基于VHDL的電梯控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（VHDL編程、含）.doc

摘摘 要要 電梯是標(biāo)志現(xiàn)代物質(zhì)文明的垂直運(yùn)輸工具 是機(jī) 電一體化的復(fù)雜運(yùn)輸設(shè) 備 而電梯的核心是電梯控制器 對(duì)于電梯的控制 傳統(tǒng)的方法是使用繼電器 接觸器控制系統(tǒng)進(jìn)行控制 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展 采用硬件描述語(yǔ)言 VHDL 來(lái)完成電梯控制器的設(shè)計(jì) 是設(shè)計(jì)智能化的標(biāo)志 本文結(jié)合 EDA 自上而下的設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析了電梯控制系統(tǒng)的工作原理 給出 了電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖 并用 VHDL 語(yǔ)言描述出了整個(gè)系統(tǒng) 最后用 Quartus 軟件進(jìn)行了仿真 分析了仿真結(jié)果 進(jìn)行了總結(jié) 本文結(jié)構(gòu)主要分成四大部分 第一章介紹了電梯控制系統(tǒng)的發(fā)展情況及發(fā)展趨勢(shì) 交代了課題的研究背 景 并對(duì)要完成的工作做了介紹 第二章介紹了 EDA 技術(shù)的主要特點(diǎn) 并對(duì) VHDL 語(yǔ)言的功能及其結(jié)構(gòu)進(jìn) 行了描述 并著重介紹了狀態(tài)機(jī)的含義 第三章以 VHDL 語(yǔ)言作為描述工具 對(duì)四層電梯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 給出了 電梯控制器的設(shè)計(jì)流程和狀態(tài)機(jī)描述 第四章用 Quartus 軟件對(duì)程序進(jìn)行了仿真 并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了說(shuō)明和分 析 并進(jìn)行總結(jié) 關(guān)鍵字 關(guān)鍵字 電梯控制器 EDA VHDL 狀態(tài)機(jī) 1 The elevator control system based on VHDL Abstract The elevator is symbolized the modern material civilization verticaltransport means are machine the electricity integration complextransport vehicle It involves the electronic technology themechanical engineering the electric power electronic technology themicrocomputer technology the electric power drives the system and thecivil engineering and so on many scientific domains At present theelevator production situation and the use quantity have become one ofnational modernization degree symbols Along with the modernized cityhigh speed development has the massive streams of people and thething class every day needs to transport In order to save with andthe adaption economics and trade enterprise development a flickeringtall building rises straight from the ground these high riseconstructions vertical transportation are a prominent question withpeople s work and life close correlation Along with society s development the elevator use is more and morecommon from originally only in the commercial building theguesthouse use transited to in place use and so on the officebuilding building of residence and also unceasingly enhances to theelevator function request correspondingly its control mode also indoes not stop changes Regarding the elevator control the traditionalmethod is uses the relay contact device control system to carry onthe control along with the technical unceasing development themicrocomputer is day by day widespread in elevator controlapplication now entered the entire microcomputer control the time The present era day by day increases along with the high riseconstruction with the architectural design scale enhancement causesthe people more and more to be also high to the elevator request Atpresent not only has been restricted in requests the elevator totravel by fast comfortable manufacture firm the decoration iselegant the people to the elevator security reliability andmulti purpose were proposing the more and more high request is facingthe control intellectualization direction for this elevator todevelop But the elevator core is the elevator controller the elevatorcontroller realization also has many center ways such as PLC monolithic integrated circuit and so on In the before elevatorcontroller design majority of all was uses PLC to realize but PLCwas realizes the elevator control based on the periphery hardware such design was very difficult to realize the elevatorintellectualization had to realize the elevator intellectualization had to select other design methods to complete to the elevatorcontroller design but used the hardware description language tocomplete the elevator controller the design could the very easyrealization elevator intelligence Essential character Elevator controller CPLD VHDL conditionmachine 2 目目 錄錄 目目 錄錄 0 0 1 1 緒論緒論 1 1 1 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 1 2 電梯智能化及其實(shí)現(xiàn) 