毕业设计(论文)电梯控制器的实现与仿真设计.doc
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1、目 录摘要IAbstract.II第一章 绪论11.1 选题的依据及意义111.2.1 国内外电梯研究状况11.2.2 电梯的发展趋势2第二章 电梯控制系统的实现平台32.1 EDA技术的概述3 2.1.1 什么是EDA技术32.1.2 EDA的特点32.1.3 EDA技术的应用展望32.2 FPGA技术介绍4第三章 电梯控制系统的设计53.1 电梯设计的具体目的及控制要求53.2 电梯控制系统设计方案与思路53.2.1 总体设计方案53.2.2 电梯控制器设计思想63.2.3 电梯的状态转换6第四章 电梯控制系统的设计84.1 程序流程分析84.2 电梯主控制器模块9104.4 电梯译码器模
2、块104.5 电梯控制器顶层原理图11第五章 系统软件的仿真125.1 Quartus II软件的介绍125.2 电梯楼层选择器模块的波形软件仿真图125.3 电梯译码器模块的波形软件仿真图135.4 电梯清零的波形软件仿真图145.5 电梯上运行波形软件仿真图145.6 电梯下运行的波形软件仿真图155.7 电梯上下运行的波形软件仿真图15总结16参考文献(References)17致谢18附录19电梯控制器的实现与仿真设计摘要:由于传统电梯的控制方式(继电器控制)设计的电梯控制器有着使用寿命低,体积巨大,弧光放电非常严重,性能不稳的缺点,所以提出了基于 Verilog HDL语言的电梯控制
3、器的实现与设计。本设计以EDA软件为工具,FPGA 芯片为核心,运用EDA软件工具Quartus II,设计的各种功能用Verilog HDL语言来进行描述,而编译、仿真、调试及综合则通过在集成软件环境中进行。用FPGA芯片来实现6层电梯控制系统,电梯的进口和里面都安装了上下楼请求开关,乘客可自己选择要抵达的楼层。电梯的运转是以方向优先为准则的,也就是说当电梯上升的时侯只会响应上升的信号,下降的时候只响应下降的信号,直到电梯到达最顶层或者最底层,然后继续切换到另一状态模式运行。电梯具备有延时的功能,而且能够精确明显的表现出电梯的运行状态和电梯实时所处楼层。关键字: 电梯,EDA,FPGA,Qu
4、artus IIThe Realization of Elevator Controller Design and SimulationAbstract:For traditional elevator control ( relay control ) huge volume elevator controller design , low life , arc discharge serious performance shortcomings instability proposed elevator controller design based on Verilog HDL .Thi
5、s design based on EDA software tools, the FPGA chip as the core, the various functions in EDA software tool Quartus II is described using Verilog HDL language, compiled in the integrated software environment, simulation and debugging and comprehensive. Complete the 6 layers of elevator control syste
6、m with FPGA, the elevator entrance and with internal request context switches, passengers can choose to arrive at the floor. The priority principle, follow the direction of elevator running is rising only respond when the up signals,when is falling only respond when the down signals ,until after the
7、 top or bottom, and then moved to another mode. Elevator has the time delay function, and can correctly display the operating condition of the elevator, elevator floor.Keywords: Elevator, FPGA, EDA, Quartus第一章 绪论1.1 选题的依据及意义随着社会的快速发展和生产生活的需要,城市高层建筑如雨后春笋拔地而起。电梯正渐渐的融入大家的生活当中,随处可见的电梯大大的影响着人们的生活质量。科技发展日
