基于FPGA的三层电梯设计

《数字电子技术》课程设计题目：基于FPGA的三层电梯设计学院：工学院专业班级：通信工程11秋2班学生姓名：学号：11032202小组成员：指导教师：完成日期2013年12月目录1课题背景.....................................................11.1课题的作用和意义.......................................11.2国内外的现状和发展趋势等情况...........................12QuartusII软件、FPGA硬件介绍................................22.1QuartusII软件介绍......................................22.1.1QuartusII对器件的支持..........................22.2FPGA硬件介绍...........................................32.2.1FPGA基本简介.....................................32.2.2FPGA的优点.......................................33设计思路及运行流程...........................................43.1电梯主要功能...........................................43.2电梯运行设计思路........................................43.3电梯的运行流程.........................................43.4模块介绍...............................................53.4.1电梯控制模块介绍..................................53.4.2译码器模块介绍....................................63.4.3总模块介绍........................................74各模块功能仿真图.............................................84.1电梯控制模块功能仿真...................................84.2译码模块功能仿真.......................................95实物展示....................................................106心得体会....................................................127谢辞.......................................................13参考文献......................................................14附录一........................................................15附录二........................................................23《数字电子技术》课程设计11课题背景1.1课题的作用和意义电梯作为高层大厦的主要垂直交通工具，电梯系统服务质量和效率的提高对建筑的有效利用和性能发挥将产生极为重要的影响。信息化时代的到来，推动了电梯的发展，电梯控制器已成为当今世界性开发的热点，也是各国综合实力的表现。电梯系统作为建筑楼宇自动化的重要组成部分，也要求向满足大厦中大量人流、物流的垂直输送需要，电梯制造商利用先进的技术，开发出各种高性能的电梯系统以满足乘客生理和心理要求，实现高效的垂直输送。1.2国内外的现状和发展趋势等情况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、FPGA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控制系统的技术改造。《数字电子技术》课程设计22QuartusII软件、FPGA硬件介绍2.1QuartusII软件介绍QuartusII是Altera公司继Max+plusII之后开发的一种针对其公司生产的系列CPLD/PGFA器件的综合性开发软件，它的版本不断升级，从4.0版到10.0版，这里介绍的是QuartusII8.0版。QuartusII软件的设计流程为：设计输入、综合和编译、适配器、仿真、下载。Max+plusII作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目前Altera已经停止了对Max+plusII的更新支持。QuartusII支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。2.1.1QuartusII对器件的支持QuartusII支持Altera公司的MAX3000A系列、MAX7000系列、MAX9000系列、ACEX1K系列、APEX20K系列、APEXII系列、FLEX6000系列、FLEX10K系列，支持MAX7000/MAX3000等乘积项器件。