1、本科生毕业论文（设计）基于 EDA 技术的电梯控制器设计院 系： 信息工程学院 专 业： 电子信息工程 黄山学院本科生毕业论文1目 录中文摘要 .2外文摘要 .3引 言 .41. 绪 论 .51.1 EDA 技术 .51.1.1 EDA 的介绍与发展 .51.1.2 EDA 的设计流程及优点 .51.1.3 VHDL 介绍 .51.2 国内外研究现状及发展趋势 .61.2.1 电梯智能化及其实现 .61.2.2 接口层的实现 .72. 四层电梯控制器的系统设计 .82.1 四层电梯控制器的功能及设计要求 .82.2 四层电梯控制器的设计思路 .92.2.1 电梯控制器流程 .92.3 电梯控制
2、器的功能 .122.4 电梯系统的设计 .123.四层电梯控制器的调试及仿真 .133.1 MAX+PLUS的流程介 绍 . 133.2 各模块的 VHDL 语言 .133.2.1 主控制器模块 .133.2.2 数据选择器模块设计 .163.2.3 译码器模块 .173.2.4 分频器模块 .184. 四层电梯控制器的波形仿真 .19结束语 .23参考文献 .24致谢 .25黄山学院本科生毕业论文2基于 EDA 技术的电梯控制器设计*指导老师：*（*）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。对于电梯的控制，传统的使用继电器-接触器系统进行控制已不能满足人们的要求。随
3、着 EDA 技术的发展 FPGA已经广泛运用于电子设计控制的各个方面。本设计是基于 VHDL 语言开发的四层电梯控制器。以 Max+Plus为开发环境。其功能包括：显示电梯当前所在楼层、显示有请求发生的楼层、相应楼层请求、关门延时控制、电梯开关门显示。关键字：电梯控制器；EDA； VHDL 状态机黄山学院本科生毕业论文3The Elevator Controller Based on VHDL*Director：* （Information Engineering College, *）Abstract：The lift, as the modernized result, is entere
4、d our life in last century. For the elevator control, the traditional approach is to use relay-contactor control system to control. With the development of EDA technology, FPGA has been widely use in all aspects of electronic design control. The graduation project is best on the VHDL language develo
5、pment of four elevator control. To Max+Plus development. Its features include: show floor where the lift current, show that the request happened floors, floor to respond to the request, closing delay setting, elevate door open display.Key Words: Elevator controller；EDA；VHDL condition machine 黄山学院本科生
6、毕业论文4引 言在现代化城市的高速发展中,一幢幢高楼拔地而起。电梯是楼房里上下运送乘客或货物的垂直运输设备。我国电梯行业的发展历程，从改革开放到今天，电梯行业在不知不觉中走过了一个从无到有，从有到多，从多到精的发展历程。随着住宅市场的巨大变化，中国已经成为全球容量最大、增长最快的电梯市场。目前，我国电梯保有量已超过 100 万台，且保持每年 20%的递增速度，市场前景乐观。这些电梯服务于写字间、公寓、商场等各种场所。但是电梯行业业内都知道，电梯的核心部件是电梯控制。该部件的好坏不仅影响电梯的运行质量，还会影响电梯的安全性和可靠性能。上世纪 80 年代，国内电梯行业基本应用传统的继电器控制方式，
