2022《基于FPGA的电梯控制器设计报告13000字》.docx

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1、基于FPGA的电梯控制器设计报告目录第一章绪论11.1 课题背景及研究意义11.2 国内外研究现状分析21.3 本文内容和章节安排3第二章基于FPGA电梯控制器的总体方法设计52.1 QUARTUSI! 软件52.1.1 QuartusII 软件概述52.1.2 QuartusI!软件的应用介绍52.2 VHDL 语言82.2.1 VHDL语言概述82.2.2 VHDL语言的应用介绍82.3 EDA 技术92.3.1 EDA技术概述92.3.2 EDA技术的应用介绍102.4 FPGA 概述102.5 本章小结13第三章 基于FPGA电梯控制器的硬件电路设计143.1 电梯控制器的总体结构14

2、3.2 基于FPGA电梯控制器硬件组成143.2.1 系统电源部分143.2.2 电梯的报警电路153.2.3 数码管显示电路163.2.4 按键控制电路163.2.5 复位电路173.3 本章小结18第四章基于FPGA电梯控制器的软件设计194.1 软件总设计194.1.1 电梯运行流程19、4.1.2 电梯内外请求最优响应204.2 各模块程序设计224.2.1 按键模块224.2.2 控制模块224.2.3 数码管模块234.2.4 报警模块244.3 基于FPGA电梯控制器的顶层原理图254.4 本章小结25第五章基于FPGA电梯控制器的实验结果演示255.1 实物及键位功能介绍255

3、.2 基于FPGA电梯控制器实验结果功能演示285.2.1 电梯开关门控制功能的实验结果演示285.2.2 电梯运行控制,楼层显示功能的实验结果演示295.2.3 电梯内外请求最优响应功能的实验结果演示315.2.4 电梯超限预警功能的实验结果演示355.3 本章小结39第六章总结与展望406.1 总结406.2 展望40参考文献41致 谢42第一章绪论1.1 课题背景及研究意义如今随着社会经济的快速发展,无论是商业建筑还是住宅建筑都有着越来越 高的楼层,尤其是在大城市,各个地方都开始了对旧住宅区的改造,在很大程度 上节约了占地面积，充分利用了空间。但随之而来的是高楼的不安全性以及不方 便的特

4、点,急需要令人安心的运输工具来便捷地在楼层之间传送。随着新建筑楼 层的增高,智能电梯将更受欢迎，基于这样的背景,本文将对智能控制电梯进行 相应的分析和探讨。目前研究表明，电子系统正朝着集成化、大规模化、高速化的方向发展，集 成电路的规模越大，复杂性也就越高，传统的门级描述方法过于琐细，难以理解 和掌握;而传统的电梯控制器已使用了十几年,如单片设计的控制装置，大部分 的功能虽然可以通过单片机来实现,在稳定性、成本、及使用习惯方面也具有 定的优势;但基于单片机的装置很难设计和开发,因此电梯控制器的安全性和先 进性受到普遍关注。设备的稳定性要求都与用户的切身利益有关;因此,设计合 规性一般要求和确定

5、的产品具有重要意义。由美国国防部在20世纪80年代提出的VHDL,超高速集成电路硬件描述语 言,这是个标准电路的文字,让人们可以清楚地理解文字电路，也可以作为 个模型仿真语言,VHDL语言是一种全面的硬件描述语言的设计不仅拥有多个等 级,和支撑结构，个三描述形式的流动和混合,也可以作为个系统运行仿真 模型和设计工具的电路，使用软件工具在连接图科学基本逻辑元件的文体表达自 动转换为VHDL源代码VHDL语言描述和电路具有很强的建模能力,可以简化不同 层次的硬件设计任务，描述的可靠性和高效建模。本文采用EDA技术现代数字系统中的“自上而下”的设计方法，从系统设计 开始,间隙的设计,仿真,以及纠错块

