畢業(yè)論文——基于FPGA的電梯控制器的

1、畢業(yè)論文基于fpga的電梯控制器的分類(lèi)號(hào)密級(jí)u d c編號(hào)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)題目基于fpga的屯梯控制器的研究系別物理與電子信息學(xué)院專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)電子信息科學(xué)與技術(shù)年級(jí)08級(jí)學(xué)生姓名二o二年五月學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明所呈交的學(xué)位論文基于fpga的電梯控制器的研究是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外木論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研成果對(duì)本文的研究作岀重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明本人完全意識(shí)到本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)作者簽名日期文獻(xiàn)綜述1概述隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展可編程邏輯技術(shù)已經(jīng)發(fā) 展成一門(mén)關(guān)鍵的學(xué)科技術(shù)在

2、邏輯電路設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面fpgacpld技術(shù)在 工業(yè)屮已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用目前在硬件實(shí)現(xiàn)方面主要有altera公司推出的 系列xilinx公司推出的xc系列的芯片在軟件編程方面主要運(yùn)用viidlverilog iidl硬 件描述語(yǔ)言進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)主要的開(kāi)發(fā)平臺(tái)有plus iiquartus ii等f(wàn)pga field programmable gate arry即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列它是在palgalcpld等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物它是作為專(zhuān)用集成電路 asic 領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的既解決了定制電路的不足乂克服了原有可 編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)fpga采用了邏輯單元陣列l(wèi)

3、ca logic cel 1 array 這樣一個(gè)概念內(nèi)部包括可配置邏輯模塊clbconfigurablelogic block輸入輸岀模塊10b input output block 和內(nèi)部連線 interconnect 三個(gè)部分本次論文是基于fpga的電梯控制器的研究是電梯控制的核心技術(shù)通 過(guò)電梯控制器可以對(duì)電梯運(yùn)行模式和狀態(tài)進(jìn)行全面的控制電梯的層數(shù)為6層本次 論文采用模塊化設(shè)計(jì)方法主要分為四大模塊時(shí)鐘分頻模塊按鍵處理模塊電梯運(yùn)行制模塊數(shù)碼管顯示模塊2設(shè)計(jì)原理與思路本次論文是實(shí)現(xiàn)6層電梯的運(yùn)行控制當(dāng)在某一樓層按下上升或者下降請(qǐng)求按鈕時(shí)控制器響應(yīng)該請(qǐng)求并控制電梯前往該樓層當(dāng)?shù)竭_(dá)該樓層時(shí)電梯開(kāi)

4、門(mén)當(dāng)進(jìn)入電梯后電梯關(guān)門(mén)此時(shí)按下要到達(dá)的樓層按鈕控制器響應(yīng)該請(qǐng)求并控制電梯前往該樓層當(dāng)?shù)竭_(dá)前往樓層后電梯開(kāi)門(mén)走出電梯然后關(guān)門(mén)就這樣往復(fù)的實(shí)現(xiàn)屯梯的控制功能電梯運(yùn)行時(shí)遵循如下規(guī)則當(dāng)電梯處于上升模式時(shí)只響應(yīng)比電梯所在位置高的上樓信號(hào)由下至上依次執(zhí)行直到最后一個(gè)上樓請(qǐng)求執(zhí)行完畢如有更高層有 下樓請(qǐng)求時(shí)則直接升到有下降請(qǐng)求的最高樓然后進(jìn)入下降模式電梯處于下降模 式時(shí)則與上升相反電梯的輸入信號(hào)主要包括外部輸入信號(hào)和內(nèi)部輸入信號(hào)對(duì)于電梯外部 輸入信號(hào)每一層電梯門(mén)外都有上升請(qǐng)求和下降請(qǐng)求按鈕其中一樓電梯門(mén)外只有上 升請(qǐng)求按鈕六樓電梯門(mén)外只有下降請(qǐng)求按鈕對(duì)于電梯內(nèi)部輸入信號(hào)主要有6個(gè)前 往樓層的按鈕提前關(guān)門(mén)按鈕

5、延吋關(guān)門(mén)按鈕電梯異常按鈕電梯輸出信號(hào)也主要包括外部輸出信號(hào)和內(nèi)部輸出信號(hào)對(duì)于電梯外部輸出信號(hào)包括上升請(qǐng)求按鈕和下降按鈕指示信號(hào)電梯當(dāng)前所在樓層指示信號(hào)電梯運(yùn) 行方向指示信號(hào)電梯內(nèi)部輸出信號(hào)包括6個(gè)前往樓層按鈕指示信號(hào)超重等警告指 示信號(hào)電梯當(dāng)前所在樓層指示信號(hào)電梯運(yùn)行方面指示信號(hào)3硬件設(shè)計(jì)本次論文主要是通過(guò)altera公司生產(chǎn)的cyclone ii這一款芯片進(jìn)行 功能的實(shí)現(xiàn)cyclonell器件采用tsmc90nm低k絕緣材料工藝技術(shù)這種技術(shù)結(jié)合 altera低成本的設(shè)計(jì)方式使之能夠在更低的成本下制造出更大容量的器件這種新的器件 比第一代cyclone產(chǎn)品具有兩倍多的10引腳且對(duì)可編程邏輯的存