1 1 2 1 接口層的實(shí)現(xiàn) 2 1 2 2 群控策略的選擇 2 1 3 論文的主要工作及結(jié)構(gòu) 3 2 EDA 技術(shù)及 VHDL 語(yǔ)言 3 3 2 1 EDA 技術(shù) 3 2 2 VHDL 語(yǔ)言 4 3 四層電梯控制器的 VHDL 設(shè)計(jì) 5 5 3 1 PLC 電梯控制缺點(diǎn) 5 3 2 電梯控制器流程 6 3 3 狀態(tài)機(jī)及其 VHDL 設(shè)計(jì) 9 3 3 1 狀態(tài)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和功能 10 3 3 2 一般狀態(tài)機(jī)的 VHDL 設(shè)計(jì) 11 3 4 四層電梯控制器具體設(shè)計(jì) 12 3 4 1 四層電梯控制器的功能及設(shè)計(jì)思路 12 4 4 四層電梯控制器的調(diào)試及仿真四層電梯控制器的調(diào)試及仿真 1515 4 1 程序修改調(diào)試 15 4 2 波形仿真 16 5 結(jié)束語(yǔ) 19 謝辭 19 參考文獻(xiàn) 21 附錄 1 狀態(tài)機(jī)的 VHDL 程序 22 附錄 2 四層電梯控制器的 VHDL 描述源程序 24 3 1 緒論緒論 1 11 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 在現(xiàn)代化城市的高速發(fā)展中 一幢幢高樓拔地而起 電梯是樓房里上下運(yùn)送 乘客或貨物的垂直運(yùn)輸設(shè)備 我國(guó)電梯行業(yè)的發(fā)展歷程 從改革開放到今天 電梯行業(yè)在不知不覺(jué)中走過(guò)了一個(gè)從無(wú)到有 從有到多 從多到精的發(fā)展歷程 隨著住宅市場(chǎng)的巨大變化 中國(guó)已經(jīng)成為全球容量最大 增長(zhǎng)最快的電梯市場(chǎng) 目前 我國(guó)電梯保有量已超過(guò) 100 萬(wàn)臺(tái) 且保持每年 20 的遞增速度 市場(chǎng)前 景樂(lè)觀 這些電梯服務(wù)于寫字間 公寓 商場(chǎng)等各種場(chǎng)所 但是電梯行業(yè)業(yè)內(nèi) 都知道 電梯的核心部件是電梯控制 該部件的好壞不僅影響電梯的運(yùn)行質(zhì)量 還會(huì)影響電梯的安全性和可靠性能 上世紀(jì) 80 年代 國(guó)內(nèi)電梯行業(yè)基本應(yīng)用傳 統(tǒng)的繼電器控制方式 電梯故障率很高 改革開放以來(lái) 國(guó)外的電梯公司紛紛 登陸中國(guó)市場(chǎng) 在國(guó)內(nèi)建立了一批有規(guī)模的合資企業(yè) 他們帶來(lái)的技術(shù)比較先 進(jìn) 但這些外國(guó)公司對(duì)電梯控制系統(tǒng)的技術(shù)控制非常嚴(yán)格 國(guó)內(nèi)的中小型企業(yè) 根本沒(méi)有能力與他們競(jìng)爭(zhēng) 總的來(lái)說(shuō) 我國(guó)電梯市場(chǎng)潛力很大 但是國(guó)產(chǎn)電梯 市場(chǎng)占有率不容樂(lè)觀 中國(guó)電梯企業(yè)有待發(fā)展 在現(xiàn)代化城市的高速發(fā)展中 一幢幢高樓拔地而起 電梯是樓房里上下運(yùn)送 乘客或貨物的垂直運(yùn)輸設(shè)備 我國(guó)電梯行業(yè)的發(fā)展歷程 從改革開放到今天 電梯行業(yè)在不知不覺(jué)中走過(guò)了一個(gè)從無(wú)到有 從有到多 從多到精的發(fā)展歷程 隨著住宅市場(chǎng)的巨大變化 中國(guó)已經(jīng)成為全球容量最大 增長(zhǎng)最快的電梯市場(chǎng) 目前 我國(guó)電梯保有量已超過(guò) 100 萬(wàn)臺(tái) 且保持每年 20 的遞增速度 市場(chǎng)前 景樂(lè)觀 這些電梯服務(wù)于寫字間 公寓 商場(chǎng)等各種場(chǎng)所 自 1889 美國(guó)的奧的斯升降機(jī)公司推出了世界第一部以直流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力誕 生名副其實(shí)的電梯 從而徹底改寫了人類使用升降工具的歷史 上世紀(jì) 90 年代 隨的升降機(jī)著世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及經(jīng)濟(jì)全球化 發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家紛紛研制出 高速及超高速電梯 電梯不僅是代步的工具 也是人類文明的標(biāo)志 其技術(shù)的發(fā) 展正體現(xiàn)了社會(huì)的進(jìn)步與文明 隨著電梯技術(shù)的發(fā)展 綠色化 低能耗 智能化 網(wǎng)絡(luò)化 藍(lán)牙技術(shù)的電梯成為一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì) 1 21 2 電梯智能化及其實(shí)現(xiàn)電梯智能化及其實(shí)現(xiàn) 電梯行業(yè)內(nèi)都知道 電梯的核心部件是電梯控制 該部件的好壞不僅影響 電梯的運(yùn)行質(zhì)量 還會(huì)影響電梯的安全性和可靠性能 對(duì)于電梯控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō) 智能化的發(fā)展將是電梯行業(yè)未來(lái)發(fā)展的必經(jīng)之路 將人工智能應(yīng)用到電梯控制領(lǐng)域是從上世紀(jì) 80 年代開始的 那時(shí)人工智能 4 蓬勃發(fā)展 專家系統(tǒng) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模糊控制等許多最新的人工智能成果都被應(yīng) 用到電梯群控的派梯算法上 但這些具有智能化派梯策略的電梯在中國(guó)的使用 卻很晚 使用量并不是很大 這是由多種原因造成的 智能化電梯群控系統(tǒng)可 以大大提高電梯群的派梯效率 減少乘客的候梯時(shí)間 降低電梯的能耗 對(duì)電梯的原有機(jī)械電梯部分基本不作改動(dòng) 包括提升部分 廳門控制部分 等等 只是在原有電梯控制系統(tǒng)之上增加一層接口層 在接口層實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯各 種信號(hào)的采集和通過(guò)電梯的原有外部輸入接口實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯控制信號(hào)的輸入 在 接口層之上實(shí)現(xiàn)電梯群的智能化群控 1 2 1 接口層的實(shí)現(xiàn)接口層的實(shí)現(xiàn) 電梯智能化改造的實(shí)現(xiàn)與原有電梯的接口部分很重要 與原有系統(tǒng)的接口 包括兩個(gè)部分 一是電梯的狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集 二是控制信號(hào)的回送 始終強(qiáng)調(diào) 電梯的改造最重要的是不可以降低原有系統(tǒng)的安全性 如果原有電梯控制系統(tǒng) 仍能滿足需要 應(yīng)盡量減少對(duì)原有電梯控制系統(tǒng)的改變 同時(shí)又要能夠及時(shí)得 到電梯的狀態(tài)變化 并實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的調(diào)度 接口層的實(shí)現(xiàn)采用分布式控制技術(shù) 在每 臺(tái)電梯的每一樓層的外招板上 加裝一塊外招接口板 在內(nèi)招板上加裝一塊內(nèi)招接口板 在電梯控制柜中加裝 一塊梯態(tài)接口板 這些接口板上都有一個(gè)獨(dú)立的 CPU 控制著各自的信號(hào)采集 發(fā)送 接收 轉(zhuǎn)發(fā) 它們通過(guò)一條公用總線與信號(hào)采集主機(jī)相連 信號(hào)采集主 機(jī)負(fù)責(zé)電梯所有信號(hào)的收集和轉(zhuǎn)發(fā) 負(fù)責(zé)將收集到的電梯信號(hào)送達(dá)上層的群控 主機(jī)和實(shí)時(shí)監(jiān)控主機(jī) 并轉(zhuǎn)發(fā)群控主機(jī)和監(jiān)控主機(jī)發(fā)出的控制信號(hào) 通過(guò)各樓層加裝的外招接口板采集所有外招信號(hào) 電梯內(nèi)加裝的內(nèi)招接口 板采集電梯的內(nèi)招信號(hào) 電梯的控制柜中加裝的電梯狀態(tài)接口板采集電梯的目 前狀態(tài) 如口前樓層 