6、层,以及一个高层次的硬件描述语言的顶 层功能框图来描述系统的行为；验证功能层和集成优化工具,以生成与物理实现 相对应的逻辑电路的特定逻辑门级网表,可以是印刷电路板或ASICo硬件描述 语言在设计电路和系统中的使用是当前EDA技术的重要组成部分。因此针对现有 电梯控制器通用性差的缺陷,本次实验利用VHDL语言设计,整个实验采用自顶 向下(EDA)的电路设计方法,设计基于FPGA的电梯控制器,该计费系统具有不 需改变硬件电路而重构系统的功能,秩序采用相同的电路结构。尤其适合当前实 验设计的需要,设计者可以通过VHDL语言编写代码,然后利用模拟器验证其功 能,完成逻辑综合和逻辑优化。最后,可以通过下

7、载到相应的可编程逻辑器件 (FPGA)来实现设计。只要在VHDL程序中根据需要设置参数就可以满足不同区域 的不同需求,可应用于实际电梯控制系统中。本部分将继续通过了解技术发展状 况和项目自身需求，以及开发FPGA嵌入式应用开发技术和客观实际性,来指出 研究基于FPGA芯片设计出电梯控制系统的必要性。1.2 国内外研究现状分析在单梯控制系统方面,目前国外发达国家的电梯正在推广32位微机控制系 统。他们都采用闭环反馈单微处理机控制系统或多微处理机协调控制系统。20 世纪20年代,布莱克、奈奎斯特和博德在贝尔实验室的一系列工作中奠定了经 典反馈控制理论基础。在电梯传动系统方面,采用交流变压变频(VV

8、VF)调速技术, 实现电梯从超低速到高速无级调速的高精度运行,具有节能、对电网污染小、乘 坐舒适感佳等优点。1971年前,电梯群控系统的最初使用的是继电器顺序控制, 也称自动模式选择系统,这是电梯群控的第一个阶段。2000年以后,对各种智 能控制系统进行改进完善及智能方法的有效技术融合成为研究热点和应用趋势。 如德国Kollmorgen研发的MPK400系列产品,对整个电梯控制系统进行了较为彻 底的模块划分,其中包括操作控制模块、监控模块、群控调度模块、远程操作模 块，并配备文字型人机交互界面,具有良好的实时监测与故障诊断功能。对电梯系统方面的研究，国内的电梯企业起步较晚,相对的投入也较少，大

9、 多数直接引进的国外的成型技术。2007年5月,基于多传感器的电梯智能群控 系统面世,该系统通过在每层大厅中安装一个图像传感器来精确的测算等候电 梯的人数,在轿箱下安装称重传感器来测算轿箱里的人数来合理分配电梯,进而 提高电梯的运行效率。朱德文在现代电梯群控系统和人工智能技术中提出,如速 度控制的运行方式和理想运行曲线基本上和国外的差不多。西子奥的斯和天津奥 的斯,上海三菱和广州日立是用相对位置原则进行速度控制的;浙江巨人、北京 京城中奥和上海新时达则是按时间原则进行速度控制的。考虑到经济性,现有国 内的电梯控制系统,通常采用微机或PLC（可编程逻辑控制器）对变频器进行多段 速控制。在2004

10、年,李中华等以满足乘客心理和生理方面需求为控制目标,将 模糊控制应用于电梯群控以减小乘客的最大冲击次数和最长侯梯时间。2007年5 月,基于多传感器的电梯智能群控系统面世，该系统通过在每层大厅中安装 个图像传感器来精确的测算等候电梯的人数，在轿箱下安装称重传感器来测算轿 箱里的人数来合理分配电梯，进而提高电梯的运行效率。1.3 本文内容和章节安排本设计利用FPGA器件作为主控制芯片,采用模块化设计方法,通过硬件描 述语言VHDL对电梯控制器各功能模块进行编程。实现了五层电梯控制器设计。 经软件仿真和硬件实现,表明该方案能满足设计要求,并能扩展到多层电梯。主 要完成以下功能:（1）电梯开关门控制

11、;（2）电梯运行控制,楼层显示;（3） 电梯内外请求最优响应；（4）超限报警。为完成本次实验设计,需先将相关资料仔细审査并确定大致设计思路,制定 个整体目标；在查阅文献、资料后,根据本次实验设计做个需求分析,结合整 体大纲进行具体深入的学习；然后化整为零,将系统整体划分成详细的不同模块, 并梳理这些模块之间的联系，然后对如何设计、如何实现每个功能进行构思；在 程序设计时需要先做个大致的流程图，流程图有利于思路的清晰，实验完成的有 效。本文分为以下几个结构:第一章绪论,主要对课题的背景及其研究意义进行分析，并就国内外研究现 状进行了探讨,理清了论文的主线。第二章为开发环境及相关技术概括,简介了关