6、儲(chǔ)塊和其它特 性進(jìn)行了最優(yōu)的組合具有許多新的增強(qiáng)特性cyclonell器件包含了許多新的特性如嵌入存儲(chǔ)器嵌入乘法器pll和 低成本的封裝這些都為諸如視頻顯示數(shù)字電視dtv機(jī)頂盒stb dvd播放器dsl調(diào)制解調(diào)器家用網(wǎng)關(guān)和中低端路由器等批量應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化在eda設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)板上面支持s0pc片上可編程在cyclonell芯片 旁邊外圍有按鍵模塊液晶顯示模塊led指示燈等通過(guò)quartus ii平臺(tái)將硬件描述 語(yǔ)言下載至該芯片屮然后進(jìn)行程序的調(diào)試運(yùn)行并進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)4軟件設(shè)計(jì)altera的fpga設(shè)計(jì)主要采用兩種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言vhdlverilog hdl其中veriloghdl出現(xiàn)早運(yùn)用廣泛而且比較簡(jiǎn)

7、單在nios項(xiàng)目里運(yùn)用較多而vhdl語(yǔ)言功能強(qiáng)大語(yǔ)句相對(duì)要復(fù)雜一些所以對(duì)于現(xiàn)在一些復(fù)雜的可編程項(xiàng)目多采用vhdl語(yǔ)言編寫(xiě)vhdlvery-high-speed integrated circuit hardware descriptionlanguage 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(lèi)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(chēng)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(chēng)可視部分端口和內(nèi)部或稱(chēng)不可視部分涉及實(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)體定義了外部界面一旦其內(nèi)部開(kāi)發(fā)

8、完成后其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體如下圖4-1是viidl的層次模型 器件實(shí)體結(jié)構(gòu)功能構(gòu)造體行為構(gòu)造體結(jié)構(gòu)構(gòu)造體圖4-1具有不同構(gòu)造體的vhdl模型vhdl語(yǔ)言具有強(qiáng)大的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)只需采用簡(jiǎn)單明確的vhdl語(yǔ)言程序就可以描述十分復(fù)雜的硬件電路同時(shí)它還具有多層次的電路設(shè)計(jì)描述功能既支持自頂向下的設(shè)計(jì)方式也支持自底向上的設(shè)計(jì)方法既支持模塊化設(shè)計(jì)方法也支持 層次化設(shè)計(jì)方法既可描述系統(tǒng)級(jí)電路也可以描述門(mén)級(jí)電路描述方式既可以采 用行為描述寄存器傳輸描述或者結(jié)構(gòu)描述也可以采用三者的混合描述方式vi1dl語(yǔ)言具有很強(qiáng)的移植能力對(duì)于同一個(gè)硬件電路的viidl語(yǔ)言描 述它可以從一個(gè)模擬器移植到另一個(gè)模擬器上從

9、一個(gè)綜合器移植到另一個(gè)綜合 器上或者從一個(gè)工作平臺(tái)移植到另一個(gè)工作平臺(tái)上去執(zhí)行vhdl語(yǔ)言采用基于庫(kù)library的設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員可以建立各種可再次利用的模塊一個(gè)大規(guī)模的硬件電路的設(shè)計(jì)不可能從門(mén)級(jí)電路開(kāi)始一步步地進(jìn)行設(shè)計(jì)而是一些模塊的累加這些模塊可以預(yù)先設(shè)計(jì)或者使用以前設(shè)計(jì)中的存檔模塊將這些模塊存放在庫(kù)屮就可以在以后的設(shè)計(jì)屮進(jìn)行復(fù)用本次論文主要是運(yùn)用vhdl語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)采用自頂向下模塊化設(shè)計(jì)方法按照要求可以分為時(shí)鐘分頻模塊按鍵處理模塊電梯運(yùn)行控制模塊數(shù)碼 管顯示模塊分別設(shè)計(jì)岀這四個(gè)模塊之后進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行功能仿真和時(shí)序分析 然后將牛產(chǎn)的模塊圖在原理圖編輯器中連接起來(lái)組成完整的電

10、梯控制器5總結(jié)可編程邏輯器件fpgacpld技術(shù)在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用是一門(mén)發(fā)展的很成熟的學(xué)科技術(shù)它是作為專(zhuān)用集成電路asic領(lǐng)域中的一種半定制電路出現(xiàn)的解決了定制電路的不足又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)不足的缺點(diǎn)木次論文是基于fpga的電梯控制器的研究克服了傳統(tǒng)的pal設(shè)計(jì)的不足實(shí)現(xiàn)了對(duì)電梯控制器的低功耗實(shí)吋性響應(yīng)高集成度設(shè)計(jì)其創(chuàng)新點(diǎn)在于通過(guò)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行電梯運(yùn)行狀態(tài)和模式的控制以及傳感器技術(shù)對(duì)電梯超重運(yùn)行的控制參考文獻(xiàn)1 盧毅賴(lài)杰vhdl與數(shù)字電路設(shè)計(jì)科學(xué)出版社200142 劉建清劉漢文高廣海從零開(kāi)始學(xué)cpld和verilog hdl編程技術(shù)國(guó)防工業(yè)出版社200683 劉福奇fpga嵌入式項(xiàng)目開(kāi)

11、發(fā)實(shí)戰(zhàn)電子工業(yè)岀版社200944 張丕狀李兆光基于vhdl的cpldfpga開(kāi)發(fā)與應(yīng)用國(guó)防工業(yè)出 版社200965 葛亞明彭永豐薛冰零基礎(chǔ)學(xué)fpga機(jī)械工業(yè)出版社201076 余孟嘗數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程高等教育出版社200677 謝自美電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試華屮科技大學(xué)出版社200688 江國(guó)強(qiáng)eda技術(shù)與應(yīng)用電子工業(yè)岀版社201049 聶小燕魯才數(shù)字電路eda設(shè)計(jì)與應(yīng)用人民郵電出版社2010410 華清遠(yuǎn)見(jiàn)嵌入式培訓(xùn)中心fpga應(yīng)用開(kāi)發(fā)入門(mén)與典型實(shí)例人民郵電岀版社 2008711 潘松黃繼業(yè)eda技術(shù)實(shí)用教程vhdl版第四版科學(xué)出版社2010612英:peter w訂son杜生海譯fpga