運(yùn)行方向 電梯門狀態(tài) 電梯停止等信號(hào) 通過(guò)串行總 線送往群控主機(jī) 群控主機(jī)根據(jù)采集到的信號(hào)作派梯選澤 將派梯信號(hào)回送到 外招接口板 由外招接口板將信號(hào)發(fā)送給電梯的外招板 完成派梯 1 2 2 群控策略的選擇群控策略的選擇 近 20 年來(lái) 人們對(duì)電梯的智能群控策略有很多研究 提出了各種智能群控 算法 它們實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和性能也各不相同 一種是采用專家系統(tǒng) 即收集專 家在電梯控制領(lǐng)域的各種知識(shí) 也就是說(shuō)對(duì)在電梯的各種不同情況下專家們有 可能采取的策略進(jìn)行匯總 分類 組織成規(guī)則庫(kù) 然后根據(jù)采集到的電梯的數(shù) 據(jù)以規(guī)則庫(kù)里的推理規(guī)則確定電梯的派梯方案 另一種是采用模糊推理規(guī)則 即綜合考慮評(píng)價(jià)梯群性能的各種標(biāo)準(zhǔn) 如平均等待時(shí)間 長(zhǎng)時(shí)間等待率 電梯 能耗等等 確定一個(gè)隸屬度函數(shù) 將電梯的各種輸入?yún)?shù)模糊化后輸入系統(tǒng) 5 通過(guò)模糊判斷規(guī)則根據(jù)隸屬度函數(shù)來(lái)確定一個(gè)最佳派梯 1 31 3 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)論文的主要工作及結(jié)構(gòu) 本論文選擇 VHDL 語(yǔ)言對(duì)電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行描述 主要工作有用 VHDL 語(yǔ)言作為描述工具 對(duì)四層電梯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 給出了電梯控制器的設(shè)計(jì)流 程和狀態(tài)機(jī)描述 并用 Quartus 軟件對(duì)程序進(jìn)行了仿真 并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了 說(shuō)明和分析 并進(jìn)行總結(jié) 本論文的主要結(jié)構(gòu)為 第二章介紹了 EDA 技術(shù)的主要特點(diǎn) 并對(duì) VHDL 語(yǔ)言的功能及其結(jié)構(gòu)進(jìn) 行了描述 并著重介紹了狀態(tài)機(jī)的含義 第三章以 VHDL 語(yǔ)言作為描述工具 對(duì)四層電梯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 給出了 電梯控制器的設(shè)計(jì)流程和狀態(tài)機(jī)描述 第四章用 Quartus 軟件對(duì)程序進(jìn)行了仿真 并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了說(shuō)明和分 析 并進(jìn)行總結(jié) 2 EDA 技術(shù)及技術(shù)及 VHDL 語(yǔ)言語(yǔ)言 2 12 1 EDA 技術(shù)技術(shù) EDA 技術(shù)的概念 EDA 是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的縮寫 由于它是一門剛剛發(fā)展 起來(lái)的新技術(shù) 涉及面廣 內(nèi)容豐富 理解各異 所以目前尚無(wú)一個(gè)確切的定 義 但從 EDA 技術(shù)的幾個(gè)主要方面的內(nèi)容來(lái)看 可以理解為 EDA 技術(shù)是以 大規(guī)模可編程邏輯器件為設(shè)計(jì)載體 以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表 達(dá)方式 以計(jì)算機(jī) 大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì) 工具 通過(guò)有關(guān)的開發(fā)軟件 自動(dòng)完成用軟件的方式設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng) 的一門新技術(shù) 1993 年 IEEE 對(duì) VHDL 進(jìn)行了修訂 增加了部分新的 VHDL 命 令與屬性 并公布了新版本的 VHDL 即 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 1076 1993 版本 現(xiàn)在 VHDL 已經(jīng)成為系統(tǒng)描述的國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn) 得到眾多 EDA 公司的支持 越來(lái)越 多的硬件設(shè)計(jì)者使用 VHDL 描述數(shù)字系統(tǒng) EDA 技術(shù)的基本特征 EDA 代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向 利 用 EDA 工具 電子設(shè)計(jì)師可以從概念 算法 協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng) 大量 工作可以通過(guò)計(jì)算機(jī)完成 并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì) 性能分析到設(shè)計(jì)出 IC 版圖或 PCB 版圖的整個(gè)過(guò)程在汁算機(jī)上自動(dòng)處理完成 EDA 技術(shù)的應(yīng)用 電子 EDA 技術(shù)發(fā)展迅猛 逐漸在教學(xué) 科研 產(chǎn)品設(shè)計(jì) 與制造等各方面都發(fā)揮著巨大的作用 在教學(xué)方面 幾乎所有理工科 特別是電 子信息 類的高校都開設(shè)了 EDA 課程 主要是讓學(xué)生了解 EDA 的基本原理和基 6 本概念 鱗握用佃 L 描述系統(tǒng)邏輯的方法 使用扔 A 工具進(jìn)行電子電路課程的 模擬仿真實(shí)驗(yàn)并在作畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)從事簡(jiǎn)單電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 為今后工作打下基 礎(chǔ) 具有代表性的是全國(guó)每?jī)赡昱e辦一次大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng) 在科研方 面 主要利用電路仿真工具 EwB 或 PSPICE VLOL 等 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真 利用虛擬儀器進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)試 將 O LI FPGA 器件的開發(fā)應(yīng)用到儀器設(shè)備中 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造方面 從高性能的微處理器 數(shù)字信號(hào)處理器一直到彩 電 音響和電子玩具電路等 EDA 技術(shù)不單是應(yīng)用于前期的計(jì)算機(jī)模擬仿真 產(chǎn)品調(diào)試 而且也在電子的制作 電子設(shè)備的研制與生產(chǎn) 電路板的焊接 朋 比的制作過(guò)程等有重要作用 可以說(shuō)電子 EDA 技術(shù)已經(jīng)成為電子工業(yè)領(lǐng)域不可 缺少的技術(shù)支持 EDA 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) EDA 技術(shù)在進(jìn)入 21 世紀(jì)后 由于更大規(guī)模的 FPGA 和凹器件的不斷推出 在仿真和設(shè)計(jì)兩方面支持標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言的功能強(qiáng)大 的 EDA 軟件不斷更新 增加 使電子 EDA 技術(shù)得到了更大的發(fā)展 電子技術(shù) 全方位納入 EDA 領(lǐng)域 EDA 使得電子領(lǐng)域各學(xué)科的界限更加模糊 更加互為 包容 突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 使電子設(shè)計(jì)成果以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的方式得以 明確表達(dá)和確認(rèn)成為可能 