基于FPGA的三層電梯設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計題目：基于FPGA的三層電梯設(shè)計 學(xué) 院： 工學(xué)院 專業(yè)班級： 通信工程11秋2班 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 小組成員： 指導(dǎo)教師： 完成日期 2013年 12月專心-專注-專業(yè)目錄1 課題背景1.1 課題的作用和意義電梯作為高層大廈的主要垂直交通工具，電梯系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量和效率的提高對建筑的有效利用和性能發(fā)揮將產(chǎn)生極為重要的影響。信息化時代的到來，推動了電梯的發(fā)展，電梯控制器已成為當今世界性開發(fā)的熱點，也是各國綜合實力的表現(xiàn)。電梯系統(tǒng)作為建筑樓宇自動化的重要組成部分，也要求向滿足大廈中大量人流、物流的垂直輸送需要，電梯制造商利用先進的技術(shù)，開發(fā)出各種高性

2、能的電梯系統(tǒng)以滿足乘客生理和心理要求，實現(xiàn)高效的垂直輸送。1.2 國內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢等情況隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來我國的電梯生產(chǎn)技術(shù)得到了迅速發(fā)展一些電梯廠也在不斷改進設(shè)計、修改工藝。更新?lián)Q代生產(chǎn)更新型的電梯，電梯主要分為機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩大部份，隨著自動控制理論與微電子技術(shù)的發(fā)展，電梯的拖動方式與控制手段均發(fā)生了很大的變化，交流調(diào)速是當前電梯拖動的主要發(fā)展方向。目前電梯控制系統(tǒng)主要有三種控制方式：繼電路控制系統(tǒng)、FPGA控制系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、可靠性差、控制方式不靈活以及消耗功率大等缺點，目前已逐漸被淘汰。微機控制系統(tǒng)雖在智能控制方面有較強的功能，但也存在

3、抗擾性差，系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)等缺陷。而FPGA/CPLD控制系統(tǒng)由于運行可靠性高，使用維修方便，抗干擾性強，設(shè)計和調(diào)試周期較短等優(yōu)點，倍受人們重視等優(yōu)點，已成為目前在電梯控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式，目前也廣泛用于傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的技術(shù)改造。2 Quartus II軟件、FPGA硬件介紹2.1 QuartusII軟件介紹QuartusII是Altera公司繼Max+plusII之后開發(fā)的一種針對其公司生產(chǎn)的系列CPLD/PGFA器件的綜合性開發(fā)軟件，它的版本不斷升級，從4.0版到10.0版，這里介紹的是QuartusII8.0版。Quartus II軟件的設(shè)計流程為

4、：設(shè)計輸入、綜合和編譯、適配器、仿真、下載。Max+plusII作為Altera的上一代PLD設(shè)計軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應(yīng)用。目前Altera已經(jīng)停止了對Max+plusII的更新支持。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設(shè)計的復(fù)雜性、加快了設(shè)計速度。2.1.1 QuartusII對器件的支持QuartusII支持Altera公司的MAX3000A系列、MAX7000系列、MAX9000系列、ACEX1K系列、APEX20K系列、APEXII系列、FLEX6000系列、FLEX10

5、K系列，支持MAX7000/MAX3000等乘積項器件。支持MAXIICPLD系列、Cyclone系列、CycloneII、StratixII系列、StratixGX系列等。支持IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模塊庫，用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設(shè)計的復(fù)雜性、加快了設(shè)計速度。此外，QuartusII通過和DSPBuilder工具與Matlab/Simulink相結(jié)合，可以方便地實現(xiàn)各種DSP應(yīng)用系統(tǒng)；支持Altera的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級設(shè)計、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺。軟件具有開放性、與結(jié)構(gòu)無關(guān)、多平臺、完全集成

6、化、豐富的設(shè)計庫、模塊化工具等特點，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計流程。2.2 FPGA硬件介紹2.2.1 FPGA基本簡介FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是專用集成電路中一種半定制電路。具克服了傳統(tǒng)可編程器件數(shù)有限的缺點，又具有可編程的特點。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其

7、工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。2.2.2 FPGA的優(yōu)點 目前的FPGA已遠超出先前產(chǎn)品的基本功能，并且整合了許多常用功能( 如RAM、時鐘管理和DSP)，在新型的的系統(tǒng)級可編程邏輯器件中還可以以IP核的形式來進行功能設(shè)計，或許只需要一塊FPGA芯片就可以實現(xiàn)所有功能，成為片上系統(tǒng)。FPGA運行速度快， 內(nèi)部集成鎖項環(huán),可以把外部時鐘倍頻,核心頻率可以到幾百M,克服了單片機在高速場合中運行速度低的缺點。 3 設(shè)計思路及運行流程3.1 電梯主要功能（1）每層電梯處設(shè)有上下請求開關(guān)，電梯內(nèi)設(shè)有乘客到達層次的停站請求開關(guān)。 （2）設(shè)有