12、設(shè)計(jì)實(shí)踐人民郵電出版社2009713侯伯亭顧新viidl硬件描述語(yǔ)言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)西安電子 科技大學(xué)1997514楊春玲朱敏eda技術(shù)與實(shí)驗(yàn)哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2009315焦素敏eda應(yīng)用技術(shù)清華大學(xué)岀版社2005416李洪偉袁斯華基于quartusii的fpgacpld 設(shè)計(jì)電子工業(yè)出版社2006717邢建平曾繁泰vhdl程序教程第3版清華大學(xué)出版社2007418潘松黃繼業(yè)eda技術(shù)與vhdl第2版清華大學(xué)出版社20071019 李廣軍孟憲元可編程asic設(shè)計(jì)及應(yīng)用成都電子科技大學(xué)出版社 2003220 楊恒盧飛成fpgacpld快速工程實(shí)踐入門(mén)與提高北京航空航天大學(xué)出版社200382

13、1 雷伏容李俊尹霞eda技術(shù)與viidl開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)教程清華大學(xué)出版社20105摘要隨著時(shí)代的進(jìn)步科技的發(fā)展各大城市高樓大廈平地起這是城市建設(shè)蓬發(fā)展的標(biāo)志我們就是在這喧嘩的城市中生活工作著每天都會(huì)上下班每天都進(jìn)出電梯從此電梯與我們的生活形影不離并讓我們上下高樓變得方便安全快捷從奧的斯發(fā)明的歷史上第一部安全升降梯到現(xiàn)在的電梯歷經(jīng)一個(gè)多世 紀(jì)在這個(gè)過(guò)程中電梯不論從外觀結(jié)構(gòu)還是控制方式都發(fā)牛了巨大的變化隨著數(shù) 字技術(shù)eda嵌入式技術(shù)的發(fā)展電梯的控制變得微型化智能化目前載人電梯都是 微機(jī)控制的智能化自動(dòng)化設(shè)備不需要專(zhuān)門(mén)的人員來(lái)操作駕駛普通乘客只需按 下上下按鈕和到達(dá)樓層的按鈕就可以進(jìn)行電梯的乘坐本次論文是

14、基于fpga的電梯控制器的研究是電梯控制的核心技術(shù)通 過(guò)電梯控制器可以對(duì)電梯運(yùn)行模式和狀態(tài)進(jìn)行全面的控制這也是此次論文研究的 重要性由于fpga技術(shù)近些年來(lái)蓬勃發(fā)展而且在很多領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用的十分成熟所以用fpga可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯精確穩(wěn)定實(shí)時(shí)性控制同時(shí)用于fpga開(kāi)發(fā)的芯片都是些微處理器芯片便于集成和智能化設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞fpgavhdl電梯狀態(tài)機(jī)abstractwiththeincreasingprogress of science andtechnologymeinycitesappaerhigh-rise buildingsthis is a sign of urban construetion b

15、ooming we are working and livingin the city every day to work and every day out of the eleva tor since then the elevatorand our lives inseparable and so that life becomes convenient after more than a centuryfrom otis invented the first one safety elevator lift to the presentin this process elevatorh

16、as undergone tremendous changes from the appearanee structure or control with thedevelopmentof digitaltechnologyedaembeddedtechnology the elevator controlbecome miniaturized andintelligcntmanned elevatorsare intelligent computer controlautomationequipment does not require specializedpersonnel to ope

17、rate the drivingord in ary passenger just press the up and dow n buttons and reach the floor button on theelevator ridethis design is the design of fpga-based elevator controller thatis the core technologyof the elevator control it controls its operation mode and status accurately from elevatorcontr

18、oller which is also the sub-thesis importancc because of fpga technology hasdeveloped rapidly in recent years and has been applied very mature in many areas we canachieve right elevator accurate real一time control with fpga at the same time for fpgadevelopmentchip are anumberof microprocessorchips wh

19、ichis easyintegration andintelligentto dcsignkey words fpgavhdlelevatorstate machine1緒論111屯梯控制器的發(fā)展現(xiàn)狀112論文研究的主要內(nèi)容22 cpldfpga硬件結(jié)構(gòu)知識(shí)221 cpldfpga 概述 222 cpld和fpga性能比較 323 fpga體系結(jié)構(gòu)323 fpga常用芯片介紹43 vhdl硬件描述語(yǔ)言431 vhdl語(yǔ)言特點(diǎn)432狀態(tài)機(jī)的vhdl實(shí)現(xiàn)54 電梯控制器的工作原理65 電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容751時(shí)鐘分頻模塊752按鍵處理模塊853電梯運(yùn)行控制模塊1154數(shù)碼管顯示模塊2155電梯