7、电梯故障率很高。改革开放以来，国外的电梯公司纷纷登陆中国市场，在国内建立了一批有规模的合资企业，他们带来的技术比较先进。但这些外国公司对电梯控制系统的技术控制非常严格，国内的中小型企业根本没有能力与他们竞争。总的来说，我国电梯市场潜力很大，但是国产电梯市场占有率不容乐观，中国电梯企业有待发展。在现代化城市的高速发展中,一幢幢高楼拔地而起。电梯是楼房里上下运送乘客或货物的垂直运输设备。我国电梯行业的发展历程，从改革开放到今天，电梯行业在不知不觉中走过了一个从无到有，从有到多，从多到精的发展历程。随着住宅市场的巨大变化，中国已经成为全球容量最大、增长最快的电梯市场。目前，我国电梯保有量已超过 10
8、0 万台，且保持每年 20%的递增速度，市场前景乐观。这些电梯服务于写字间、公寓、商场等各种场所。自 1889 美国的奥的斯升降机公司推出了世界第一部以直流电动机为动力诞生名副其实的电梯，从而彻底改写了人类使用升降工具的历史。上世纪 90 年代，随的升降机着世界经济快速发展及经济全球化, 发达的工业化国家纷纷研制出高速及超高速电梯，电梯不仅是代步的工具,也是人类文明的标志,其技术的发展正体现了社会的进步与文明。随着电梯技术的发展,绿色化、低能耗、智能化、网络化、蓝牙技术的电梯成为一段时间内的发展趋势。黄山学院本科生毕业论文51. 绪 论1.1 EDA 技术1.1.1 EDA 的介绍与发展EDA
9、 是 Electronic Design Automation(电子设计自动化）的缩写，EDA 技术是20 世纪 90 年代初以来迅速发展起来的现代电子工程领域的一门新技术 1。它以可编程逻辑器件（PLD）为载体，以计算机为工作平台，以 EDA 工具软件为开发环境，以硬件描述语言（HDL）作为电子系统功能描述方式，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。当今以数字化和网络化为特征的信息技术革命大潮中，电子技术获得了飞速发展，现代电子产品渗透到了社会的各个领域。现代电子产品的性能进一步提高，功能越来越复杂，集成化智能化程度越来越高，更新换代的节奏越来越快，开发风险也越来越大，而且正向着
10、功能多样化，体积小型化，功耗最低化的趋势发展。所有这些，都给电子系统设计师们带来了前所未有的压力，面对这种压力，唯一的出路是熟练掌握 EDA 技术，并获得其的有力支持。EDA 技术的出现，极大的提高了电路设计的效率和可靠性，减轻了设计者的劳动强度，EDA 是电子产品开发研制的动力源和加速器，是现代电子设计的核心。随着基于 PLD 的EDA 技术的发展和应用领域的扩大和深入，它在电子信息，通信工程，自动控制及计算机应用领域的重要性日益突出。 1.1.2 EDA 的设计流程及优点EDA 的设计流程如下：（1）根据设计题目要求编写相应程序代码（2）对编写的 VHDL 程序代码进行编译和仿真（3）利用
11、实验箱完成硬件验证（4）总结设计内容，完成课程设计说明书EDA 技术与传统的电子设计相比，传统的电子设计方法是一种自底向上且费时费力的设计方法,而现代电子设计技术(EDA) 是自顶向下且先进高效的。在电子产品的设计理念、设计方式、系统硬件构成、设计的重用性、知识产权、设计周期等方面,EDA 技术具有一定的优势。1.1.3 VHDL 介绍VHDL 语言是一种用于电路设计的高级语言。它在 80 年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言 。VHDL 的英文全写是：VHSIC（Very High Speed Integrated 黄
