1、武汉轻工大学毕 业 设 计（论 文）设计( 论文)题目：基于 FPGA 的电梯控制器设计姓 名_ _ _ _学 号_ _ _ _院（系）_ 电气与电子工程 _ _专 业_ 电子信息科学 _ _ _指导教师_ _ _ _2013 年 5 月 7 日摘 要 .3Abstract.4第 1 章 绪论 .51.1 选题背景 .51.2 EDA 技术介绍 .61.3FPGA 介绍 .71.3.1FPGA 简述 .71.3.2FPGA 工作原理 .71.4VHDL 语言 .81.4.1 VHDL 语言的发展 .81.4.2VHDL 的特点 .8第 2 章 电梯控制器设计方案分析 .102.1 电梯动力结构
2、设计 .102.2 方向优先控制方案 .112.3 内部请求优先控制方式 .112.4 电梯位置传感器 .112.5 显示楼层 .122.6 按键去抖 .122.7 电机驱动选择 .122.8 称重传感器 .13第 3 章 模块设计程序硬件设计和软件设计 .143.1 设计方案总结： .143.2 电梯硬件控制模块 .153.2.1 电梯硬件控制模块外控制模块 .153.2.2 电梯硬件控制模块内控制模块 .153.3 电梯硬件控制模块软件设计 .163.3.1 主控制器的功能 .16第 4 章各部件仿真结果 .254.1 到达楼下信号仿真图 .254.2 超重警告仿真如图 .264.3 外人
3、请求信号： .264.4 分频器仿真： .27结束语 .28致 谢 .29参考文献 .30摘 要电梯作为现代化的产物，早在上个世纪就进入了我们的生活之中。本设计就是基于电子设计自动化（Electronic Design Automation）技术中的甚高速集成电路硬件描述语言（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）语言所开发的六层电梯控制程序。VHDL 具有与具体硬件电路无关和设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力，并在语言易读性和层次化结构化设计方面，表现了强大的生命力和应用潜
4、力。本设计介绍了基于 VHDL 语言设计的电梯控制器，并进行了电路综合和仿真。该控制器遵循方向优先的原则，提供 6 个楼层多用户的载客服务并指示电梯的运行情况。通过程序调试及运行仿真，结果表明，本设计可以完成：电梯运行所在楼层指示、电梯运行方向指示、超载报警、故障报警等。关键词：控制器；EDA；电梯AbstractThis Elevator as a product of modern civilization, as early as in the last century into our lives. The design is based on the electronic desig
5、n automation (Electronic Design Automation) very high speed integrated circuit hardware description language (Very in High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) six elevator control program development language. VHDL has the features and the specific hardware circuit design is inde
6、pendent and platform independent, and has the ability to describe the behavior of the circuit is described and the system is good, and in the aspects of language readability and hierarchical structure design, demonstrated strong vitality and potential applications. This design introduced the design
7、of elevator controller based on VHDL language, and gives the circuit synthesis and simulation. The controller to follow the direction of the principle of priority, operation provides 6 floors of the passenger service and more user instructions for elevator. Through the program debugging and running
8、the simulation, results show that, the design can be done: elevator floor indicator, elevator running direction, overload alarm, fault alarm etc.Keywords: controller, EDA, elevator第 1 章 绪论1.1 选题背景随着科学技术的发展、近年来，我国的电梯生产技术得到了迅速发展一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。更新换代生产更新型的电梯，电梯主要分为机械系统与控制系统两大部份，随着自动控制理论与微电子技术的发展，电梯的拖
9、动方式与控制手段均发生了很大的变化，交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向。目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电路控制系统(早期安装的电梯多位继电器控制系统)、FPGA/CPLD 控制系统、微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。而FPGA/CPLD 控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器
10、控制系统的技术改造。目前国内七八十年代安装的许多电梯电气部分用继电器接触器控制系统，线路复杂，接线多，故障率高，维修保养难，许多已处于闲置状态，其拽引系统多采用交流双速电机系统换速，效率低，调速性能指标较差，严重影响电梯运行质量。由于这些电梯交流调压调速系统，交流双速电机拖动系统性能及乘坐舒适感较差，交流调压调速系统属能耗型调速的机械部分无大问题，为节约资金，大部分老式电梯用户希望对电梯的电气控制系统进行改造，提高电梯的运行性能。因此对电梯控制技术进行研究，寻找适合我国老式电梯的改造方法具有十分重要的意义。电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系。FPGA/CPLD 作为
11、新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，从而使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。1.2 EDA 技术介绍 EDA 技术是 20 世纪 90 年代初从计算机辅助设计（Computer Aided Design）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture）、计算机辅助测试（Computer Aided Testing）和计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）的概念发展而来的。随着超大规模集成电路（Very Large Scale Integrati
