1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 毕 业 论 文电梯控制器的设计及实现The Design and Realization of the Elevator Controller学院名称： 电气信息工程学院 专业班级： 电子信息工程 0702 学生姓名： 黄 超 指导教师姓名： 陆 继 远 指导教师职称： 讲 师 2011 年 6 月江苏大学学士学位论文I电梯控制器的设计及实现专业班级：电子信息工程 0702 学生姓名： 黄 超指导教师： 陆 继 远 职 称： 讲 师摘要 在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，电梯
2、已经成为城市物质文明的一种标志。随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大，电梯生产已成为我国一门极具前景的新兴产业。针对我国电梯业现状，本设计以电子设计自动化（Electronic Design Automation）技术中的高速集成电路硬件描述语言（VHDL）编写六层电梯控制程序，实验调试平台是 Altera 公司的 QuartusII软件。本设计具有外部数据高速采集模块、信号存储模块、基于 FPGA 的中央处理模块、信号的输出及显示模块。通过程序调试及运行仿真，结果表明，本程序可以完成：电梯运行所在楼层指示、电梯运行方向指示、关门延时设置、看门狗报警、超载报警、故障报警等。本设计
3、对更高层的电梯控制设计具有一定的拓展性。关键词：电梯控制器 EDA VHDL QuartusII 江苏大学学士学位论文IIThe Design and Realization of the Elevator ControllerAbstract In the modern social and economic activities, computer technology, automatic control technology and power electronics technology has been rapid developed, the elevator has becom
4、e a sign of urban material. With the sustained and rapid development of economic construction, Chinas demand for elevators is increasing, lift production has become one of promising new industries in China . Against the status of Chinas elevator industry,this thesis designs the six-floor lift contro
5、l basis on the Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) in the electronic design automation(EDA),it is debuged in the Altera companys QuartusII software as a platform in experiment. The design has high-speed external data acquisition module, signal storage modules,FPGA
6、-based central processing module and signal output and display modules.Through testing the connection of the EDA case,it realizes the following main functions: the lifts floor shows,the lift operation direction shows,close prolonging,the dog alarm,overloads alarm,fault alarm,etc.The design can make
7、some evolution for designing to the senior level lift control.Key words: Elevator Controller EDA VHDL QuartusII江苏大学学士学位论文III目 录引 言 .1第一章 绪 论 .21.1 问题的提出 .21.2 单片机技术在电梯控制中的应用 .21.3 PLC 技术在电梯控制中的应用 .21.4 EDA 技术在电梯控制中的应用 .31.5 方案选择 .4第二章 设计基础 .62.1 EDA 技术介绍 .62.2 VHDL 语言介绍 .72.2.1 VHDL 结构与要素 .82.2.2 VH