12、山学院本科生毕业论文6Circuit）Hardw 语言。因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在 FPGA/CPLD/EPLD 的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计 ASIC。但是，由于它在一定程度上满足了当时的设计需求，于是他在 1987 年成为ANSI/IEEE 的标准（IEEE STD 1076-1987） 2。1993 年更进一步修订，变得更加完备，成为 ANSI/IEEE 的 Aare Descriptiong Language.翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述 NSI/IEEE STD 1076-1993 标准。目前，大多数的
13、CAD 厂商出品的 EDA软件都兼容了这种标准。在 Max+Plus软件平台上有很多种输入方式，特别介绍VHDL 是因为用 VHDL 语言进行数字逻辑电路和数字系统的设计，是电子电路设计方法上的一次革命性变革。与传统设计方法相比，VHDL 描述电路行为的算法有很多优点： (1) 设计层次较高、用于较复杂的计算时，能早发现存在的问题，缩短设计周期。(2) 独立实现，修改方便，系统硬件描述能力强。 (3) 可读性好，有利于交流，适合于文档保存。 (4) VHDL 语言标准、规范、移植性强。 (5) VHDL 类型多而且支持用户自定义类型，支持自顶而下的设计方法和多种电路的 设计。1.2 国内外研究
14、现状及发展趋势1.2.1 电梯智能化及其实现随着 EDA 技术的深入发展和 EDA 技术软硬件性能价格比的不断提高， EDA技术的应用将向广度和深度两个方面发展。根据利用 EDA 技术所开发的产品的最终主要硬件构成来分，作者认为，EDA 技术的应用发展将表现为如下几种形式：(1) CPLD/FPGA 系统：使用 EDA 技术开发 CPLD/FPGA，使自行开发的CPLD/FPGA 作为电子系统、控制系统、信息处理系统的主体。(2) “CPLD/FPGA+MCU”系统：使用 EDA 技术与单片机相接结合，使自行开发的 CPLD/FPGA+MCU 作为电子系统、控制系统、信息处理系统的主体。(3)
15、 “CPLD/FPGA+专用 DSP 处理器”系统：将 EDA 技术与 DSP 专用处理器配合使用，使自行开发的“CPLD/FPGA+专用 DSP 处理器 ”，构成一个数字信号处理系统的整体。(4) 基于 FPGA 实现的现代 DSP 系统：基于 SOPC (a System on a Programmable Chip)技术、EDA 技术与 FPGA 技术实现方式的现代 DSP 系统。(5) 基于 FPGA 实现的 SOC 片上系统：使用超大规模的 FPGA 实现的，内含 1个或数个嵌入式 CPU 或 DSP,能够实现复杂系统功能的单一芯片系统。黄山学院本科生毕业论文7基于 FPGA 实现的
16、嵌入式系统：使用 CPLD/FPGA 实现的，内含嵌入式处理器，能满足对象系统要求实现特定功能的，能够嵌入到宿主系统的专用计算机应用系统。电梯行业内都知道，电梯的核心部件是电梯控制，该部件的好坏不仅影响电梯的运行质量，还会影响电梯的安全性和可靠性能。对于电梯控制系统来说，智能化的发展将是电梯行业未来发展的必经之路。将人工智能应用到电梯控制领域是从上世纪 80 年代开始的，那时人工智能蓬勃发展，专家系统、神经网络、模糊控制等许多最新的人工智能成果都被应用到电梯群控的派梯算法上，但这些具有智能化派梯策略的电梯在中国的使用却很晚，使用量并不是很大。这是由多种原因造成的。智能化电梯群控系统可以大大提高