支持MAXIICPLD系列、Cyclone系列、CycloneII、StratixII系列、StratixGX系列等。支持IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。此外，QuartusII通过和DSPBuilder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。软件具有开放性、与结构无关、多平台、完全集成化、丰富的设计库、模块化工具等特点，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。《数字电子技术》课程设计32.2FPGA硬件介绍2.2.1FPGA基本简介FPGA（Field－ProgrammableGateArray），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。它是专用集成电路中一种半定制电路。具克服了传统可编程器件数有限的缺点，又具有可编程的特点。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。2.2.2FPGA的优点目前的FPGA已远超出先前产品的基本功能，并且整合了许多常用功能(如RAM、时钟管理和DSP)，在新型的的系统级可编程逻辑器件中还可以以IP核的形式来进行功能设计，或许只需要一块FPGA芯片就可以实现所有功能，成为片上系统。FPGA运行速度快，内部集成锁项环,可以把外部时钟倍频,核心频率可以到几百M,克服了单片机在高速场合中运行速度低的缺点。《数字电子技术》课程设计43设计思路及运行流程3.1电梯主要功能（1）每层电梯处设有上下请求开关，电梯内设有乘客到达层次的停站请求开关。（2）设有电梯所处位置指示装置及电梯运行情况指示。（3）电梯的初始状态为第一楼层。3.2电梯运行设计思路实现此系统分为三个模块，分别为总控制模块、电梯位置显示的译码模块，及电梯运行状态显示的译码模块。我们通过开发板中的开关模拟电梯外部和内部的楼层上升及下降请求，由数码管显示电梯的位置状态及所在楼层层数。通过LED灯的亮与灭表示电梯的开门状态。例：从1楼上至2楼，即需要将开发板中代表1楼上升请求及3楼停止请求的开关拨上，则数码管显示01→02。3.3电梯的运行流程电梯的请求信号划分为上升信号和下降信号。电梯收到请求信号后，都必需做预操作。使电梯进入预上升状态的请求信号就是上升，得到上升和下降及所到楼层的请求后作出相应的动作实现。以下为电梯在各楼层时的状态：当电梯在一楼时，不管电梯内部还是外部，电梯只能收到上升请求信号，此时电梯进入预上升状态，准备上升，如果没有收到上升请求，则电梯待在一楼。当电梯在二楼时，如电梯外部内部均没有收到任何请求，电梯将返回一楼待机；如电梯接收到上升请求信号，则进入预上升状态；如电梯接收到下降请求信号，电梯进入预下降状态。当电梯在三楼时，电梯只能接收到下降请求信号，此时电梯进入预下降状态，准备下降。流程图如（图3.1）所示《数字电子技术》课程设计5图3.1电梯运行流程图3.4模块介绍3.4.1电梯控制模块介绍控制模块代码见（附录一），原理图如（图3.2）具体引脚分配见（附录二）图3.2电梯顶层模块《数字电子技术》课程设计6开关输入引脚：“REST”是复位开关，实现电梯无请求时手动复位至1楼的功能；“LIFTCLK”是时钟脉冲；“F1UPBUTTON”是1楼上升的请求开关，实现产生1楼有上升请求；“F2UPBUTTON”是2楼上升的请求开关，实现产生2楼有上升请求；“F2DNBUTTON”是2楼下降的请求开关，实现产生2楼有下降请求；“F3DNBUTTON”是3楼下降的请求开关，实现产生3楼有下降请求；“STOP1~3BUTTON”是1~3楼停止的请求开关，实现产生到1~3楼时停止的请求；数码管输出引脚：“jm[6..0]”是电梯所在位置显示引脚；“led[6..0]”是电梯上升下降状态显示。LED灯输出引脚：“DOORLIGHT”时开门灯显示引脚。3.4.2译码器模块介绍（1）楼层上升及下降状态译码器模块，楼层上升及下降状态显示如（图3.3）：图3.3上升及下降状态显示译码模块“SEG”表示输入一个1位二进制数0或1；“Q3[6..0]”引脚分别输出7位二进制：0000001和1001111即显示为0和1。（2）楼层楼层位置显示译码器模块原理图如（图3.4）：《数字电子技术》课程设计7图3.4楼层楼层位置显示译码器模块SEG[2..1]表示输入一个2位二进制数01、10、11；“Q3[6..0]”引脚分别输出7位二进制：1001111显示为1，0010010显示为2，0000110显示为3。3.4.3总模块介绍图3.5电梯主控系统和译码器模块连接图控制模块的下降信号输出作为运行状态译码模块的输入，控制模块的位置输出作为电梯位置显示译码模块的输入。《数字电子技术》课程设计84各模块功能仿真图4.1电梯控制模块功能仿真图4.1电梯控制模块功能仿真上图表示：电梯从1楼上至3楼再下至2楼的情况波形说明：步骤1：给予2楼上升请求一个脉冲步骤2：给予3楼停一个脉冲步骤3：给予2楼上升请求一个脉冲步骤4：下降输出信号UDSIG在电梯响应下降至2楼时为1表示下降其余为0上升；开门灯DOORLIGHT在1楼和到3楼及2楼时为1表示亮；