8、電梯所處位置指示裝置及電梯運行情況指示。（3）電梯的初始狀態(tài)為第一樓層。3.2電梯運行設(shè)計思路實現(xiàn)此系統(tǒng)分為三個模塊，分別為總控制模塊、電梯位置顯示的譯碼模塊，及電梯運行狀態(tài)顯示的譯碼模塊。我們通過開發(fā)板中的開關(guān)模擬電梯外部和內(nèi)部的樓層上升及下降請求，由數(shù)碼管顯示電梯的位置狀態(tài)及所在樓層層數(shù)。通過LED燈的亮與滅表示電梯的開門狀態(tài)。例：從1樓上至2樓，即需要將開發(fā)板中代表1樓上升請求及3樓停止請求的開關(guān)撥上，則數(shù)碼管顯示0102。3.3 電梯的運行流程電梯的請求信號劃分為上升信號和下降信號。電梯收到請求信號后，都必需做預(yù)操作。使電梯進入預(yù)上升狀態(tài)的請求信號就是上升，得到上升和下降及所到樓層的請

9、求后作出相應(yīng)的動作實現(xiàn)。以下為電梯在各樓層時的狀態(tài)：當電梯在一樓時，不管電梯內(nèi)部還是外部，電梯只能收到上升請求信號，此時電梯進入預(yù)上升狀態(tài)，準備上升，如果沒有收到上升請求，則電梯待在一樓。當電梯在二樓時，如電梯外部內(nèi)部均沒有收到任何請求，電梯將返回一樓待機；如電梯接收到上升請求信號，則進入預(yù)上升狀態(tài)；如電梯接收到下降請求信號，電梯進入預(yù)下降狀態(tài)。當電梯在三樓時，電梯只能接收到下降請求信號，此時電梯進入預(yù)下降狀態(tài)，準備下降。流程圖如（圖3.1）所示圖3.1電梯運行流程圖3.4 模塊介紹3.4.1 電梯控制模塊介紹控制模塊代碼見（附錄一），原理圖如（圖3.2）具體引腳分配見（附錄二）圖3.2 電梯

10、頂層模塊開關(guān)輸入引腳：“REST”是復(fù)位開關(guān)，實現(xiàn)電梯無請求時手動復(fù)位至1樓的功能；“LIFTCLK”是時鐘脈沖；“F1UPBUTTON”是1樓上升的請求開關(guān)，實現(xiàn)產(chǎn)生1樓有上升請求；“F2UPBUTTON”是2樓上升的請求開關(guān)，實現(xiàn)產(chǎn)生2樓有上升請求；“F2DNBUTTON”是2樓下降的請求開關(guān)，實現(xiàn)產(chǎn)生2樓有下降請求；“F3DNBUTTON”是3樓下降的請求開關(guān)，實現(xiàn)產(chǎn)生3樓有下降請求；“STOP13BUTTON”是13樓停止的請求開關(guān)，實現(xiàn)產(chǎn)生到13樓時停止的請求；數(shù)碼管輸出引腳：“jm6.0”是電梯所在位置顯示引腳；“l(fā)ed6.0”是電梯上升下降狀態(tài)顯示。LED燈輸出引腳：“DOORL

11、IGHT”時開門燈顯示引腳。3.4.2譯碼器模塊介紹（1）樓層上升及下降狀態(tài)譯碼器模塊，樓層上升及下降狀態(tài)顯示如（圖3.3）： 圖3.3上升及下降狀態(tài)顯示譯碼模塊“SEG”表示輸入一個1位二進制數(shù)0或1； “Q36.0”引腳分別輸出7位二進制：和即顯示為0和1。 （2）樓層樓層位置顯示譯碼器模塊原理圖如（圖3.4）：圖3.4樓層樓層位置顯示譯碼器模塊SEG2.1表示輸入一個2位二進制數(shù)01、10、11；“ Q36.0”引腳分別輸出7位二進制： 顯示為1，顯示為2，顯示為3。3.4.3 總模塊介紹圖3.5 電梯主控系統(tǒng)和譯碼器模塊連接圖控制模塊的下降信號輸出作為運行狀態(tài)譯碼模塊的輸入，控制模塊的

