，

56、將編譯產生的 SOF 文件，通過下載電纜配置到硬件中，將目標板和并口通信線連接好，驗證電子密碼鎖的功能。該系統選擇器件為 EP1K30QC208-2。管腳鎖定對照表如表 4.1 所示。系統仿真圖如圖 4.1 所示。表表 4.14.1 信號與管教對照表信號與管教對照表 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 23圖圖 4.14.1 系統仿真圖系統仿真圖 如圖 4.1，當復位時（rst1） ，電梯門關閉（door00） ，電梯處于 1 樓（led7s0000110） ，電梯停止運行（run1） 。當有外部的 2 樓上升請求時，2 樓的外部上升信號指示燈亮（up_req(2)=1） ，電梯開始運行（

57、run1） ，電梯上升（u_d=1） 。3 秒后，電梯到達 2 樓（led7s1011011） ，電梯停止運行（run1） ，電梯開門（door11） ，2 樓外部上升請求指示燈滅（up_req(2)=0） 。4 秒后電梯準備關門（door10） ，再過 1 秒后電梯關門（door00） 。4.24.2 四層電梯控制系統相應圖片展示四層電梯控制系統相應圖片展示程序下載成功后，運行系統可得到展示結果。（1） 電梯復位如圖 4.2 所示，當復位時，電梯處于 1 樓停止的狀態(tài)。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 24圖圖 4.24.2 成果展示圖成果展示圖 1 1：電梯復位：電梯復位 （2）

58、電梯有 3 樓內部請求： 如圖 4.3 所示，當內部有 3 樓的請求信號時 3 樓的請求指示燈亮，上升/下降指示燈亮,說明電梯在向上運行，run 運行指示燈亮。 當電梯到達 3 樓時，3 樓指示燈滅，run 運行指示燈滅，電梯開門，門控指示燈都亮。如圖 4.4 所示。圖圖 4.34.3 成果展示圖成果展示圖 2 2：電梯在：電梯在 1 1 樓，內部有到樓，內部有到 3 3 樓的請求，開始上升樓的請求，開始上升 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 25圖圖 4.44.4 成果展示圖成果展示圖 3 3：電梯上升到：電梯上升到 3 3 樓，開門樓，開門 （3）電梯在 1 樓，2 樓 3 樓同時發(fā)

59、出外部上升請求： 如圖 4.5 所示，當電梯在 1 樓時，2 樓 3 樓外部同時有向上請求時，電梯2 樓 3 樓上升指示燈亮，上升/下降指示燈亮，run 運行指示燈亮。電梯先應答2 樓的上升請求，然后再應答 3 樓的上升請求。如圖 4.6、4.7 所示。圖圖 4.54.5 成果展示圖成果展示圖 4 4：電梯在：電梯在 1 1 樓，上升狀態(tài)樓，上升狀態(tài) 2 2、3 3 樓外部有上升請求樓外部有上升請求 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 26圖圖 4.64.6 成果展示圖成果展示圖 5 5：上升狀態(tài)，應答：上升狀態(tài)，應答 2 2 樓上升請求，開門樓上升請求，開門圖圖 4.74.7 成果展示圖

60、成果展示圖 6 6：上升狀態(tài)，應答：上升狀態(tài)，應答 3 3 樓上升請求，開門樓上升請求，開門 （4）電梯在 4 樓，2 樓 3 樓同時發(fā)出外部向下請求： 如圖 4.8 所示，當電梯在 4 樓時，2 樓 3 樓有外部下降請求時，2 樓 3 樓的下降請求指示等亮，運行指示燈亮，上升/下降指示燈滅，電梯向下運行。電梯先應答 3 樓的下降信號再應答 2 樓的下降信號。如圖 4.9、4.10 所示。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統設計 27圖圖 4.84.8 成果展示圖成果展示圖 7 7：電梯在：電梯在 4 4 樓，下降狀態(tài)，樓，下降狀態(tài)，2 2、3 3 樓外部有下降請求樓外部有下降請求圖圖 4.9