8、DL 的特点 .92.2.3 VHDL 的设计步骤 .112.3 QUARTUSII 软件介绍 .11第三章 工作原理、程序设计及调试 .123.1 工作原理 .123.1.1 外部数据高速采集模块设计 .123.1.2 信号存储模块 .123.1.3 基于 FPGA 的中央处理模块 .123.1.4 信号的输出、显示模块 .123.2 程序设计 .133.2.1 电梯运行规则 .133.2.2 程序流程分析 .163.2.3 端口、寄存器说明 .173.2.4 模块设计说明 .183.2.5 具体语句设计说明 .193.3 程序调试 .22第四章 程序仿真 .254.1 建立波形输入 .25
9、4.2 电梯功能的实现与仿真 .264.2.1 仿真步骤 .264.2.2 电梯功能实现与仿真结果分析 .27江苏大学学士学位论文IV结 论 .31致 谢 .32参考文献 .33附 录 .34江苏大学学士学位论文1引 言EDA（ Electronic Design Automation）技术作为现代电子设计技术的核心，它依赖功能强大的计算机，在 EDA 工具软件平台上，对以硬件描述语言 HDL（Hardware Description language）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
10、定的电子线路系统功能。EDA 技术使得设计者的工作仅仅局限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和 EDA 软件来完成对硬件系统功能的实现。针对目前中小型电梯所能实现的功能，本控制器可控制电梯完成 6 层楼的载客服务，而且遵循方向优先原则，并能响应提前关门和延时关门，具有超载报警和故障报警功能，同时指示电梯运行情况和电梯内外请求信息。本设计具有外部数据高速采集模块、信号存储模块、基于 FPGA 的中央处理模块、信号的输出及显示模块。本设计的主要工作是利用 VHDL 语言编程实现六层电梯控制器各个模块的功能，并用 QuartusII 对本文进行设计，讨论六层电梯控制器设计的思路、示意图、结构图、流
11、程图及程序仿真图。将设计在 EDA 工具 QuartusII 下进行时序仿真，得到仿真结果，验证六层电梯控制器设计的正确性。针对我国楼层层数的基本水平，本着“一理通，百理明” 的原则，本设计希望通过设计简单的六层电梯控制器，为广大电梯设计者提供一个设计基础。江苏大学学士学位论文2第一章 绪 论1.1 问题的提出人口压力和土地资源短缺的矛盾日趋激化，我国地少人多的国情注定了我们必须有效解决人与土地的矛盾。兴建高层建筑是有效措施之一，随之高楼大厦的耸立，电梯业便应运而生。随着我国城镇化程度的加大，电梯市场的发展越来越迅速，人们对电梯的要求越来越高。如何更快捷、更安全地到达目的楼层，成为了人们对电梯
12、的最根本的要求。因此，本设计就六层电梯控制器设计为例，结合 EDA 技术对电梯控制进行设计。1.2 单片机技术在电梯控制中的应用单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、 只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制 电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机体积小，价格低廉，处理速度快，可靠性好，易扩展，控制功能强，易开发，是合适的控制系统。对电梯的控制主要是选层、启层、换速、平层、停车等几个环节，其中以选
13、层环节最为复杂。与通常的电器控制相比，单片机系统不需要通过“选层器” 并且配备以大量的中间继电器作为选层电路的控制设备，避免了设备多，检修困难，运行维护不便，造价成本高。应用微机控制可以取消选层器和大量中间继电器。而且应用单片机控制又相当于应用其他微机减少了外围设备的接口芯片，增强了可靠性。1.3 PLC 技术在电梯控制中的应用PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。它应用大规模集成电路，微型机技术和通讯技术的发展成果，逐步形成了具有多种优点和微型，中型，大型，超大型等各种规格的系列产品，应用于从继电
14、器控制系统到监控计算机之间的许多控制领域。随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。由当初的继电器逻辑控制电路到今天广为应用的可编程逻辑控制器及微机控制系统，电梯控制的发展经历了相当一段历程。为了实现电梯的控制，过去大多是采用继电器逻辑电路，江苏大学学士学位论文3这种逻辑控制方式具有原理简单、直观的特点，但通用性较差，对不同的楼层和不同的控制方式，其原理图、接线图等必须重新制作，且控制系统由许多继电器触点组成，接线复杂、故障率高。因此，它逐渐被可靠性高、通用性强的可编程序控制器及微机控制系统所代替。由 PLC 或微机实现继电器的逻辑控制功能，具有较大的灵活性，不同的控制