20、超重控制可行性分析236 仿真效果及結(jié)論2461仿真效果2462結(jié)論36參考文獻(xiàn)36致謝37附錄381緒論11電梯控制器的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)家規(guī)定超過(guò)六樓以上的樓層必須按要求安裝電梯而且隨著超高層建筑的出現(xiàn)電梯的應(yīng)用越來(lái)越來(lái)廣泛了與此同時(shí)對(duì)電梯的要求也越來(lái)越高了目前電梯的設(shè)計(jì)工藝不斷提高電梯的品種也逐漸增多電梯的材質(zhì)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手柄開(kāi)關(guān)操縱按鈕控制信號(hào)控制集選控制人機(jī)對(duì)話等多臺(tái)電梯還出現(xiàn)了并聯(lián)控制智能群控雙層轎箱電梯展示出節(jié)省井道空間提升運(yùn)輸能力的優(yōu)勢(shì)變速式自動(dòng)人行道扶梯大大節(jié)省了行人的時(shí)間不同外形的電梯則使身處其屮的乘客的視線不再封閉電梯的結(jié)構(gòu)分為四大空間八

21、大系統(tǒng)四大空間機(jī)房部分井道及地坑部分轎廂部分層站部分八大系統(tǒng)曳引系統(tǒng)導(dǎo)向系統(tǒng)轎廂門(mén)系統(tǒng)重量平衡系統(tǒng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)安全保護(hù)系統(tǒng)電梯的功能結(jié)構(gòu)決定電梯的八應(yīng)用技術(shù)1全數(shù)字識(shí)別乘客技術(shù)所有乘客進(jìn)入電梯前進(jìn)行識(shí)別其中包括眼球識(shí)指紋識(shí)別2數(shù)字智能型安全控制技術(shù)通過(guò)乘客識(shí)別系統(tǒng)或者1c卡以及數(shù)碼監(jiān)控設(shè)備拒絕外來(lái)人員進(jìn)入3第四代無(wú)機(jī)房電梯技術(shù)主機(jī)必須與導(dǎo)軌和轎廂分離完全沒(méi)有共振共速度可以達(dá)到20ms以上最高可以使用在30層以上4 雙向安全保護(hù)技術(shù)雙向安全鉗雙向限速器在歐洲必須使用中國(guó)止在被普遍使用5快速安裝技術(shù)改變過(guò)去的電梯安裝方法能夠快速組裝6節(jié)能技術(shù)采用節(jié)能技術(shù)使電梯更節(jié)約能源7數(shù)字監(jiān)控技術(shù)完

22、全采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電梯監(jiān)控與控制8 無(wú)線遠(yuǎn)程控制及報(bào)警裝置當(dāng)電梯產(chǎn)生故障時(shí)電梯可以通過(guò)無(wú)線裝置給手機(jī)發(fā)送故障信息并通過(guò)手機(jī)發(fā)送信號(hào)對(duì)電梯進(jìn)行簡(jiǎn)單控制本次論文主要是控制電梯的運(yùn)行模式和狀態(tài)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的模塊重點(diǎn)在對(duì)響應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理結(jié)果反饋給對(duì)應(yīng)功能的控制端口實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯 運(yùn)行的1全而控制12論文研究的主要內(nèi)容隨著可編程邏輯電路和rda技術(shù)的發(fā)展在邏輯電路設(shè)計(jì)和嵌入式系 統(tǒng)設(shè)計(jì)方面以cpldfpga為代表的可編程邏輯器件已經(jīng)逐步代替了傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)邏輯 器件本次論文的電梯控制器所有的程序可以集成在一個(gè)fpga開(kāi)發(fā)芯片上面不 用在用其他功能的分立邏輯元件達(dá)到集成度高響應(yīng)快功耗低的特點(diǎn)木次論文是基

23、于fpga的電梯控制器的研究是電梯控制的核心技術(shù)通過(guò)電梯控制器可以對(duì)電梯運(yùn)行模式和狀態(tài)進(jìn)行全面的控制這也是次論文的研究 重要性電梯的層數(shù)為6層本次論文采用模塊化設(shè)計(jì)主要分為四大模塊吋鐘分頻模 塊按鍵處理模塊電梯運(yùn)行控制模塊數(shù)碼管顯示模塊由于fpga技術(shù)近些年來(lái)蓬勃發(fā)展而且在很多領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用的十分 成熟用fpga可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯精確實(shí)時(shí)性控制而且用于fpga開(kāi)發(fā)的芯片都是一些 微處理器芯片便于集成和智能化設(shè)計(jì)而且大大縮短了開(kāi)發(fā)周期2 cpldfpga硬件結(jié)構(gòu)知識(shí)21 cpldfpga 概述cpld complex programmable logic device 復(fù)雜口j編程邏輯器件主 要是由可

24、編程邏輯宏單元lmc logic macro cell圍繞屮心的可編程互連矩陣單元 組成其中l(wèi)mc邏輯結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜并具有復(fù)雜的10單元互連結(jié)構(gòu)可由用戶(hù)根據(jù) 需要生成特定的電路構(gòu)成完成一定的功能由于cpld內(nèi)部采用固定長(zhǎng)度的金屬 線進(jìn)行各邏輯塊的互連所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性避免了分段式互連 結(jié)構(gòu)時(shí)序不能完全預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)20世紀(jì)90年代cpid迅速發(fā)展不僅具有電擦除特 性而且出現(xiàn)邊緣掃描以及在線可編程ispin system programmable等高級(jí)特fpga field programmable gate arry即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列它是在palgalcpld等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一

25、步發(fā)展的產(chǎn)物它是作為專(zhuān)用集成電路 asic 領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的既解決了定制電路的不足又克服了原有可 編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)fpga采用了邏輯單元陣列l(wèi)ca logic cell array 這樣一2個(gè)概念內(nèi)部包括可配置邏輯模塊clbconfigurablelogic block輸入輸岀模塊10b input output block 和內(nèi)部連線 interconnect 三個(gè)部分22 cpld和fpga性能比較盡管fpga和cpld都是可編程asic器件有很多共同點(diǎn)但是由于其結(jié)構(gòu)的不同使得齊自又具有不同的特點(diǎn)具體的有一下區(qū)別1 cpld內(nèi)部邏輯單元比較多而觸發(fā)器資源較少適合各種