12、on）规模和技术复杂度的急剧增长，一块芯片内集成门已可达几十万甚至几百万门，并且还在迅速增长，电子系统的人工设计已十分困难，必需依靠电子设计自动化技术。在利用 EDA 进行集成电路设计时，应采用高效率的TOP-DOWN 设计方法，即根据系统的行为和功能要求，自上而下地依次完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件。在电路描述时主要采用硬件描述语言（HDL）。硬件描述语言是用于设计硬件电子系统的计算机语言，它描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。设计者可以利用 HDL 程序来描述所希望的电路系统，规定其结构性和电路的行为方式；然后利用 EDA 工具将此程序变成能控制场效应可编程门
13、阵列（Field Programmable Gate Array）/复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device）内部结构并实现相应逻辑功能的门级或更底层的结构网表文件和下载文件。现代 EDA 技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。它主要采用从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿真、纠错、并用 VHDL、 ABEL 等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证然后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。简单来说就是依赖功能
14、强大的计算机，在 EDA 工具软件平台上，对以硬件描述语言 HDL 为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合（布局布线），以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。1.3FPGA 介绍1.3.1FPGA 简述FPGA 是英文 FieldProgrammable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。1.3.2FPGA
15、工作原理FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA 的基本特点主要有：1、用 FPGA 设计 ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2、FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片。3、FPGA 内部有丰富的触发器和 IO 引脚。4、FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5、FPGA
16、 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼容。可以说，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后，FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器，只须用通用的EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA 功
17、能时，只需换一片 EPROM 即可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。1.4VHDL 语言1.4.1 VHDL 语言的发展VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是 IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）标准的硬件描述语言，是现代电子系统设计的首选硬件设计计算机语言。本篇介绍 VHDL 的语法基础、用 VHDL 进行系统设计的基本方法、以及VHDL 的设计实例等。从
18、宏观的角度看，VHDL 的语法构成了程序的各组成部分；微观上看 VHDL 的语法是各种语句的运用细节。本章在 VHDL 的特性之后，从这两个角度简要介绍 VHDL 的语法基础。硬件描述语言 HDL（Hardware Description Language）诞生于 1962 年。HDL 是用形式化的方法描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。主要用于描述离散电子系统的结构和行为。与 SDL（Software Description Language）相似，经历了从机器码（晶体管和焊接）、汇编（网表）、到高级语言（HDL）的过程。20 世纪 80 年代美国国防部开发 Very High Speed
19、 Integrated CircuitVHSIC，用于描述集成电路的结构和功能。此后，硬件描述语言向标准化方向发展，1987 年成为 IEEE Standard 1076，称为 VHDL 语言。它也是美国国防部标准（MIL-STD-454L）。1993 年该标准增修为 IEEE1164 标准。1996 年，再次加入电路合成的标准程序和规格，成为 IEEE1076.3 标准。1995 年 VerilogHDL 也成为 IEEE 标准。VHDL 与 VerilogHDL 一起成为业界主选的硬件描述语言。1.4.2VHDL 的特点（一）功能强大VHDL 具有功能强大的语言结构。它可以用明确的代码描述
20、复杂的控制逻辑设计。并且具有多层次的设计描述功能，支持设计库和可重复使用的元件生成。VHDL 是一种设计、仿真和综合的标准硬件描述语言。（二）可移植性VHDL 语言是一个标准语言，其设计描述可以为不同的 EDA 工具支持。它可以从一个仿真工具移植到另一个仿真工具，从一个综合工具移植到另一个综合工具，从一个工作平台移植到另一个工作平台。此外，通过更换库再重新综合很容易移植为 ASIC 设计。（三）独立性VHDL 的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关。设计者可以不懂硬件的结构，也不必管最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。程序设计的硬件目标器件有广阔的选择范围，可以是各系列的 CPL
21、D、FPGA 及各种门阵列器件。（四）可操作性由于 VHDL 具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于已完成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变端口类属参量或函数，就能轻易地改变设计的规模和结构。（五）灵活性VHDL 最初是作为一种仿真标准格式出现的，有着丰富的仿真语句和库函数。使其在任何大系统的设计中，随时可对设计进行仿真模拟。所以，即使在远离门级的高层次（即使设计尚未完成时），设计者就能够对整个工程设计的结构和功能的可行性进行查验，并做出决策。第 2 章 电梯控制器设计方案分析2.1 电梯动力结构设计图 1 电梯动力结构设计上图的变速箱是由一些齿轮构成的减速系统，由于电机的转速都比较高，不能直接拖动电梯箱，所以需要减速箱，另外通过减速箱后，电机的拖动力大大增加了。这种方案可以节约很多能源，当电梯厢处于低楼层时，配重处于高楼层，这时配重具有重力势能。若有乘客需要从低楼层上到高楼层，则控制系统则控制电机使电梯厢下上运动，配重向下运动，配重的重力势能转化为电梯厢的重力势能。当配重质量电梯厢质量，控制系统只需要施加少量的反向力矩，使电梯厢匀速。当电梯厢处于高楼层，配重处于低楼层时与上述情况相反。这种机构巧妙地应用电梯厢（包括乘客）的重力势能和配重的重力势能的相互转换，达到节约能源的目的。2.2 方向优先控制方案当电梯处于上升模式时，只响应比电梯高的楼层的上楼的请求。当电梯