8、新月异,各种高端的电梯新技术不断的发展,为的就是电梯能够更好的为人民服务。由于电梯已然存在于我们工作、生活、娱乐等等各种场合,和人们关系密切,息息相关,所以电梯的安全、迅捷和舒适性对人们来说是尤其重要的。每一部电梯都有相关的负责人,也就是说电梯都有专业的运维职员来确保其正常的工作,包括电梯的安全使用和故障排除,这些人员一定要充分的掌握电梯的基本原理,并且对电梯的性能和控制要全部的熟悉,这样才能够正确的对电梯进行日常的运行和维护。当前电梯控制系统主要的有三种控制方式:继电器式控制系统、FPGA/CPLD控制系统、微机控制系统1。继电器控制系统不但容易出故障,而且控制起来复杂和需要损耗的功率大等等
9、弊端,已然不能满足国家的标准,正被慢慢淘汰中。然而FPGA/CPLD控制系统非常的便捷可靠,抗外界干扰能力强悍,调试和实现目标的耗时短等优点,使之赚足人们的眼球,果不其然,FPGA/CPLD控制系统成为了所有电梯控制系统中使用最多,最广泛的。到了21世纪的今天,跟随电子科学技术快速发展,现代生产出的电子产品进入到了社会的各行各业,不仅仅促进了社会总体生产力的飞速提高,而且大大提升现代电子产品功能和作用,产品更新换代的节奏也越来越快。作为电子信息系的学生,我的毕业设计要联系生活实际致力于正在兴起的电梯文化,探索电梯的未来发展方向。用大学四年所学来设计电梯系统的控制器,在设计的同时巩固我的基础知识
10、。由于FPGA/CPLD控制系统非常的便捷稳定、抗外界干扰能力强悍、设计起来灵活简便等特点,在工业方面也有着广泛的作用。我国电梯行业在20世纪末期引进了FPGA/CPLD控制系统,该电梯控制系统瞬间走红,得到了国内电梯制造厂商普遍认同,成为了主流的电梯控制系统并且在初期就认定了一揽子的电梯产品1。1.2.1 国内外电梯研究状况 这些年来,我国电梯的出口数量也是急剧增加,每年电梯出口的平均增长率超过了34%,电梯行业也可以说在国内占有了一席之地。众所周知,我国地域辽阔,人口众多,有着庞大的电梯市场需求,所以以后将会成为世界上最大的电梯市场,前景不可估量。就比如说在08年,国内生产的电梯数量就超过
11、了21万台,成为了全世界生产电梯数量最大的国家之一2。成立于1997年3月的西子奥的斯电梯,专业创新,生产和销售电梯在国内是名列前茅,是中国节能电梯的引领者和实践者3。现在的社会,电梯生产和使用的情况也成为了权衡国家工业现代化程度的标志之一。世界上知名电梯品牌,电梯行业的顶级品牌奥的斯电梯、三菱电梯和日本的日立电梯等等,这些知名品牌占据了大半的市场份额4。1.2.2 电梯的发展趋势在如今的社会中,伴随着经济的飞速发展和科技的快速进步,电梯行业也是处在高速的发展期。世界上比较发达的国家对电梯的使用那是相当的普及,然而在这些发达并且人口密集的地方,人多地少,土地资源非常的短缺。这就表明了必须合理利
12、用土地资源来解决人与土地的矛盾,而兴建高层建筑成为一个很好且有效的方向。而高层建筑中极其重要的就是电梯了,安全可靠,高技术高标准的电梯才能满足人们的需求。有数据估计,当前世界上在使用的电梯已经有630万台左右,在这些电梯当中垂直电梯占有率为96.1%,剩余的3.9%为自动扶梯等。比如在一些发达的地区,平均每一千人的电梯占有量为3台左右,有些国家和地区的每一千人的电梯占有量甚至达到了12台。随着城市化水平的提高,电梯行业的市场将更加的繁荣昌盛5。第二章 电梯控制系统的实现平台 2.1 EDA技术的概述EDA也就是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的简称,是
13、上世纪90年代初期基于CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)、CAE(计算机辅助工程)和CAD(计算机辅助设计)的概念上逐步发展而来的。电子设计自动化技术的先导为我们熟知的计算机科学技术和微电子技术,它不仅仅将计算机图形学、微电子技术和各种高端先进计算机应用技术涵盖于其中,而且在目前前沿的计算机当中设计出了一系列较为完美的电子设计的工具6。EDA技术广泛的运用于电子电路设计的各个领域,无论是从线性到非线性、高低频电路的转换、模数之间的转换各个设计过程,还是工程师开发生产产品的过程6。2.1.1 什么是EDA技术在电子电路大规模编程设计中,EDA技术迅速的发展。正所谓EDA技术就是以
14、计算机作为工具,开发设计人员在相应的EDA软件中,开发系统运用的是相应的硬件描述语言,设计好语言后接下的工作就由计算机自动完成了,包括了编译、仿真、运行等一系列的过程。很大程度上提高了效率和操作性,这样大大的减少了设计人员宝贵的时间。现在,EDA技术应用的范围十分的广泛,应用于通信、航空、医学、化工、军事等等各个领域,不过主要针对设计的是电子电路的设计、PCB设计、IC版图的设计6。2.1.2 EDA的特点 当今电子电路设计技术的前沿发展方向无疑是EDA技术,开发人员应用的是“自顶向下”的设计理念,对要设计系统进行方案设计,分工明确。EDA工具就是为方便人们开发而生的电子电路的系统工具,辅助电