26、算法和組合邏輯電路的設(shè)計(jì)而fpga內(nèi)部觸發(fā)器資源多而門(mén)級(jí)單元較少適合時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)2 cpld的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)決定了其時(shí)序延時(shí)是均勻的可預(yù)測(cè)性的而fpga的分段式布線結(jié)構(gòu)決定了其延時(shí)是不可預(yù)測(cè)性的3 在編程上fpga比cpu）具有更大的靈活性cpu）通過(guò)修改具有固定內(nèi)部連線電路的邏輯功能來(lái)編程fpga主要是修改內(nèi)部連線的布線來(lái)編程4 相對(duì)cpld而言fpga的集成度高可實(shí)現(xiàn)的規(guī)模也較大并具有更負(fù)責(zé)的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實(shí)現(xiàn)同時(shí)cpld的功耗比f(wàn)pga的大并且隨著集成度的增加而更明顯5 相對(duì)于fpga而言cpld使用起來(lái)更方便cpld編程采用e promfast flash技術(shù)無(wú)須外部存儲(chǔ)器芯片使

27、用簡(jiǎn)單而fpga的編程信息必須存放在外部存儲(chǔ)器上使用較復(fù)雜由于存儲(chǔ)的信息的方式就決定了兩者的保密性一般情況cpld保密性好fpga的保密性差6promcpld的運(yùn)行速度比f(wàn)pga的快在編程方式上cpld編程采用e或fast flash存儲(chǔ)器編程編程次數(shù)可達(dá)1萬(wàn)次其特點(diǎn)是系統(tǒng)在掉電時(shí)編程信息不會(huì)丟失而fpga大部分是基于sram編程編程信息在掉電吋丟失每次上電時(shí)需從外部存儲(chǔ)器將編程數(shù)據(jù)重新寫(xiě)入sram中其特點(diǎn)是可編程任意次可在工作中快速編程23 fpga體系結(jié)構(gòu)fpga采用邏輯單元陣列l(wèi)ca logic cell array新概念內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 clbconfigurable logic

28、 block 輸入輸出模塊 iobinput outputblock和內(nèi)部互連資源trtnterconnect resources三部分組成1 可配置邏輯塊clbconf igurable logic block是fpga的主要組成部分主要是由邏輯函數(shù)發(fā)生器觸發(fā)器數(shù)據(jù)選擇器等屯路組成2 輸入輸出模塊iobinput output block提供了器件引腳和內(nèi)部邏輯陣列之間的連接主要是由輸入觸發(fā)器輸入緩沖器和輸出觸發(fā)鎖存器輸緩沖器組成3 可編程互連資源irintcrconncct resources可以將fpga內(nèi)部的clb和clb之間clb和i0b之間連接起來(lái)構(gòu)成各種具有復(fù)雜功能的系統(tǒng)ir主要

29、由許多金屬線段構(gòu)成這些金屬線段帶有可編程開(kāi)關(guān)通過(guò)自動(dòng)布線實(shí)現(xiàn)各種電路的連接23 fpga常用芯片介紹目前世界上有很多生產(chǎn)fpga芯片的公司常用的主要有altera xilinxlattice和actel其中altera和xilinx 占據(jù)主流市場(chǎng)1 altera的主流fpga分為兩大類(lèi)一種是側(cè)重低成本容量中等性能可以滿(mǎn)足一般邏輯設(shè)計(jì)要求的如cyclone系列另一種是側(cè)重高性能容量大性能可以滿(mǎn)足各類(lèi)高端應(yīng)用如stratix系列2 xilinx是fpga發(fā)明者是老牌pld產(chǎn)品的種類(lèi)較全主要有xc95004000cool runner xpla3 spartanvi rtex 等系列3 lattic

30、e是在系統(tǒng)編程isp技術(shù)的發(fā)明者主要有isplsi200050008000mach45 i spmach4000 等系列4 actel公司是世界反熔絲技術(shù)的fpga領(lǐng)先供應(yīng)商主要有兩大系列的反熔絲fpga產(chǎn)品sx-a和mx高速系列3 vhdl硬件描述語(yǔ)言31 vhdl語(yǔ)言特點(diǎn)vhdl very-high-speed integrated circuit hardware descriptionlanguage 是一4種標(biāo)準(zhǔn)的碩件描述語(yǔ)言中文意思是超高速集成電路碩件描述語(yǔ)言利用vhdl 進(jìn)行系統(tǒng)行為級(jí)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為fpga與asic設(shè)計(jì)的主流使用vhdl不僅可 以快速的描述和綜合fpga設(shè)計(jì)還可以

31、提供一下的一些性能1 功能強(qiáng)大且很具有靈活性vhdl具有很強(qiáng)大的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)可以用簡(jiǎn) 潔明確的代碼描述復(fù)雜的控制邏輯語(yǔ)言很靈活支持設(shè)計(jì)庫(kù)和可重復(fù)使用的元件生成2 不依賴(lài)于器件的設(shè)計(jì)vhdl允許設(shè)計(jì)者生成一個(gè)設(shè)計(jì)而不需要首先選擇一個(gè)用來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的器件對(duì)于同一個(gè)設(shè)計(jì)描述可以采用多種不同的器件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能3工具所4并對(duì)其具有可移植性因?yàn)関hdl是一種標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)言所以它可以被不同的支持這意味著同一個(gè)vhdl設(shè)計(jì)描述可以在不同的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中采可以對(duì)其設(shè)計(jì)性能進(jìn)行評(píng)估設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行一個(gè)完整的設(shè)計(jì)描述進(jìn)行綜合生產(chǎn)選定的器件結(jié)構(gòu)的邏輯功能然后評(píng)估結(jié)果選用最適合設(shè)計(jì)需求的器件5 上市時(shí)間快成本低開(kāi)發(fā)周期短vhdl語(yǔ)