12、于本次实验用到的软件及设计 方法,从“ QUARTUSH软件”、“ VHDL语言”、“ EDA技术”这几方面介绍采用此 技术来实现电梯控制系统的实用性与必要性。第三章为电梯控制系统的设计,把实验总体分为四个部分,“设计原理”“设 计内容、“设计框图”、“设计模块”,简单介绍了电梯控制系统的原理和结构组 成,通过图文并茂的形式直接反应出本次实验的设计流程及实现方法,对接下来 的实验过程有一个简单的介绍。把整个系统分为几个模块,电梯开关门控制;电 梯运行控制,楼层显示;电梯内外请求最优响应;超限报警,先对每个模块阐 述我的设计想法。第四章为电梯控制系统的硬件电路设计,将各个模块的器件图按设计要求所

13、 连接,生成综合设计图进行仿真，介绍程序仿真过程及仿真结果,并结合实际情 况得出最后的实验结果。第五章为电梯控制器的实验结果演示,对FPGA电梯控制器的四个功能进行 实物演示。第二章基于FPGA电梯控制器的总体方法设计QuartusII软件是21世纪初推出的FDGA/CPLD开发环境,支持原理图、VHDL 等多种语言。设计输入表单,嵌入式合成器和仿真器可以完成从设计输入到硬件 配置的完整PLD设计流程;VHDL程序结构的特点是工程设计分为内部和外部两 个部分,涉及设备的内部功能,这涉及到算法的完成。当完成内部开发时为设计 设备定义外部接口时,其他设计可以直接调用此设备。2.1 QUARTUSI

14、! 软件2.1.1 QuartusI! 软件概述1、内嵌SignalTapII逻辑分析器、功率估计器等高级工具;2、支持多时钟时序分析,基于LogicLock模块的设计，易于引脚分配和时 间限制;3、具有很强的HDL综合能力;4、MaxplusIIGUI包含在内,并且很容易将MaxplusII项目转移到QuartusII 开发环境。5、对于Fmax的设计有很好的效果;6、支持多种设备;7、支持多种操作系统,如Windows, Linux和Solaris；8、支持与第三方工具,如集成,模拟等。QuartusII是款四代可编程逻辑软件。该平台支持工作组环境中的设计要 求,包括对基于!nternet

15、的协作的支持。Quartus平台与Cadence,示例逻辑,MeTror 图形，SyoSyS和Sypple等EDA工具开发工具兼容。改进软件中的LogicLock 模块构建功能，增加FastFit编译设置，促进网络编辑并提高调试功能。2.1.2 QuartusI!软件的应用介绍QuartusII软件基于开发环境FDGA/CPLDo它支持VHDL, VeriloGHDL和 AHDL等不同设计的输入形式,以及完成从输入设计到硬件配置的完整PLD电 源。该软件拥有自己的合成器和模拟器。QuartusII软件也可以在不同的操作系统 如XP, Linux和UNIX上使用。TCL脚本可以用于用户图形界面的

16、设计。它具 有快速辅助操作,保持界面风格一致,功能综合,易于学习和易于使用等特点。 QuartusI!支持Altera的IP内核,包括LPM库,允许用户充分利用已经记录的模 块,这样可以简化设计的复杂性并加快设计速度。QuartusII软件集成了 AlteraFDGA/CPLD开发过程中涉及的所有工具和第三方软件接口。通过这个开 发工具,设计师可以方便的创建,组织和管理他们自己的设计。QuartusII软件开 发过程如图2-1所示。图2T Quartus I!软件的开发流QuartusI!软件提供了完整的多平台设计环境，可轻松满足特定的设计要求， 并且是SOPC设计的集成环境。此外,Quart