基于 EDA 工具的 ASIC 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單元已涵蓋大規(guī)模 電子系統(tǒng)及 IP 核模塊 軟硬件 IP 核在電子行業(yè)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域 技術(shù)領(lǐng)域和設(shè)計(jì) 應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步確認(rèn) SoC 高效低成本設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟 隨著半導(dǎo)體技術(shù) 集成技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展 電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段都發(fā)生了 很大的變化 可以說(shuō)電子 EDA 技術(shù)是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命 2 22 2 VHDL 語(yǔ)言語(yǔ)言 VHDL 的英文全名是 Very High Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language 誕生于 1982 年 VHDL 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 行為 功能 和接口 除了含有許多具有硬件特征的語(yǔ)句外 VHDL 的語(yǔ)言形式和描述風(fēng)格 與句法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言 VHDL 的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng) 工程設(shè)計(jì) 或稱設(shè)計(jì)實(shí)體 可以是一個(gè)元件 一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng) 分成 外部 或稱可是部分 及端口 和內(nèi)部 或稱不可視部分 既涉及實(shí)體的內(nèi)部功 能和算法完成部分 在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后 一旦其內(nèi)部開發(fā)完 成后 其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體 這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的 概念是 VHDL 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn) VHDL 的主要特點(diǎn)如下 1 作為 HDL 的第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) VHDL 具有很強(qiáng)的可移植性 2 具有豐富的模擬仿真語(yǔ)句和庫(kù)函數(shù) 隨時(shí)可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬 因 而能將設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤消除在電路系統(tǒng)裝配之前 在設(shè)計(jì)早期就能檢查設(shè)計(jì)系統(tǒng) 7 功能的可行性 有很強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力 3 VHDL 有良好的可讀性 接近高級(jí)語(yǔ)言 容易理解 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān) 方便了工藝的轉(zhuǎn)換 也不會(huì)因工藝變化而 使描述過(guò)時(shí) 5 支持模塊化設(shè)計(jì) 可將大規(guī)模設(shè)計(jì)項(xiàng)目分解成若干個(gè)小項(xiàng)目 還可以 把已有的設(shè)計(jì)項(xiàng)目作為一個(gè)模塊調(diào)用 6 對(duì)于用 VHDL 完成的一個(gè)確定設(shè)計(jì) 可以利用 EDA 工具進(jìn)行邏輯綜 合和優(yōu)化 并能自動(dòng)地把 VHDL 描述轉(zhuǎn)變成門電路級(jí)網(wǎng)表文件 7 設(shè)計(jì)靈活 修改方便 同時(shí)也便于設(shè)計(jì)結(jié)果的交流 保存和重用 產(chǎn) 品開發(fā)速度快 成本低 用 VHDL 設(shè)計(jì)電路主要的工作過(guò)程是 1 編輯 用文本編輯器輸入設(shè)計(jì)的源文件 為了提高輸入效率 可用某 些專用編輯器 2 編譯 用編譯工具將文本文件編譯成代碼文件 并檢查語(yǔ)法錯(cuò)誤 3 功能仿真 前仿真 在編譯前進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證 此時(shí)的仿真沒(méi)有 延時(shí) 對(duì)于初步的功能檢測(cè)非常方便 4 綜合 將設(shè)計(jì)的源文件用自動(dòng)綜合工具由語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電路圖 門電路級(jí)網(wǎng)表 但此時(shí)還沒(méi)有在芯片中形成真正的電路 就好像是把設(shè)計(jì)者 腦海中的電路畫成了原理圖 5 布局 布線 用已生成的網(wǎng)表文件 再根據(jù) CPLD 或 FPGA 器件 的容量和結(jié)構(gòu) 用自動(dòng)布局布線工具進(jìn)行電路設(shè)計(jì) 首先根據(jù)網(wǎng)表文件內(nèi)容和 器件結(jié)構(gòu)確定邏輯門的位置 然后再根據(jù)網(wǎng)表提供的門連接關(guān)系 把各個(gè)門的 輸入輸出連接起來(lái) 類似于設(shè)計(jì) PCB 印刷電路板 時(shí)的布局布線工作 最后 生成一個(gè)供器件編程 或配置 的文件 同時(shí)還會(huì)在設(shè)計(jì)項(xiàng)目中增加一些時(shí)序 信息 以便于后仿真 6 后仿真 時(shí)序仿真 這是與實(shí)際器件工作情況基本相同的仿真 用 來(lái)確定設(shè)計(jì)在經(jīng)過(guò)布局 布線之后 是否仍能滿足設(shè)計(jì)要求 如果設(shè)計(jì)的電路 時(shí)延滿足要求 則可以進(jìn)行器件編程 或配置 3 四層電梯控制器的四層電梯控制器的 VHDL 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 電梯的微機(jī)化控制主要有以下幾種形式 1 PLC 控制 2 單板機(jī)控制 3 單片機(jī)控制 4 單微機(jī)控制 5 多微機(jī)控制 6 人工智能控制 隨著 EDA 技術(shù) 的快速發(fā)展 CPLD FPGA 已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)與控制的各個(gè)方面 但是本 設(shè)計(jì)屏棄以前老式的采用 PLC 設(shè)計(jì)電梯控制器 而是使用 EDA 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) 電梯的控制的 8 3 13 1 PLC 電梯控制缺點(diǎn)電梯控制缺點(diǎn) 當(dāng)今電梯市場(chǎng)已經(jīng)有多種電梯控制器的設(shè)計(jì)方案 但大多數(shù)仍然是采用 PLC 實(shí)現(xiàn)電梯的升降控制 但是采用 PLC 實(shí)現(xiàn)電梯控制器的設(shè)計(jì)存在大量的 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 如果采用硬件描述語(yǔ)言來(lái)完成電梯控制器的設(shè)計(jì) 就可以克服 PLC 電梯的大部分缺點(diǎn) 目前 在我國(guó)國(guó)產(chǎn)電梯大部分為繼電器及 PLC 控制方式 繼電器控制系統(tǒng) 性能不穩(wěn)定 故障率高 大大降低了電梯的舒適性 可靠性和安全性 經(jīng)常造 成停梯 給乘用人員的生活和工作帶來(lái)了很多不便 因而傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng) 的更新勢(shì)在必行 當(dāng)前電梯發(fā)展的智能化發(fā)方向是 IC 卡智能電梯 但最終的發(fā)展是聲控智能 