32、言的設(shè)計(jì)將大大提高數(shù)字單片化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的速度為生產(chǎn)者大大節(jié)約開(kāi)發(fā)成本32狀態(tài)機(jī)的v1idl實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)以及其設(shè)計(jì)技術(shù)是使用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要組成部分也是實(shí)現(xiàn)高效率高可靠和高速控制邏輯系統(tǒng)的重要途徑廣義而論只要是涉及到觸發(fā)器的電路都屬于狀態(tài)機(jī)由此也可以看出其重要性用vhdl設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分為不同的形式1 從狀態(tài)機(jī)的信號(hào)輸出方式上分mealy型和moore型2 從狀態(tài)機(jī)的描述結(jié)構(gòu)上分單進(jìn)程狀態(tài)機(jī)和多進(jìn)程狀態(tài)機(jī)3 從狀態(tài)機(jī)表達(dá)形式上分符號(hào)化狀態(tài)機(jī)和確定狀態(tài)編碼狀態(tài)機(jī)4 從狀態(tài)機(jī)編碼方式上分順序編碼狀態(tài)機(jī)一位熱編碼狀態(tài)機(jī)和其他編碼方式狀態(tài)機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中接觸最多的分類(lèi)方法就是meal

33、y型和moore型從輸 出時(shí)序5上看前者是異步輸出后者是同步輸出mealy型狀態(tài)機(jī)的輸出是當(dāng)前狀態(tài)和 所有輸入信號(hào)的函數(shù)它的輸出是輸入變化后立即變化的不依賴(lài)時(shí)鐘的同步 moore 型狀態(tài)的輸岀僅為當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)但是在輸入發(fā)生變化時(shí)還必須等到時(shí)鐘的 到來(lái)輸岀才會(huì)變化由此可見(jiàn)moore型要多等待一個(gè)時(shí)鐘周期木次論文中電梯控制模塊部分就利用moore型狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)的同步控制通過(guò)將電梯運(yùn)行過(guò)程分解為一些實(shí)質(zhì)性的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 使得電梯的運(yùn)行變得方便快捷穩(wěn)定4電梯控制器的工作原理本次論文是實(shí)現(xiàn)6層電梯的運(yùn)行控制當(dāng)在某一樓層按下上升或者下降 請(qǐng)求按鈕時(shí)控制器響應(yīng)該請(qǐng)求并控制電梯前往該樓層

34、當(dāng)?shù)竭_(dá)該樓層時(shí)電梯開(kāi)門(mén)當(dāng)進(jìn) 入電梯后電梯關(guān)門(mén)此時(shí)按下要到達(dá)的樓層按鈕控制器響應(yīng)該請(qǐng)求并控制電梯 前往該樓層當(dāng)?shù)竭_(dá)前往樓層后電梯開(kāi)門(mén)走出電梯然后關(guān)門(mén)就這樣往復(fù)的實(shí)現(xiàn)電梯的控制功能在電梯運(yùn)行時(shí)遵循如下規(guī)則當(dāng)電梯處于上升模式時(shí)只響應(yīng)比電梯所在 位置高的上樓信號(hào)由下至上依次執(zhí)行直到最后一個(gè)上樓請(qǐng)求執(zhí)行完畢如有更高層 有下樓請(qǐng)求時(shí)則直接升到有下降請(qǐng)求的最高樓然后進(jìn)入下降模式電梯處于下降 模式時(shí)則與上升相反電梯的輸入信號(hào)主要包括外部輸入信號(hào)和內(nèi)部輸入信號(hào)對(duì)丁 電梯外部 輸入信號(hào)主要有每一層電梯門(mén)外都有上升請(qǐng)求和下降請(qǐng)求按鈕其中一樓電梯門(mén)外只 有上升請(qǐng)求按鈕6樓電梯門(mén)外只有下降請(qǐng)求按鈕對(duì)于電梯內(nèi)部輸入信號(hào)主

35、要有6 個(gè)前往樓層的按鈕提前關(guān)門(mén)按鈕延時(shí)關(guān)門(mén)按鈕電梯異常按鈕屯梯輸出信號(hào)也主要包括外部輸出信號(hào)和內(nèi)部輸出信號(hào)對(duì)于電梯外部 輸出信號(hào)包括上升請(qǐng)求按鈕和下降按鈕指示信號(hào)電梯當(dāng)前所在樓層指示信號(hào)電梯運(yùn) 行方向指示信號(hào)電梯內(nèi)部輸出信號(hào)包括6個(gè)前往樓層按鈕指示信號(hào)超重等警告指 示信號(hào)電梯當(dāng)前所在樓層指示信號(hào)電梯運(yùn)行方面指示信號(hào)65電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容本次論文是基于fpga的屯梯控制器的研究是電梯控制的核心技 術(shù)通過(guò)電梯控制器可以對(duì)電梯運(yùn)行模式和狀態(tài)進(jìn)行全面的控制這也是次論文的研究重要性電梯的層數(shù)為6層木次論文采用模塊化設(shè)計(jì)方法主要分為四大模塊時(shí)鐘分頻模塊按鍵處理模塊電梯運(yùn)行控制模塊數(shù)碼管顯示模塊其方框