17、电梯群的派梯效率，减少乘客的候梯时间，降低电梯的能耗。 对电梯的原有机械电梯部分基本不作改动，包括提升部分、厅门控制部分等等，只是在原有电梯控制系统之上增加一层接口层，在接口层实现对电梯各种信号的采集和通过电梯的原有外部输入接口实现对电梯控制信号的输入，在接口层之上实现电梯群的智能化群控。1.2.2 接口层的实现电梯智能化改造的实现与原有电梯的接口部分很重要。与原有系统的接口包括两个部分，一是电梯的状态的实时采集，二是控制信号的回送。始终强调电梯的改造最重要的是不可以降低原有系统的安全性。如果原有电梯控制系统仍能满足需要，应尽量减少对原有电梯控制系统的改变，同时又要能够及时得到电梯的状态变化，
18、并实现对电梯的调度 3。接口层的实现采用分布式控制技术，在每台电梯的每一楼层的外招板上加装一块外招接口板，在内招板上加装一块内招接口板，在电梯控制柜中加装一块梯态接口板，这些接口板上都有一个独立的 CPU 控制着各自的信号采集、发送、接收、转发，它们通过一条公用总线与信号采集主机相连，信号采集主机负责电梯所有信号的收集和转发，负责将收集到的电梯信号送达上层的群控主机和实时监控主机，并转发群控主机和监控主机发出的控制信号。通过各楼层加装的外招接口板采集所有外招信号，电梯内加装的内招接口板采集电梯的内招信号，电梯的控制柜中加装的电梯状态接口板采集电梯的目前状态：如口前楼层、运行方向、电梯门状态、电
19、梯停止等信号，通过串行总线送往群控主机，群控主机根据采集到的信号作派梯选泽，将派梯信号回送到外招接口板，由外招接口板将信号发送给电梯的外招板，完成派梯。黄山学院本科生毕业论文82. 四层电梯控制器的系统设计电梯的微机化控制主要有以下几种形式：1 PLC 控制；2 单板机控制；3 单片机控制；4 单微机控制；5 多微机控制；6 人工智能控制；7 EDA 技术。随着 EDA技术的快速发展，CPLD/FPGA 已广泛应用于电子设计与控制的各个方面。但是本设计屏弃以前老式的采用 PLC 设计电梯控制器，而是使用 EDA 技术来实现对电梯的控制的。2.1 四层电梯控制器的功能及设计要求 电梯控制器是控制
20、电梯按照顾客要求自动上下的装置 4。四层电梯控制器的功能如下：(1) 每层电梯入口处设上下请求开关，电梯内设顾客到达层次的停站请求开关。(2) 设有电梯入口处位置指示装置及电梯运行模式(上升或下降)指示装置。(3) 电梯每秒上升 (下降)一层楼。(4) 电梯到达有停站请求的楼层，经过 1 秒电梯门打开，开门指示灯亮，开门 4 秒后，电梯门关闭(开门指示灯灭)，电梯继续进行，直至执行完最后一个请求信号停留在当前层。(5) 能记忆电梯内外所有请求，并按照电梯运行规则按顺序响应，每个请求信号保留至执行后消除。(6) 电梯运行规则当电梯处于上升模式时，只响应比电梯所在位置的上楼请求信号，由下而上逐个执
21、行，直到最后一个上楼请求执行完毕；如果高层有下楼请求，则直接升到由下楼请求的最高楼层，然后进入下降模式。当电梯处于下降模式则与上升模式相反。(7) 电梯初始状态为一层开门状态。采用状态机来实现电梯控制器，思路比较清晰，通过一个统一的 1 秒为周期的时钟来触发状态机。根据电梯的实际工作情况，可以把状态机设置 10 个状态，分别是“电梯停留在 1 层” 、 “开门” 、 “关门” 、 “开门等待第 1 秒” 、 “开门等待第二秒” 、“开门等待第三秒” 、 “开门等待第四秒” 、 “上升” 、 “下降”和“停止”状态。各个状态之间的转换条件可由上面的设计要求所决定。黄山学院本科生毕业论文92.2
22、四层电梯控制器的设计思路2.2.1 电梯控制器流程 图 2-1 总流程图当外部按键设备接受到上升、下降和停止请求时，由请求信号寄存器存储。数据选择器对按键请求进行选择，并将选择的结果发送到状态寄存器中。主控制器中的软件执行器响应按键请求并发送控制请求给外部硬件，要求其执行按键请求。主控制器对当前电梯状态判断，显示当前所在楼层并清平层信号。当外部键发出上升或下降请求时，响应外部请求并显示上升或下降。到达请求楼层后消该层信号之后主控制器判断有无同相选层信号如果有则消除同相选层信号，之后扫描电梯位置判断目的层是否到达进行上行控制后下行控制。其过程如下图 2-2 所示。外部按键设备状态寄存器请求信号寄存器内部软件执行器构外部硬件执行器构