電梯 IC 卡智能電梯 PLC 都需通過(guò)外加 IC 讀卡芯片才能實(shí)現(xiàn) PLC 單獨(dú)是不 能實(shí)現(xiàn)的 那以后的聲控智能電梯 PLC 就能不能單獨(dú)實(shí)現(xiàn) 然而我們采用 VHDL 技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)電梯的智能化 節(jié)能 也可以提高電梯的舒適性 可靠 性和安全性 本次設(shè)計(jì)嘗試用硬件描述語(yǔ)言 VHDL 來(lái)實(shí)現(xiàn)電梯控制 可進(jìn)行多層次 的邏輯設(shè)計(jì) 也可進(jìn)行仿真驗(yàn)證 時(shí)序分析等以保證設(shè)計(jì)的正確 在使用 VHDL 進(jìn)行電梯控制器的設(shè)計(jì) 主要就是對(duì)電梯軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì) 使用 VHDL 中的邏輯關(guān)系建立電梯的升降模式 開門 關(guān)門達(dá)到動(dòng)作 而外部 的硬件設(shè)備基本上保持不變 但是使用 VHDL 硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)電梯控制器可 以為以后電梯實(shí)現(xiàn)智能控制奠定基礎(chǔ) 3 23 2 電梯控制器流程電梯控制器流程 外部按鍵設(shè)備 狀態(tài)寄存器 請(qǐng)求信號(hào)寄存器 內(nèi)部軟件執(zhí)行器構(gòu) 外部硬件執(zhí)行器構(gòu) 9 Y Y N 圖 1 總流程圖 N N 圖 2 電梯運(yùn)行流程圖 Y 停車 初始化 清平層信號(hào) 停車 消同向選層信號(hào) 消該層信號(hào) 顯示 上下行判斷 掃描電梯位置 有無(wú)平層信號(hào) 目的層到否 下行控制上行控制 返回 上 下運(yùn)行 等待請(qǐng)求 目的層到否 有無(wú)同向選層信號(hào) 有無(wú)同相選層信號(hào) 10 本論文設(shè)計(jì)的電梯控制系統(tǒng)的流程圖主要有 總流程圖 電梯運(yùn)行流程圖 上升模式流程圖 下降模式流程圖和停車門控制流程圖 其中總流程圖指出了 整個(gè)電梯系統(tǒng)各個(gè)部分的聯(lián)系 但是本設(shè)計(jì)的主要部分為電梯的控制系統(tǒng) 所 以對(duì)這一部分不做過(guò)多介紹 電梯的運(yùn)行流程圖則明確的指出了控制系統(tǒng)根據(jù) 電梯當(dāng)前狀態(tài)和外部請(qǐng)求信號(hào)做出相應(yīng)的控制 例如 當(dāng)電梯在二層樓的時(shí)候 接收到第四層樓的下降請(qǐng)求和第三層樓的上升請(qǐng)求 則電梯會(huì)先響應(yīng)第三層樓 的請(qǐng)求 當(dāng)?shù)竭_(dá)第三層樓后 在消除這一信號(hào) 接著響應(yīng)第四層樓的請(qǐng)求 而 電梯的上升和下降模式流程圖則更加具體的指出了電梯在什么情況下上升 在 什么情況下下降 上升過(guò)程中和下降過(guò)程中的一些具體情況 門制系統(tǒng)也是很 重要的一部分 它形象的表達(dá)了電梯在到達(dá)所指定的樓層后所做出的反應(yīng)及其 所等待時(shí)間 總之 這五個(gè)流程圖將電梯控制系統(tǒng)具體化 有利于后面的設(shè)計(jì) 電梯控制器可以通過(guò)多種方法進(jìn)行設(shè)計(jì) 其中采用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 思路比 較清晰 可以將電梯等待的每秒鐘以及開門 關(guān)門都看成一個(gè)獨(dú)立的狀態(tài) 由 于電梯又是每秒上升或下降一層 所以就可以通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的 1 秒為周期的時(shí) N Y N Y N N Y Y N 初始化 一層開門等待 下降模式 上升請(qǐng)求 到最高層 有到目的 層 一層開門等待 Y 上升 N 下降請(qǐng)求 請(qǐng)求 到最低層 請(qǐng)求 到目的層 請(qǐng)求 掃描當(dāng)前層 下降 停車 上升模式 圖 3 上升模式 流程圖 圖 4 下降模式 流程圖 Y 11 鐘來(lái)觸發(fā)狀態(tài)機(jī) 圖 5 停車門控流程圖 3 33 3 狀態(tài)機(jī)及其狀態(tài)機(jī)及其 VHDL 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 有限狀態(tài)機(jī) Finite State Machine 簡(jiǎn)稱 FSM 是一類很重要的時(shí)序電路 是許多數(shù)字系統(tǒng)的核心部件 也是實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一種數(shù)學(xué)模型 是一種重 要的 易于建立的 應(yīng)用比較廣泛的 以描述控制特性為主的建模方法 它可 以應(yīng)用于從系統(tǒng)分析到設(shè)計(jì)的所有階段 有限狀態(tài)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易用 狀 態(tài)間的關(guān)系清晰直觀 建立有限狀態(tài)機(jī)主要有兩種方法 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 和 狀態(tài)轉(zhuǎn)移表 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)通常可分為 Moore 和 Mealy 兩種類型 停車控制程序 到站 開門 等待 2 秒 等待 2 秒 清該層對(duì)應(yīng)指示燈 關(guān)門 返回 12 狀 態(tài) 譯 碼 器 狀 態(tài) 寄 存 器 輸 出 譯 碼 器 輸出信號(hào) 3 3 1 狀態(tài)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和功能 狀態(tài)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 除了輸人信號(hào) 輸出信號(hào)外 狀態(tài)機(jī)還包 含一組寄存器記憶狀態(tài)機(jī)的內(nèi)部狀態(tài) 狀態(tài)機(jī)寄存器的下一個(gè)狀態(tài)及輸出 不 僅同輸入信號(hào)有關(guān) 而且還與寄存器的當(dāng)前狀態(tài)有關(guān) 狀態(tài)機(jī)可以認(rèn)為是組合 邏輯和寄存器邏輯的特殊組合 它包括兩個(gè)主要部分 即組合邏輯部分和寄存 器 組合邏輯部分又可分為狀態(tài)譯碼器和輸出譯碼器 狀態(tài)譯碼器確定狀態(tài)機(jī) 的下一個(gè)狀態(tài) 即確定狀態(tài)機(jī)的激勵(lì)方程 輸出譯碼器確定狀態(tài)機(jī)的輸出 即 確定狀態(tài)機(jī)的輸出方程 寄存器用于存儲(chǔ)狀態(tài)機(jī)的內(nèi)部狀態(tài) 組合邏輯 圖 6 狀態(tài)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 狀態(tài)機(jī)的基本操作有兩種 1 狀態(tài)機(jī)的內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換 狀態(tài)機(jī)經(jīng)歷一系列狀態(tài) 下一狀態(tài)由狀態(tài)譯碼器根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入條件 決定 2 產(chǎn)生輸出信號(hào)序列 輸出信號(hào)由輸出譯碼器根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入條件確定 用輸入信號(hào)決定下 一狀態(tài)也稱為 轉(zhuǎn)移 除了轉(zhuǎn)移之外 復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)還具有重復(fù)和歷程功能 從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)稱為控制定序 而決定下一狀態(tài)所需的邏輯稱為轉(zhuǎn) 移函數(shù) 在產(chǎn)生輸出的過(guò)程中 根據(jù)是否使用輸入信號(hào)可以確定狀態(tài)機(jī)的類型 兩 種典型的狀態(tài)機(jī)是米立 Mealy 狀態(tài)機(jī)和摩爾 Moore 狀態(tài)機(jī) 摩爾狀態(tài)機(jī) 