15、方式可用相同的硬件，只是软件各不相同。只要把按钮、限位开关、光电开关、无触点行程开关等电器元件作为输入信号，而把制动器、接触器等功率输出元件接到输出端，就算完成了接线任务。通常，电梯功能、层数变化时，无需增减继电器和大量的电路。PLC 是一种用于自动控制的专用微机，实质上属于微机控制方式。PLC 在设计和制造上采取了许多抗干扰措施，输入输出均有光电隔离。能在较恶劣的各种环境里工作、可靠性高，适合于安全性要求较高的电梯控制。PLC 将 CPU、存储器、I/O 接口等做成一体，使用方便，扩展容易。具有继电器系统的直观、易懂、易学，应用操作和调试方便等优势。因此，目前在国产电梯及中低档的客梯广泛应用
16、了 PLC 控制系统，特别适用在用电梯的技术改造。电梯既是一种特殊的起重运输设备，具有完善的机械专用结构，又是一种比较复杂的机电一体化的大型工业产品，具有复杂的电气控制系统。就电梯的控制方法而言，目前国产电梯广泛采用可编程控制器技术的智能化控制。由于这种控制属于随机控制，各种输入信号之间、输出信号之间以及输入信号和输出信号之间互相关联，逻辑关系处理起来非常复杂，这就给 PLC 编程带来很大难度。从这种意义上来说，PLC 编程水平的高低就决定电梯运行状态的好坏，因此 PLC 应用在电梯控制中的编程技术就成为控制电梯运行的关键技术。PLC 充分利用了微型计算机的原理和技术，具有很强的逻辑处理能力，
17、在电梯运行控制中发挥了重要作用。由于电梯在运行过程中各种输入信号是随机出现的，即信号的出现具有不确定性，同时信号需要自锁保持、互锁保存、优先级排队、数据比较等，因此信号之间就存在复杂的逻辑关系。所以在电梯的运行控制中，PLC 的编程工作主要是针对各种信号进行逻辑判断和处理。1.4 EDA 技术在电梯控制中的应用在现代高新电子产品的设计和生产中，微电子技术和现代电子设计技术是相互促进、相互推进又相互制约的两个技术环节。前者代表了物理层在广度和深度上硬件电路实现江苏大学学士学位论文4的发展，后者则反映了现代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设计技术与最新的计算机软件技术有机的融合和升华
18、。因此，严格的说，EDA 技术应该是这两者的结合，是这两种技术领域共同孕育的奇葩。EDA 技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术、IC 版图设计技术、ASIC测试和封装技术、FPGA（ Field Programmable Gate Array）/CPLD(Complex Programmable Logic Device)编程下载技术、自动测试技术等；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计（CAD） 、计算机辅助制造（CAM） 、计算机辅助测试（CAT） 、计算机辅助工程（CAE）技术以及多种计算机语言的设计概念；而在现代电子学方面则容纳了跟多的内容，如电子线路设计理论、数字信号处
19、理技术、数字系统建模和优化技术及基于微波技术的长线技术理论等。因此 EDA 技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。EDA 技术已不是某一学科的分支，或某种新的技能技术，它应该是一门综合性学科，它融合多学科于一体，又渗透于各个学科之中。它打破了软件和硬件间的壁垒，使计算机的软件技术与硬件实现、设计效率和产品性能合二为一，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。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，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力。EDA 使得设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和 EDA 软件
20、来完成对系统硬件功能的实现。正因 EDA 在设计控制系统中的这些特点，在电梯控制电路上采用 EDA 技术进行开发，越来越受到人们的重视。1.5 方案选择对于符合市场需求的大规模系统，要达到高效、高速完成，必须有多人甚至多个开发组共同并行工作才能实现。对于用 EDA 技术完成的一个确定的设计，可以利用相应的工具平台进来逻辑综合和优化，完成设计任务。基于 EDA 技术的 VHDL 语言对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。这为电子设计的入门者提供了便捷的帮助。相信在不远的将来，我国相关的专业技术人员使用 EDA 技术进行工程设计，就像现在使用计算器一样，虽然大部分人不能开办集成电路制造厂，但是却能快速、经济地制造（设计）自己的专用集成电路或集成电子系统。综上比较，本设计采用 EDA 技术实现对电梯的控制。电梯控制器硬件系统示意图如江苏大学学士学位论文5图 1-1 所示。LED 显示主控制器分控制器 数码管显示信号输入图 1-1 电梯控制器硬件系统示意图