36、原理圖5-0如下系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)鐘分頻2倍分頻數(shù)碼管顯示電梯樓層按鍵請(qǐng)求電梯運(yùn)行控制按鍵處理按鍵處理響應(yīng)圖5-0電梯控制器原理圖51時(shí)鐘分頻模塊時(shí)鐘分頻模塊功能是將系統(tǒng)頻率分頻為兩種不同的頻率一個(gè)是2分頻時(shí)鐘供電梯運(yùn)行控制模塊使用另一個(gè)8分頻時(shí)鐘供其他模塊使用其源代碼如時(shí)鐘分頻模塊clkdivvhdlibrary ieeeuse icccstd_logic_unsigncdall 定義所用的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)entity clkdiv isport elk in std_logic系統(tǒng)時(shí)鐘頻率clk_2 out std_logic 2分頻脈沖作為電梯控制時(shí)鐘 clk_8 out std_logic 8分頻脈沖作

37、為按鍵處理時(shí)鐘定義輸入輸出變量end clkdivarchitecture one of clkdiv issignal ent std_logic_vctor 7 down to 0 定義一個(gè) 8 位的變量beginprocess elk時(shí)鐘分頻進(jìn)程beginif clkevent and elk 1 then 時(shí)鐘脈沖上升沿有效ent cntlclk_2 ent 1變量ent的第1位輸出2分頻clk_8 ent 4變量ent的第3位輸出8分頻end tfend processend one源程序編寫(xiě)完成后進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行并生成模塊文件確認(rèn)沒(méi)有錯(cuò)誤之后進(jìn)行功能仿真時(shí)序分析其模塊原理圖5-1如下c

38、lkdivelk elk 2clk_8inst圖5-1時(shí)鐘分頻模塊原理圖52按鍵處理模塊按鍵處理模塊的功能是把電梯外部與內(nèi)部的按鍵信號(hào)進(jìn)行處理把處理好的按鍵信號(hào)送到電梯運(yùn)行控制模塊根據(jù)電梯外部按鍵信號(hào)轉(zhuǎn)化為電梯運(yùn)行控制模塊的外部請(qǐng)求信號(hào)根據(jù)電梯內(nèi)部的按鍵信號(hào)轉(zhuǎn)化為電梯運(yùn)行控制模塊的電梯前往信 號(hào)根據(jù)電梯樓層信號(hào)及時(shí)清除電梯外部與內(nèi)部按鍵信號(hào)其源代碼編寫(xiě)如下按鍵處理模塊keyprovhdlibrary leeeuse ieeestd logic 1164a11定義所用的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)use ieeestd_logic_arithal1use teeestd_logic_unsignedal1entity

39、 keypro isport elk in stdlogic按鍵時(shí)鐘rst in std_logic異步置位按鍵up in std_logic_vcctor 5 downto 1上升請(qǐng)求按鍵低電平有效down in std_logic_vector 6 downto 2 下降請(qǐng)求按鍵低電平有效up_light out std_logic_vector 6 downto 1電梯外部上升請(qǐng)求指示燈down_l ight out std_logic_vector 6 downto 1 電梯外部下降請(qǐng)求指示燈inside in std_logic_vector 6 downto 1電梯內(nèi)部樓層請(qǐng)求按鍵

40、低電平有效inside_light out std_logic_vector 6 downto 1電梯內(nèi)部樓層請(qǐng)求指示燈position in integer range 1 to 6 電梯位置變量clear_up in std_logic用于清除上升請(qǐng)求指示燈的信號(hào)clear_down in std_logic用于清除下降請(qǐng)求指示燈的信號(hào)定義輸入輸出變量end keyproarchitecture one of keypro isbeginprocess clkrstbeg inif rst 0 thenup_light "000000down light "000000

41、"elsif clkevent and elk 1 then清除電梯當(dāng)前外部上升請(qǐng)求信號(hào)和電梯內(nèi)部前往該樓層信號(hào)if clear up 1 theninside_light position 0up_light position0elseuplight 0 not upend if清除電梯當(dāng)前外部下降請(qǐng)求信號(hào)和電梯內(nèi)部前往該樓層信號(hào)if clear_down 1 theninside_light position 0 downlight position 0elsedown_lightnot down0 inside_light not insideend ifend ifend i

42、fend processend one源程序編寫(xiě)完成后進(jìn)行編譯運(yùn)行并生成模塊文件確認(rèn)沒(méi)有錯(cuò)誤z后進(jìn)行波形仿真時(shí)序分析其模塊原理圖5-2如下10key proelkuplight61rstdown_light61up51insidc_light61down62position20clear_up clear downinst圖5-2按鍵處理模塊原理圖53電梯運(yùn)行控制模塊電梯運(yùn)行控制模塊是此次設(shè)計(jì)的核心電梯運(yùn)行的模式和狀的態(tài)控制效果完全取決于電梯控制模塊它的功能是在系統(tǒng)2分頻時(shí)鐘下根據(jù)按鍵處理模塊輸出的信號(hào)控制電梯上升與下降運(yùn)行模式和狀態(tài)當(dāng)電梯關(guān)門(mén)吋輸岀相應(yīng)的上升與下降清除信號(hào)同時(shí)輸出電梯當(dāng)前所在