的輸出只是當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù) 而米立狀態(tài)機(jī)的輸出一般是當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào) 的函數(shù) 對(duì)于這兩類狀態(tài)機(jī) 控制定序都取決于當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào) 大多數(shù) 實(shí)用的狀態(tài)機(jī)都是同步的時(shí)序電路 由時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換 時(shí)鐘信 輸入信號(hào) 13 號(hào)同所有的邊沿觸發(fā)的狀態(tài)寄存器和輸出寄存器相連 使?fàn)顟B(tài)的改變發(fā)生在時(shí) 鐘的上升或下降沿 3 3 2 一般狀態(tài)機(jī)的一般狀態(tài)機(jī)的 VHDL 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 1 1 狀態(tài)機(jī)的一般組成狀態(tài)機(jī)的一般組成 用 VHDL 設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)方法有多種 但最一般和最常用的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)通 常包括說(shuō)明部分 主控時(shí)序部分 主控組合部分和輔助進(jìn)程部分 附錄 1 為狀 態(tài)機(jī)的一種設(shè)計(jì)情況 1 說(shuō)明部分 說(shuō)明部分中使用 TYPE 語(yǔ)句定義新的數(shù)據(jù)類型 此數(shù)據(jù)類型為枚舉型 其 元素通常都用狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)名來(lái)定義 狀態(tài)變量定義為信號(hào) 便于信息傳遞 并將狀態(tài)變量的數(shù)據(jù)類型定義為含有既定狀態(tài)元素的新定義的數(shù)據(jù)類型 說(shuō)明 部分一般放在結(jié)構(gòu)體的 ARCHITECTURE 和 BEGIN 之間 2 主控時(shí)序進(jìn)程 是指負(fù)責(zé)狀態(tài)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下負(fù)責(zé)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換的進(jìn)程 狀態(tài)機(jī)隨外 部時(shí)鐘信號(hào)以同步方式工作 當(dāng)時(shí)鐘的有效跳變到來(lái)時(shí) 時(shí)序進(jìn)程將代表次態(tài) 的信號(hào) next state 中的內(nèi)容送入現(xiàn)態(tài)信號(hào) current state 中 而 next state 中的內(nèi) 容完全由其他進(jìn)程根據(jù)實(shí)際情況而定 此進(jìn)程中往往也包括一些清零或置位的 控制信號(hào) 3 主控組合進(jìn)程 根據(jù)外部輸入的控制信號(hào) 包括來(lái)自外部的和狀態(tài)機(jī)內(nèi)容的非主控進(jìn)程的 信號(hào) 或和當(dāng)前狀態(tài)值確定下一狀態(tài) next state 的取值內(nèi)容 以及對(duì)外或?qū)?nèi)部 其他進(jìn)程輸出控制信號(hào)的內(nèi)容 4 輔助進(jìn)程 用于配合狀態(tài)機(jī)工作的組合 時(shí)序進(jìn)程或配合狀態(tài)機(jī)工作的其他時(shí)序進(jìn)程 在一般狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中 為了能獲得可綜合的 高效的 VHDL 狀態(tài)機(jī) 描述 建議使用枚舉類數(shù)據(jù)類型來(lái)定義狀態(tài)機(jī)的狀態(tài) 并使用多進(jìn)程方式來(lái)描 述狀態(tài)機(jī)的內(nèi)部邏輯 例如可使用兩個(gè)進(jìn)程來(lái)描述 個(gè)進(jìn)程描述時(shí)序邏輯 包括狀態(tài)寄存器的工作和寄存器狀態(tài)的輸出 另一個(gè)進(jìn)程描述組合邏輯 包括 進(jìn)程間狀態(tài)值的傳遞邏輯以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換值的輸出 必要時(shí)還可以引入第三個(gè)進(jìn) 程完成其它的邏輯功能 在 VHDL 中可以有兩種方式來(lái)創(chuàng)建反饋機(jī)制 即使用信號(hào)的方式和使用變 量的方式 通常傾向于使用信號(hào)的方式 一般而言 在進(jìn)程中使用變量傳遞數(shù) 14 據(jù) 然后使用信號(hào)將數(shù)據(jù)帶出進(jìn)程 在設(shè)計(jì)過(guò)程中 如果希望輸出的信號(hào)具有 寄存器鎖存功能 則需要為此輸出寫第 3 個(gè)進(jìn)程 并把 clk 和 reset 信號(hào)放入敏 感信號(hào)表中 但必須注意避免由于寄存器的引入而創(chuàng)建了不必要的異步反饋路 徑 根據(jù) VHDL 綜合器的規(guī)則 對(duì)于所有可能的輸入條件 如果進(jìn)程中的輸出 信號(hào)沒(méi)有被明確的賦值時(shí) 此信號(hào)將自動(dòng)被指定 即在未列出的條件下保持原 值 這就意味著引入了寄存器 因此 我們?cè)诔绦虻木C合過(guò)程中 應(yīng)密切注意 VHDL 綜合器給出的警告信息 并根據(jù)警告信息對(duì)程序作必要的修改 一般來(lái)說(shuō) 利用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)步驟 1 分析設(shè)計(jì)要求 列出狀態(tài)機(jī)的全部可能狀態(tài) 并對(duì)每一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行編 碼 2 根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系和輸出函數(shù)畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 3 由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 用 VHDL 語(yǔ)句對(duì)狀態(tài)機(jī)描述 2 2 狀態(tài)機(jī)的編碼方案狀態(tài)機(jī)的編碼方案 在狀態(tài)機(jī)的編碼方案中 有兩種重要的編碼方法 二進(jìn)制編碼和一位熱碼 One Hot 編碼 在二進(jìn)制編碼的狀態(tài)機(jī)中 狀態(tài)位 B 與狀態(tài) S 的數(shù)目之間的關(guān)系為 B log2S 如兩位狀態(tài)位就有 00 01 10 11 四個(gè)不同狀態(tài) 它們?cè)诓煌目?制信號(hào)下可以進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換 但如果各觸發(fā)器又沒(méi)有準(zhǔn)確地同時(shí)改變其輸出值 那么在狀態(tài) 01 變到 10 時(shí)則會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的 11 或 00 狀態(tài)輸出 這類險(xiǎn)象可能使 整個(gè)系統(tǒng)造成不可預(yù)測(cè)的結(jié)果 這時(shí) 采用格雷碼二進(jìn)制編碼是特別有益 在 該編碼方案中 每次僅一個(gè)狀態(tài)位的值發(fā)生變化 一位熱碼編碼就是用 n 個(gè)觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn) n 個(gè)狀態(tài)的編碼方式 狀態(tài)機(jī)中的 每一個(gè)狀態(tài)都由其中一個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)來(lái)表示 如 4 個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)需 4 個(gè)觸 發(fā)器 同一時(shí)間僅一個(gè)狀態(tài)位處于邏輯 1 電平 四個(gè)狀態(tài)分別為 0001 0010 0100 1000 在實(shí)際應(yīng)用中 根據(jù)狀態(tài)機(jī)的復(fù)雜程度 