12、位置輸出作為電梯位置顯示譯碼模塊的輸入。4 各模塊功能仿真圖4.1 電梯控制模塊功能仿真圖4.1電梯控制模塊功能仿真上圖表示：電梯從1樓上至3樓再下至2樓的情況波形說明：步驟1：給予2樓上升請求一個脈沖步驟2：給予3樓停一個脈沖步驟3：給予2樓上升請求一個脈沖步驟4：下降輸出信號UDSIG在電梯響應(yīng)下降至2樓時為1表示下降其余為0上升；開門燈DOORLIGHT在1樓和到3樓及2樓時為1表示亮；電梯位置顯示POSITION相應(yīng)顯示1232。以上仿真與所要求情況一致。4.2 譯碼模塊功能仿真圖4.2譯碼器功能仿真上圖表示：（譯碼顯示的是數(shù)碼管的引腳，低電平為亮，高電平為不亮）Jm分別為：即1232

13、符合電梯所在位置顯示。Led分別為：即01上升到下降符合電梯運行狀態(tài)。5 實物展示1 電梯初始狀態(tài)如圖（5.1）圖5.1電梯初始狀態(tài)說明：上圖顯示01，即電梯處于1樓待上升狀態(tài)。當沒有任何請求時電梯則自動復(fù)位至此狀態(tài)2 電梯1樓上升至3樓模擬如圖（5.2）圖5.2 電梯1樓上至3樓說明：要實現(xiàn)電梯從1樓上升至3樓則需要F1UPBUTTON即開關(guān)SW3為高電平，STOP3BUTTON即開關(guān)SW9為高電平，同時BUTTONCLK即開關(guān)SW2為高電平，手動撥動LIFTCLK即開關(guān)SW1一次上升一層樓。圖示為電梯已經(jīng)上至三樓的狀態(tài)。DOORLIGHT為高電平即LED燈亮表示電梯開門。3 電梯3樓下降至

14、1樓模擬如圖（5.3a）、圖（5.2b）圖5.3（a)電梯處于3樓待下降狀態(tài)說明：電梯要實現(xiàn)從3樓下降至1樓則需要3DNBUTTON即SW6為高電平，STOP1BUTTON為高電平，同時BUTTONCLK即開關(guān)SW2為高電平，手動撥動LIFTCLK即開關(guān)SW1一次下降一層樓。圖示為電梯在3樓待下降的狀態(tài)。圖5.3(b)電梯已下降至1樓的狀態(tài)說明：撥LIFTCLK兩次電梯已下降至1樓的狀態(tài)。DOORLIGHT為高電平即LED燈亮表示電梯開門。6 心得體會兩周的課程設(shè)計實際的操作了整套電梯控制的設(shè)計，從剛開始的開題報告，到著手編寫代碼、連接模塊原理圖、仿真、分配引腳到最后下載到開發(fā)板驗證。在課程設(shè)

15、計前都是進行某個部分的操作，經(jīng)過此次整套程序下來對FPGA及VHDL語言都有了更深的認識。開始面對著書上的大段大段代碼感到恐懼，但通過之后的一點一點輸入修改，特別是在代碼修改中體會到了耐心及細心的重要性，例如一個標題不吻合或少個引號在句末少個分號這些看似簡單甚至不起眼的符號都足以讓我們頭疼找半天，但是隨著這些錯誤的逐個排解也會產(chǎn)生極大的喜悅感。從剛開始的看著代碼什么都不懂，到最后能夠看懂一點，真的有很大的收獲。剛開始還算比較順利，但在譯碼模塊出現(xiàn)了許多問題，不斷的仿真失敗、下載失敗，不斷的嘗試最后能夠成功的實現(xiàn)電梯控制的基本功能是這兩周來和我的隊友共同努力的結(jié)果。同時還學(xué)到了再完成一項任務(wù)時應(yīng)

16、該如何與自己的隊友合作完成，要有自己的想法但也要善于嘗試隊友的建議。不論最后的成績?nèi)绾?，都是自己努力來的成果? 謝 辭在取得這些成果的同時當然少不了兩位老師的辛苦指導(dǎo)，兩位老師在進行其他班級正常授課的同時還要過來指導(dǎo)我們完成課程設(shè)計，要較于平時辛苦很多。有幾次同學(xué)的代碼總是修改不成功，周老師在下班的時間依舊幫助他查找錯誤幫忙修改。上課時不停的有人喊“老師”老師這邊”,你們依舊可以耐心的為我們一一解釋錯誤的原因并指導(dǎo)我們解決那些問題。 在這里衷心的感謝兩位老師為我們的付出。參考文獻1朱正偉,王其紅，韓學(xué)超. EDA技術(shù)及應(yīng)用（第二版）M.北京:清華大學(xué)出版社,2013.3:p315-323 附