17、usII软件允许用户在设计过程的每个 阶段使用其软件图形用户界面,EDA工具界面或命令行。1 .设计输入:输入模式采用QuartusII软件模块,输入模式,输入模式和中央 输入EDA设计工具来表达用户电路的概念,并通过任务编辑器设置初始设计约 束。2 .合成:将所述HDL语言,示意性设计,并且所述第二输入逻辑链路（网表）,个基本的逻辑单元（例如NAND, RAM,触发等）,并根据所生成的 逻辑优化目标和要求Link和输出标准格式的网表文件,如.EDF或.VQM,用于 路由设备的部署和布局。3 .布局:综合布局分析结果,布局优化,增量布局反向指示类似。4 .时序分析:允许用户分析所有逻辑设计的时

18、序性能,布局并帮助引导分析, 以满足设计的时间要求。5 .仿真：分为功能仿真和时序仿真。仿真功能是检查电路的功能是否满足结 构要求,包括仿真时序延迟信息，最好是反应芯片的设计工作。6 .编程和配置：将器件,逻辑器件和布局引脚分配转换为器件分配文件到芯 片进行测试。Quartus I!是Altera公司的FPGA设计软件，与FPGA片内的硬件相关的设 计都在这个软件工具中完成。启动软件后,其默认界面如图2-2所示。由标题栏、 菜单栏、工具栏、资源管理窗、编辑状态显示窗、信息显示窗和工程工作区等组 成部分。fattlyI心 Caafiltiaa MirarliyHwl .OMjpngJQuartu

19、s 0 Bto tdfc VWw Propel AMigmrnnl* _ Prototinfl Toch Window HdpD 1 Ji I 3双 3 9 A 。 T SRs hPhXM.r9 。 3tmlt 卜 CmcJWimrfl X E* A 百百 7,|Meinge|lccwnFo-出bKey51IMRJT:VQCKeylUp-ISPL：T 二Key2Up1y_INPUT.yesKeyZDovti1，_ T vCcKey3Up1L客Key 3D。wi.祁Key4Up1-INPUT:Key4D。wi1-方 vccKeySDovn1-wSWIyuhaiivcc图4-2-1按键检测元件图4

20、.2.2 控制模块有效方向选择信号称为有效方向选择信号。方向选择的控制原理是将有效的 方向选择信号（指令、呼叫）与电梯的实际位置进行比较。当有效方向选择信号 （指令或呼叫）高于电梯所在楼层时,选择上方向运行,反之亦然,选择下方向 运行。当电梯运行到所选楼层并达到水平位置时,方向选择模块应断开输出方向, 即上下两个方向都输出“O”，电梯停止并制动。Control modelCLKLED1iiRSTnLED2：-Key1LEDSi-Key 2LED4-Key3LED5Key 4LEDWp-Key5LED2UpKeylUpLED 2D owi-Key2UpLED3Up1-Key2DowiLED3DO

21、W1 i-Key3UpLED4Up-Key3Do wiLE D 4D ov/i1jKey4UpLED5D owiKey4Dov/iLED Open：Key5DowiLED Close：SWLEDGo1.0Num 3.0mmDrfl 0Speaker：in st图4-2-2键盘扫描元件图4.2.3 数码管模块当电梯运行到某楼层时,如果有指令信号满足下列条件之,则满足该楼 层电梯停车的条件,选择模块输出减速停车信号。（1）当电梯运行到某楼层 时,电梯输出减速停车信号。本层有上呼叫信号;（2）电梯运行方向向下,本 层有下呼叫信号;（3）电梯运行方向向上,本层有下呼叫信号,本层无命令或 呼叫信号；（4

22、）电梯运行方向向下,本层无命令或呼叫信号。本层有上呼叫信 号，本层以下无命令或呼叫信号。LED-encoder- CLKRovv_Scan_Sig(7 0- Hutn(3 0Column-Sec_Sq3 0D” 101图4-2-3电梯显示模块元件图4.2.4 报警模块在超载的情况下,会自动的根据超载情况对应处理,从而输出相应的信号状 态,保持电梯门打开的状态并且做出相应的超载提示。这个状态一直维持到有人 从电梯中处来,不再超载为止。这时就不会发生超载提示,电梯恢复之前正常的 状态运行。Alarm_fnodel-CLK Speaker-E ninsf2图4-2-4电梯报警模块元件图4.3 基于F