所使用的器件系列和從非法狀態(tài) 退出所需的條件來(lái)選擇最適合的編碼方案 使之能確保高效的性能和資源的利 用 3 43 4 四層電梯控制器具體設(shè)計(jì)四層電梯控制器具體設(shè)計(jì) 3 4 1 四層電梯控制器的功能及設(shè)計(jì)思路四層電梯控制器的功能及設(shè)計(jì)思路 電梯控制器是控制電梯按照顧客要求自動(dòng)上下的裝置 四層電梯控制器的 功能如下 15 1 每層電梯入口處設(shè)有上下請(qǐng)求開關(guān) 電梯內(nèi)設(shè)有顧客到達(dá)層次的停站請(qǐng) 求開關(guān) 2 設(shè)有電梯入口處位置指示裝置及電梯運(yùn)行模式 上升或下降 指示裝置 3 電梯每秒上升 下降 一層樓 4 電梯到達(dá)有停站請(qǐng)求的樓層 經(jīng)過(guò) 1 秒電梯門打開 開門指示燈亮 開 門 4 秒后 電梯門關(guān)閉 開門指示燈滅 電梯繼續(xù)進(jìn)行 直至執(zhí)行完最后一個(gè) 請(qǐng)求信號(hào)停留在當(dāng)前層 5 能記憶電梯內(nèi)外所有請(qǐng)求 并按照電梯運(yùn)行規(guī)則按順序響應(yīng) 每個(gè)請(qǐng)求 信號(hào)保留至執(zhí)行后消除 6 電梯運(yùn)行規(guī)則 當(dāng)電梯處于上升模式時(shí) 只響應(yīng)比電梯所在位置的上樓 請(qǐng)求信號(hào) 由下而上逐個(gè)執(zhí)行 直到最后一個(gè)上樓請(qǐng)求執(zhí)行完畢 如果高層有 下樓請(qǐng)求 則直接升到由下樓請(qǐng)求的最高樓層 然后進(jìn)入下降模式 當(dāng)電梯處 于下降模式則與上升模式相反 7 電梯初始狀態(tài)為一層開門狀態(tài) 采用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電梯控制器 思路比較清晰 通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的 1 秒為周期 的時(shí)鐘來(lái)觸發(fā)狀態(tài)機(jī) 根據(jù)電梯的實(shí)際工作情況 可以把狀態(tài)機(jī)設(shè)置 10 個(gè)狀態(tài) 分別是 電梯停留在 1 層 開門 關(guān)門 開門等待第 1 秒 開門等待 第二秒 開門等待第三秒 開門等待第四秒 上升 下降 和 停止 狀態(tài) 各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件可由上面的設(shè)計(jì)要求所決定 3 4 2 四層電梯控制器的設(shè)計(jì)思路 1 1 四層電梯控制器的實(shí)體設(shè)計(jì) 四層電梯控制器的實(shí)體設(shè)計(jì) 首先考慮輸入端口 一個(gè)異步復(fù)位端口 reset 用于在系統(tǒng)不正常時(shí)回到初 始狀態(tài) 在電梯外部 必須有升降請(qǐng)求端口 一層最低 不需要下降請(qǐng)求 四 層是最高層 不需要有上升請(qǐng)求 二層與三層則上升 下降請(qǐng)求端口都有 在 電梯內(nèi)部 應(yīng)該設(shè)有各層停留的請(qǐng)求端口 一個(gè)電梯時(shí)鐘輸入端口 該輸入時(shí) 鐘以 1 秒為周期 用于驅(qū)動(dòng)電梯的升降及開門關(guān)門等動(dòng)作 另有一個(gè)是按鍵時(shí) 鐘輸入端口 時(shí)鐘頻率比電梯時(shí)鐘高 其次是輸出端口 有升降請(qǐng)求信號(hào) 就得有一個(gè)輸出端口來(lái)指示請(qǐng)求是否 被響應(yīng) 有請(qǐng)求信號(hào)以后 該輸出端口輸出邏輯 1 被響應(yīng)以后則恢復(fù)邏 輯 0 同樣 在電梯內(nèi)部也應(yīng)該有這樣的輸出端口來(lái)顯示各層停留是否被響 應(yīng) 在電梯外部 需要一個(gè)端口來(lái)指示電梯現(xiàn)在所處的位置 電梯開門關(guān)門的 狀態(tài)也能用一個(gè)輸出端口來(lái)指示 為了觀察電梯的運(yùn)行是否正確 可以設(shè)置一 個(gè)輸出端口來(lái)指示電梯的升降狀態(tài) 在端口的定義中定義 position 時(shí)選用的是整型數(shù)據(jù)類型 INTEGRER 主 16 要是為了在電梯運(yùn)行是便于觀察 整型直接可以看出電梯運(yùn)行是樓層的變化 在第一層就顯示 1 第二層就顯示 2 很直觀 當(dāng)然 position 的定義也可以用 標(biāo)準(zhǔn)邏輯矢量 STD LOGIC VECTOR 來(lái)定義 但是如果選用標(biāo)準(zhǔn)邏輯矢量 在電梯運(yùn)行時(shí)就不是那么好觀察 這里是四層的電梯控制器 那么只需定義一 個(gè)兩位的就足夠顯示了 00 的時(shí)候?qū)?yīng)電梯的第一層 11 的時(shí)候就對(duì)應(yīng) 第四層 但是 11 的十進(jìn)制值為 3 沒(méi)有和層次顯示的第四層想對(duì)應(yīng)起 所 以就放棄選用標(biāo)準(zhǔn)邏輯矢量來(lái)定義 position 而選用的整型 2 2 四層電梯控制器的結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)四層電梯控制器的結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì) 首先說(shuō)明一下狀態(tài) 狀態(tài)機(jī)設(shè)置了 10 個(gè)狀態(tài) 分別是電梯停留在 1 層 stopon1 開門 dooropen 關(guān)門 doorclose 開門等待第 1 秒 doorwait1 開門等待第 2 秒 doorwait2 開門等待第 3 秒 doorwait3 開門等待第 4 秒 doorwait4 上升 up 下降 down 和停止 stop 在實(shí)體說(shuō)明中定義完端口 之后 在結(jié)構(gòu)體個(gè)之間需要有如下的定義語(yǔ)句 來(lái)定義狀態(tài)機(jī) TYPE lift state IS stopon1 dooropen doorclose doorwait1 doorwait2 doorwait3 doorwait4 up down stop 電梯的 10 個(gè)狀態(tài) SIGNAL mylift lift state 定義為 lift 類型的信號(hào) mylift 在結(jié)構(gòu)體中 設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)程互相配合 一個(gè)狀態(tài)機(jī)進(jìn)程作為主要進(jìn)程 另外一個(gè)是信號(hào)燈控制進(jìn)程作為輔助進(jìn)程 狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中的很多判斷條件是以 信號(hào)燈進(jìn)程產(chǎn)生的信號(hào)燈信號(hào)為依據(jù)的 而信號(hào)燈進(jìn)程中信號(hào)燈的熄滅又是有 狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中傳出 clearup 和 cleardn 信號(hào)來(lái)控制 在狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中 在電梯上升狀態(tài)中 通過(guò)對(duì)信號(hào)燈的判斷 決定下一個(gè) 狀態(tài)是繼續(xù)上升還是停止 在電梯下降狀態(tài)中 也是通過(guò)對(duì)信號(hào)燈的判斷 決 定下一個(gè)狀態(tài)是繼續(xù)下降還是是停止 在電梯停止?fàn)顟B(tài)中 判斷是最復(fù)雜的 通過(guò)對(duì)信號(hào)的判斷 決定電梯是上升 下降還是停止 在信號(hào)燈控制進(jìn)程中 由于使用了專門的頻率較高的按鍵時(shí)鐘 所以使得 按鍵的靈敏度增大 但是時(shí)鐘頻率不能過(guò)高 否則容易使按鍵過(guò)于靈敏 按鍵 后產(chǎn)生的點(diǎn)亮的信號(hào)燈 邏輯值為 1 用于作為狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中的判斷條件 而 clearup 和 cleardn 信號(hào)為邏輯 1 使得相應(yīng)的信號(hào)燈熄滅 3 3 四層電梯控制器設(shè)計(jì)四層電梯控制器設(shè)計(jì) 輸入輸出端口定義表 Buttonclk按鍵時(shí)鐘 17 Liftclk電梯時(shí)鐘 Reset異步復(fù)位信號(hào) f1upbutton第一層上升請(qǐng)求 