17、錄一總程序模塊:LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY THREEFLIFT ISPORT(BUTTONCLK: IN STD_LOGIC; LIFTCLK: IN STD_LOGIC; RESET: IN STD_LOGIC; F1UPBUTTON: IN STD_LOGIC; F2UPBUTTON: IN STD_LOGIC; F2DNBUTTON: IN STD_LOGIC; F3DNBUTTON: IN STD

18、_LOGIC; FUPLIGHT: BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); FDNLIGHT: BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); STOP1BUTTON,STOP2BUTTON,STOP3BUTTON: IN STD_LOGIC; STOPLIGHT: BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); POSITION: BUFFER INTEGER RANGE 1 TO 3; DOORLIGHT: OUT STD_LOGIC; UDSIG: BUFFER STD_LOGIC); END THRE

19、EFLIFT;ARCHITECTURE a OF THREEFLIFT IS TYPE LIFT_STATE IS(STOPON1,DOOROPEN,DOORCLOSE,DOORWAIT1,DOORWAIT2,DOORWAIT3,DOORWAIT4,UP,DOWN,STOP); SIGNAL MYLIFT: LIFT_STATE; SIGNAL CLEARUP: STD_LOGIC; SIGNAL CLEARDN: STD_LOGIC; BEGIN CTRLIFT: PROCESS(RESET,LIFTCLK) VARIABLE POS: INTEGER RANGE 3 DOWNTO 1; B

20、EGIN IF RESET=1 THEN MYLIFT=STOPON1; CLEARUP=0; CLEARDN DOORLIGHT=1; POSITION=1; POS:=1; MYLIFT MYLIFT CLEARUP=0;CLEARDN=0;MYLIFTMYLIFTMYLIFT DOORLIGHT=0; IF UDSIG=0 THEN IF POSITION=3 THEN IFSTOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUDSIG=1; MYLIFT=DOORCLOSE; ELSE UDSIG=1;MYLIFT=DOWN; END

21、 IF;ELSIF POSITION=2 THEN IF STOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUDSIG=0; MYLIFT=DOORCLOSE; ELSIFSTOPLIGHT(3)=1 OR (STOPLIGHT(3)=0 AND FDNLIGHT(3)=1)THEN UDSIG=0; MYLIFT=UP;ELSE UDSIG=1;MYLIFT=DOWN; END IF;ELSIF POSITION=1 THEN IFSTOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUD

22、SIG=0; MYLIFT=DOORCLOSE; ELSE UDSIG=0;MYLIFT=UP; END IF;END IF;ELSIF UDSIG=1 THEN IF POSITION=1 THEN IFSTOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUDSIG=0; MYLIFT=DOORCLOSE; ELSE UDSIG=0;MYLIFT=UP; END IF;ELSIF POSITION=2 THEN IFSTOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUDSIG=1; MY

23、LIFT=DOORCLOSE; ELSIFSTOPLIGHT(1)=1 OR (STOPLIGHT(1)=0 AND FDNLIGHT(1)=1) THEN UDSIG=1; MYLIFT=DOWN;ELSE UDSIG=0;MYLIFT=UP; END IF;ELSIF POSITION=3 THEN IF STOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUDSIG=1; MYLIFT=DOORCLOSE; ELSE UDSIG=1;MYLIFT POSITION=POSITION+1; POS:=POS+1; IF POS3 AND(

24、STOPLIGHT(POS)=1 OR FDNLIGHT(POS)=1) THEN MYLIFT=STOP;ELSIF POS=3 AND(STOPLIGHT(POS)=1 OR FDNLIGHT(POS)=1)THEN MYLIFT=STOP; ELSEMYLIFT POSITION1 AND(STOPLIGHT(POS)=1 OR FUPLIGHT(POS)=1) THEN MYLIFT=STOP;ELSIF POS=1 AND(STOPLIGHT(POS)=1 OR FDNLIGHT(POS)=1)THEN MYLIFT=STOP; ELSE MYLIFT MYLIFT DOORLIGHT=1;IF UDSIG=0 THEN IF POSITION=2 AND (STOPLIGHT(POSITION)=1 OR FUPLIGHT(POSITION)=1) THEN CLEARUP=1;ELSE CLEARUP=1;CLEARDN=2 AND (STOPLIGHT(POSITION)=1 OR fDNLIGHT(POSITI