43、樓層的數(shù)碼管輸出信號(hào)與電梯運(yùn)行方向本次是設(shè) 計(jì)的6層電梯控制系統(tǒng)在源稈序中具體要體現(xiàn)一下功能1 每層電梯除1樓和6樓外1樓只有上升請(qǐng)求按鈕6樓只有下降請(qǐng)求按鈕入口出設(shè)置有上升和下降請(qǐng)求按鈕電梯內(nèi)部設(shè)有要到達(dá)樓層的請(qǐng)求按鈕1-6樓2 設(shè)有電梯所處位置數(shù)碼管顯示部分電梯運(yùn)行模式的led顯示部分3 電梯能記憶電梯外部所有信號(hào)請(qǐng)求并按照電梯運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行順序響應(yīng)每個(gè)電梯請(qǐng)求信號(hào)保留到電梯響應(yīng)結(jié)束4 電梯運(yùn)行規(guī)則當(dāng)電梯上升時(shí)候只響應(yīng)比電梯所在樓層高的上樓信號(hào)由下到上依次執(zhí)行直到最后一個(gè)上升請(qǐng)求信號(hào)執(zhí)行完畢當(dāng)電梯下降時(shí)候只響應(yīng)比屯梯所在樓層低的下樓信號(hào)由上到下依次執(zhí)行直到最后一下下降請(qǐng)求信號(hào)執(zhí)行完畢電梯運(yùn)行

44、控制模塊的源程序如下11電梯運(yùn)行控制模塊elevator runvhdlibrary leeeuse icccstd_logic_l164a11use teeestd_logic_arithal1use ieeestd logic unsignedall定義所用的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)entity elevatorrun isport elk in std_logic電梯時(shí)鐘rst in std jlogic異步置位按鍵alarm in std_logicup_l ight in std_logic_vector 6 downto 1電梯外部上升請(qǐng)求指示燈down_light in std_logicjvec

45、tor 6 downto 1 電梯外部卜降請(qǐng)求指示燈inside_light in std_logic_vector 6 downto 1電梯內(nèi)部樓層請(qǐng)求指示燈position out integer range 1 to 6 電梯位置變量door_light out std_logic電梯門(mén)開(kāi)關(guān)指示燈clcar_up out std_logic用于清除上升請(qǐng)求指示燈信clear_down out std_logic用于清除下降請(qǐng)求指示燈信號(hào)delay in std_logic延時(shí)關(guān)門(mén)變量advance in stdlogic提前關(guān)門(mén)變量updow n ligh t buffer std lo

46、gic vcc tor 7 down to 0電梯升降顯示定義輸入輸岀變量end elevator_runarchitecture six_floor of clcvator_run istype lift_state isstop ldoor opendoor elosedoor wait 1door wait2door wait3door wait4door wait5door wait6updownstopsignal my_liftlift_statesignal posinteger range 6 downto 0signal updownflagstdlogic12signal

47、posreginteger range 1 to 6si gnal onestd logi c_vector 6 downto 1beg in控制電梯狀態(tài)進(jìn)程ulprocess rstclkbeginif rst 0 or alarm 0 thenclear_up 1clear_down 1elseif clkevent and elk1 the ncase my_lift iswhen stopl試狀態(tài)在第一層door_lght 0position 1clear_up 0 clear down 0 updown_light "00000010開(kāi)門(mén)時(shí)間為door_waitl到door

48、_wait65個(gè)時(shí)鐘周期如果提前信號(hào)advance有效則電梯直接跳到door_close狀態(tài)如果提前信號(hào)delay有效則電梯重新回到door_waitl狀態(tài)when door_waitlif advancc 1 thenmy_lift door_closeelsif delay 1 then13else my lift door vait2end ifclear_up 0clear_down 0when door_wait2if advance 1 thenmy_lift door_closeelsif delay 1 thenmy_lift door_wait1end ifclear up

49、0clear_down 0when door_wai t3if advance 1 thenmy_lift doorcloseelsif delay 1 thendoor_waitlelse my_lift door_wait4end ifclear down 0when door wait4if advanee 1 thenmy_lift door_closeelsif delay 1 thenmy_lift doorwait1else my_lift door_wait514end tfclear_up 0when door wait5if advance 1thendoor_closee

50、lsif delaythendoor_waitlelse myliftdoor_wait6end if clcar_up 0 cleardownwhen door_wait6my_lift doorclosewhen door_closeclear_up 0clear down 0door_light 0clear_up 0cleardown 0if posreg 6 then如果電梯在第6層如果電梯在第6層且電梯外部與內(nèi)部沒(méi)有任何按鍵請(qǐng)求電梯進(jìn)入關(guān)門(mén)狀態(tài)電梯運(yùn)行狀態(tài)指示停止up_light "000000" anddown_light "000000then m

51、y lift door close數(shù)碼管顯示橫杠表示電梯停止沒(méi)有向上和向下運(yùn)行updown_light 0000001015如果電梯在第6層且電梯外部與內(nèi)部有任何按鍵請(qǐng)求時(shí)電梯轉(zhuǎn)到下降狀態(tài)電梯運(yùn)行狀態(tài)指示下降elsif insidelight 000000"or uplight "000000or downlight "000000then mylift down數(shù)碼管顯示小寫(xiě)d字表示電梯下降運(yùn)行updown light "01111010" updown_flag 1end tf如果電梯在第1層if posreg 1 then如果電梯在第1層且電梯外部與內(nèi)部沒(méi)有任何按鍵請(qǐng)求電梯進(jìn)入關(guān)門(mén)狀態(tài)電梯運(yùn)行狀態(tài)指示停止if insideight "000000"and uplight "000000then my_lift door_close數(shù)碼管顯示橫杠表示電梯停止沒(méi)有向上和向下運(yùn)行updown_light "00000010如果