f2upbutton第二層上升請(qǐng)求 f3upbutton第三層上升請(qǐng)求 f2dnbutton第二層下降請(qǐng)求 f3dnbutton第三層下降請(qǐng)求 f4dnbutton第四層下降請(qǐng)求 Fuplight上升指示燈 1 到 4 Fdnlight下降指示燈 1 到 4 stop1button第一層到站請(qǐng)求 stop2button第二層到站請(qǐng)求 stop3button第三層到站請(qǐng)求 stop4button第四層到站請(qǐng)求 Stoplight停止指示燈 1 到 4 Position電梯位置 1 到 4 Doorlight門燈 Udsig電梯模式 表 1 4 四層電梯控制器的調(diào)試及仿真四層電梯控制器的調(diào)試及仿真 4 14 1 程序修改調(diào)試程序修改調(diào)試 18 在完成程序編寫后要進(jìn)行程序的編譯與仿真 在編譯過(guò)程中要進(jìn)行程序的 改錯(cuò) 在第一次編譯中出現(xiàn)了大量的錯(cuò)誤 但大部分的都是由于粗心造成的端 口的錯(cuò)誤定義 還有就是在 IF 語(yǔ)句的結(jié)束是忘記 END IF 或者是多寫了 EDN IF 這樣的錯(cuò)誤都是基本的 經(jīng)過(guò)編譯改錯(cuò)后就要進(jìn)行波形的仿真 在波形仿真中自己犯了一個(gè)大的錯(cuò)誤 就是在下降請(qǐng)求時(shí) 按了下降請(qǐng)求按鍵 后就馬上選擇了要到達(dá)的層次 比如先按 fdnbuttton4 產(chǎn)生了一個(gè)下降請(qǐng)求 我 馬上就按 stopbutton2 結(jié)果電梯運(yùn)行到第四層就不下來(lái) 我自己還考慮了好久 后來(lái)我仔細(xì)想了一下 發(fā)現(xiàn)在有下降請(qǐng)求后 電梯還沒(méi)有到達(dá)第四層 怎么就 可以按停止按鍵呢 4 24 2 波形仿真波形仿真 在仿真中我們應(yīng)該作一些符合實(shí)際情況的假設(shè) 就是外部上升請(qǐng)求的乘客 進(jìn)入電梯以后一定是按高層的內(nèi)部停站按鈕 有外部下降請(qǐng)求的乘客 進(jìn)入電 梯以后一定是按低層的內(nèi)部停站按鈕 而且乘客進(jìn)入電梯以后必定要按按鍵 在同一時(shí)刻有很多人按鍵的概率很小 所以按鍵一定有先后順序 這些假設(shè)都 是符合實(shí)際情況的 圖 7 所示仿真的是在 2 層電梯外部有上升請(qǐng)求 也就是 f2upbutton 產(chǎn)生一 個(gè)脈沖 可以看到電梯從一層上升到二層 position 信號(hào)由 1 變到 2 doorlight 信號(hào)邏輯 1 表示開門 0 表示關(guān)門 當(dāng)乘客進(jìn)入電梯以后 在電梯內(nèi)部要 求上升到第 3 層 也就是 stop3button 產(chǎn)生一個(gè)脈沖 電梯上升到第三層 開門 4 秒以后關(guān)門 停留在 3 層 position 最后的值為 3 在仿真的可以看出來(lái) buttonclk 很密集 基本上近似于一條黑線 是因?yàn)椴捎昧祟l率較高的時(shí)鐘脈 沖 再看 fuplight 信號(hào)燈 當(dāng)二層有上升請(qǐng)求的嗣后 它的值由 0 變到 2 注意 fuplight 和 fdnlight 是 4 位的二進(jìn)制的標(biāo)準(zhǔn)邏輯矢量 這里的 2 代表的是 0010 表示二層有請(qǐng)求 1000 也就是 8 表示四層有請(qǐng)求 當(dāng)電梯停到 二層以后 表示該請(qǐng)求被響應(yīng) 所以它的值變?yōu)?0 由于沒(méi)有下降請(qǐng)求的信號(hào) 所以 fdnlight 信號(hào)燈一直都是 0 19 圖 7 圖 8 圖 8 是有兩次停站請(qǐng)求的仿真波形圖 符合停站的要求 20 圖 9 圖 9 是有下降請(qǐng)求的情況 因?yàn)殡娞莸某跏紶顟B(tài)為一層的開門等待狀態(tài) 所以在第四層有下降請(qǐng)求的時(shí)候 電梯先是上升到第四層 開門 4 秒以后關(guān)門 然后下降 停站請(qǐng)求為第一層 所以到第一層的時(shí)候開門 4 秒后關(guān)門 停在第 一層 等待下次請(qǐng)求 我們觀察 fdnlight 的變化顯示的是 8 轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制就是 1000 正好是第四層的下降指示燈亮 在電梯到第四層響應(yīng)了下降請(qǐng)求后 下降指示燈就關(guān)閉 顯示的就是 0 在看電梯位置的變化 1 2 3 4 3 2 1 沒(méi)有亂序 說(shuō)明顯示是正確的 21 圖 10 圖 11 圖 10 和圖 11 是有兩站停站的請(qǐng)求 顯示是正確的 沒(méi)有混亂的現(xiàn)象 同 時(shí)有上升請(qǐng)求和下降請(qǐng)求信號(hào)時(shí) 電梯的運(yùn)行情況如圖 在電梯控制器的設(shè)計(jì)中 要考慮到層次的擴(kuò)展 今天是四層 明天也許是 22 五層 甚至更多 但是設(shè)計(jì)的思路都應(yīng)該按照設(shè)計(jì)四層電梯控制器的思路延續(xù) 下去 比如說(shuō)要設(shè)計(jì)五層的電梯控制器 那么要多的按鈕就是 f4upbutton f5dnbutton stop5button fuplight 和 fdnlight 的長(zhǎng)度都改為 5 downto 0 position 的范圍就是 1 to 5 其次就是要在電梯設(shè)計(jì)的過(guò)程中 因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中涉 及到電梯處于每一層的時(shí)候的判斷 就要根據(jù)實(shí)際的情況 寫出相應(yīng)的邏輯關(guān) 系 例如電梯現(xiàn)在處于第三層的上升 如果電梯要上升 就不能單單的判斷第 四層是否有升降請(qǐng)求 還要根據(jù)第五層的請(qǐng)求指令來(lái)判斷電梯到達(dá)第四層是該 繼續(xù)上升還是就停止 或者是轉(zhuǎn)為下降狀態(tài) 例如 現(xiàn)在電梯的狀態(tài)是上升 這個(gè)時(shí)候的邏輯關(guān)系是 Fdnlight 4 1 and fdnlight 5 1 那么當(dāng)電梯運(yùn)行到第四層的時(shí)候就應(yīng)該繼續(xù)為 up 狀態(tài) 先響應(yīng)第五層的下 降請(qǐng)求 狀態(tài)變?yōu)?down 再轉(zhuǎn)為下降狀態(tài) 回到第四層再才相應(yīng)第四層的下降 請(qǐng)求 類似的當(dāng)電梯上升狀態(tài)處于第 n 層的時(shí)候就要判斷比它高的層次的請(qǐng)求 當(dāng)電梯處于下降模式時(shí) 就要判斷比該層低的層的請(qǐng)求 5 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ) 用 VHDL 硬件描述語(yǔ)言的形式來(lái)進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方便靈活 利用 EDA 軟件進(jìn)行編譯優(yōu)化仿真極大地減少了電路設(shè)計(jì)時(shí)間和可能發(fā)生的錯(cuò)誤 降低了 開發(fā)成本 這種設(shè)計(jì)方法必將在未來(lái)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用 CPLD 作為新一代工業(yè)控制器 以其高可靠性和技術(shù)先進(jìn)性 在電梯控制中得 到廣泛應(yīng)用 從而使電梯由傳統(tǒng)的繼電器控制方式發(fā)展為計(jì)算機(jī)控制的一個(gè)重 要方向 成為當(dāng)前電梯控制和技術(shù)改造的熱點(diǎn)之一 另外 CPLD 是一種專門從 事邏輯控制的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 由于 CPLD 具有性能穩(wěn)定 抗干擾能力強(qiáng) 設(shè) 計(jì)配置靈活等特點(diǎn) 配合 VHDL 語(yǔ)言的突出的優(yōu)點(diǎn) 因此在工業(yè)控制方面得到 了廣泛應(yīng)用 相信以后必將受到世界范圍內(nèi)電子工程設(shè)汁人員的廣泛關(guān)注和普 遍歡迎 本文中設(shè)計(jì)的電梯控制器利用以 CPLD 為實(shí)現(xiàn)載體 以 VHDL 為描述 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了電梯的升降舒適感和運(yùn)行的可靠性 更相信在以后的智能建筑中得