23、PGA电梯控制器的顶层原理图将软件各个模块进行编译综合产生元件图以后,放入图文件进行连线和设置 引脚产生系统顶层电路,最后生成顶层电路图如下:4.4 本章小结本章介绍了电梯控制系统整个设计实验流程和最终实现要求。根据整体设计 画出直观的流程图,再将整体分为各个模块,可以更有效率的将分模块链接起来 完成整个电梯控制系统的设计。按照自顶向下的设计方法,首先把系统分为各个 模块,然后对每个模块进行单独的设计,根据每个模块的实验框图进行程序 设计。第五章基于FPGA电梯控制器的实验结果演示5.1 实物及键位功能介绍如图1所示从左到右蓝红灯分别表示第一层上行指令灯,第二层上行或下 行指令灯，第三层上行或

24、下行指令灯,第四层上行或者下行指令灯,第五层下行 指令灯。对应着电梯外按键如图3下侧的五组按键。说明有人在某层电梯发出上 或者下指令时对应的某层的上下楼的指令灯的亮灭。图1中黄绿灯分两部分,上半部分黄绿灯表示电梯的开关门状态,绿灯亮代表关门状态,黄灯亮代表开门状 态。下半部分黄绿灯是电梯上升和下降的指示灯,绿灯亮代表上升,黄灯亮代表 下降。图1如图2所示主芯片下的五个led灯从左到右分别表示电梯内层到五层的指 令灯。时钟屏幕上可现实电梯的层数以及上行或下行的状态。图2如图3所示,图左侧的五个键位从下到上分别表示电梯内部层到五层的按 键,对应的led指示灯如图2中的主芯片下的五个led灯。下面的

25、五组按键从左 到右分别表示电梯外一层上行按键,二层上行和下行按键,三层上行和下行按键,四层上行和下行按键,五层上行和下行按键。图3图4所示是FPGA电梯控制器的总体实物图5.2 基于FPGA电梯控制器实验结果功能演示本设计利用PFGA器件作为主控制芯片,采用模块化设计方法通过硬件描述 语言VHDL对电梯控制器各模块进行编程。主要完成以下功能:（1）电梯开关门 控制。（2）电梯运行控制,楼层显示。（3）电梯内外请求最优响应。（4）超 限报警。5.2.1 电梯开关门控制功能的实验结果演示掘下如图3中一层电梯外上行按键,之后会出现如图5和图6的实验结果。 如图5所示说明绿灯亮电梯开门图5如图6所示黄

26、灯亮电梯关门。图65.2.2 电梯运行控制,楼层显示功能的实验结果演示如图7所示在层电梯内按下二层按键则电梯内对应二层的led指示灯会亮 电梯上行下半部分绿灯亮说明电梯上行状态,且在时钟屏幕上显示。图7如图8所示当电梯到达二层时,绿灯亮说明电梯开门图8如图9所示随着绿灯的熄灭黄灯亮说明电梯关门,电梯内2层的led灯灭。整个 电梯运行过程结束且电梯层数在时钟屏幕上显示。图95.2.3 电梯内外请求最优响应功能的实验结果演示如图10所示把电梯设置在三楼,在三层电梯内掘下层按键的同时在二层 电梯外给个二层下行的指令如图11所示,下部黄色灯亮说明电梯下行且在时 钟屏幕上显示下行状态，FPGA开发板上红色led灯亮说明去层的指令已经发 出,红色指令灯亮说明在二层有人发出下行的指令。然后电梯运行到到层,绿 色指示灯亮电梯开门,黄色指示灯亮电梯关门,此时说明二层的人已经进入电梯, 这个过程如图12和图13。之后二层电梯外红色下行指示灯熄灭,下部分黄色指 示灯亮说明电梯继续下行,如图14所示。电梯下行到层,下半部分黄色指示 灯灭电梯停止下行,上部分绿色指示灯亮电梯开门,此时说明人已经到达楼准 备出电梯,如图15所示。最后,上部分黄色指示灯亮且绿色指示灯灭说明电梯 关门,与此同时一层电梯内的led灯灭说明已经完成了整个过程，人已经走出电 梯,如图16所示。如图10所示把电梯设置在三楼,在三层电