15、子设计的每一个过程,使复杂的电路系统逐步的简单化。例如在设计原理图时,可以用EDA中的仿真工具对其进行正确性的论证。接下来设计芯片的时候,也可以运用EDA的芯片设计工具来设计芯片的版图。在电路板设计阶段,亦可以用EDA中电路板设计工具来设计各种多层次的电路板。利用EDA工具,开发设计人员设计好系统和硬件描述语言,剩下的部分基本上就可以交给计算机来完成6。2.1.3 EDA技术的应用展望EDA 技术的发展非常的迅猛,逐渐广泛应用于教学、科研和电子设计等方面。就比如在教学方面,高校的理工科都开设了相应的EDA课程教学,主要是要求学生们熟悉EDA的基本概念和原理,通过运用EDA软件工具辅助完成设计实
16、验。电子系的学生更是受益匪浅,当他们在做电子设计竞赛或者毕业设计时,借助FPGA器材可以更加可靠,快速方便完成目标。EDA技术发展日新月异,设计工具层出不穷,但我国的研发水平有限,必需赶上电子时代的潮流7。2.2 FPGA技术介绍20世纪80年代,美国的赛灵思公司开发了通用型可编辑逻辑器件,那就是现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)。FPGA作为一种新开发出的可编辑逻辑器件,它具有比门阵列更高的集成度,比其它可编辑逻辑器件更具灵活性,效率也有明显的提升,在各种各类的电子产品中得到了应用。可编程逻辑单元、输入输出单元和内部布线构成FPGA,一个小
17、小的FPGA芯片就可以开发出大规模高标准集成电路8。FPGA的设计由设计输入、综合、功能仿真、实现、时序仿真、配置下载组成。 FPGA的配置模式包括并行主模式、串行模式、主从模式和外设模式。其中一片FPGA芯片加一片EPROM就构成并行主模式;而串行模式就是采用串行的PROM芯片来编辑FPGA;主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA;在外设模式中,作为外设的FPGA被微处理器编辑8。如今,FPGA中寄存器资源非常的丰富,适用于各种各样的数字系统。FPGA提供了很高的逻辑密度和高性能,在通信、电子、工业等各种领域起着无比重要的作用9。第三章 电梯控制系统的设计3.1 电梯设计的具体目的及控
18、制要求用FPGA芯片来设计6层电梯的控制系统,要求显示当前电梯所处楼层位置和其他状态信号。电梯控制系统的要求如下:1、电梯初始状态为一层,处在关门状态;2、每楼层的电梯进口处都具有上下楼开关,而电梯的内部装有楼层的选择按钮和实时状态显示;3、显示电梯所处位置以及电梯上升或下降状态;4、电梯处于上升(下降)状态时,当电梯接收到停站请求信号抵达后,停止一秒后电梯门打开,开门指示灯亮。电梯开门四秒,之后电梯门慢慢关闭,进入下一个状态继续运行,一直到完成所有的指令后停留到当前所在的楼层等待;5、电梯运行的规则:电梯总设计为6层,上升或下降一层的时间为一秒。当电梯运行处于上升状态时,是单向响应指令的,也
19、就是这时电梯只能响应比当前电梯所在楼层更高层的请求,从低层到高层逐个执行,直至完成最后一个上升请求。当高层有下楼请求时,电梯直接升至下楼请求中的最高楼层,然后切换状态进入下降状态。电梯的下降模式,工作方式和上升时是相反的。3.2 电梯控制系统设计方案与思路3.2.1 总体设计方案如图控制系统的功能模块,分别是状态显示器、主控制器、楼层选择器、译码器和楼层显示器。上述器件中的主控制器为电梯控制的核心部件,电梯开始运行,主控制器监控电梯所有的运转情况,通过按钮来进行控制电梯的状态和楼层的选择,通过按钮指示灯来了解电梯的工作状态和运行情况的显示。电梯控制系统总体设计如图3.1所示:状态显示主控制器译
20、码器楼层显示器楼层选择器图3.1 电梯控制系统总体设计框图3.2.2 电梯控制器设计思想状态机的特点非常适用于电梯控制器,它的条理比较分明。我们可以把电梯的开门、关门和等待状态都看成是各自独立开的。刚好电梯上升或下降一层的时间为一秒,所以触发状态机的时钟周期就可以设定为一秒。当电梯开始工作时,可以把其状态分为五个状态,分别为“等待状态”,“下降状态”,“开门状态”,“上升状态”,“关门状态”。电梯的状态转换图如图: 开门状态 下降状态 关门状态 等待状态 上升状态 图3.2 电梯状态转换图 电梯的状态转换 电梯设定状态分别是close_state(关门状态)、open_state(开门状态)、
21、idle_state(等待状态)、down_state(下降状态)和up_state(上升状态)。具体的状态转换如下:(1)当reset(复位)为高电平的时候,进行清零,此时电梯的初始状态是等待状态。当有乘客在当前楼层有上下请求时,电梯的状态由等待状态切换成开门状态。当发送请求的楼层比当前电梯所处楼层更高时,电梯的状态由等待状态切换成上升状态。类似的,当发送请求的楼层比当前电梯所在楼层更低时,电梯的状态由等待状态切换成下降状态。当d是0即电梯的内部有请求指令时:若和当前电梯所处楼层相同时,电梯的状态由等待状态切换成开门状态;若比当前电梯所在楼层更高时,电梯的状态由等待状态切换成上升状态;当比当
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