基于VHDL的三层电梯控制器的设计

I摘要电梯作为垂直方向的交通工具，在高层建筑和公共场所已成为不可或缺的设备。中国是全球最大的电梯市场，也具有最强的电梯生产能力，但由于缺乏自主知识产权和核心技术，自主品牌占市场的份额很少。随着社会需求的变化，电梯朝着节能、环保及智能化方向发展。EDA技术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、设计效率与产品性能合二为一，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。VHDL主要用于描述数字系统的接口，结构和功能，它的语法简单易懂，移植性好。本设计采用VHDL，源程序经A1tera公司的MAX+plusII软件仿真。运用有限状态机的设计方法，设计了两个进程相互配合，状态机进程作为主要进程，信号灯控制进程作为辅助进程。在主进程中定义了十个状态，分别是“stopon1”“dooropen”“doorclose”“doorwait1”“doorwait2”“doorwait3”“doorwait4”“up”“down”和“stop”，在电梯时钟的触发下，通过当前状态和信号灯信号来判定下一状态。信号灯控制进程中，信号灯信号存储按键请求情况，它的熄灭是由状态机进程中传出的信号来控制。【关键词】电梯控制器VHDL状态机CPLDIIAbstractElevatorhasbecomeanindispensabledeviceasaverticaltransportinhigh-risebuildingsandpublicplaces.Chinaistheworld'slargestelevatormarket,andalsohasthehighestliftcapacity.Butthelackofindependentintellectualpropertyrightsandcoretechnologies,themarketshareofownbrandsaccountforverylittle.Withthechangingofthecommunity’sneeds,elevatordeveloptowardsenergysaving,environmentalprotectionandintelligent.EDAbreaksthebarriersbetweenhardwareandsoftware.Notonlythecomputersoftwaretechnologyandhardwarebutalsothedesignefficiencyandproductperformancearecombined.EDArepresentstheelectronicdesigntechnologyandapplicationtechnology’sdevelopment.VHDLdigitalsystemismainlyusedtodescribetheinterface,structureandfunction.Itssyntaxiseasyandtransplantable.ThisdesignwhichusesVHDLsimulatedbyA1tera'sMAX+plusIIsoftware.Iuseamethodnamedfinitestatemachinewhichtwoprocessescomplementeachother.Thestatemachineprocessactasthemainprocess,andthesignalcontrolprocessactasanassistant.Tenstateswasdefinedinthemainprocess,namelystopon1dooropendoorclosedoorwait1doorwait2doorwait3doorwait4updownandstop.Triggeredbythelift’sclock,thenextstateisdeterminedbythecurrentstateandthelightsignal.Insignalcontrolprocess,registerskeepinputvalue,andlampsblackoutwhenthecontrolsignalinthemainprocessishighvalue.【KeyWords】ElevatorControllerVHDLStateMachineCPLDIII目录前言…………………………………………………………………………………1第一章概述…………………………………………………………………………2第一节中国电梯的现状及发展趋势……………………………………………2一、中国电梯市场的现状………………………………………………………2二、电梯的发展方向……………………………………………………………3第二节EDA技术及VHDL简述……………………………………………………5一、EDA技术及其发展…………………………………………………………5二、硬件描述语言VHDL…………………………………………………………7第三节本章小结…………………………………………………………………9第二章三层电梯控制器的基本设计原理………………………………………10第一节电梯控制器的功能模块………………………………………………10第二节电梯控制器的流程图…………………………………………………11第三节有限状态机……………………………………………………………12一、建立状态机的基本原理和基本方法……………………………………12二、状态机的优越性…………………………………………………………14三、一般状态机的VHDL设计…………………………………………………14第四节本章小结………………………………………………………………16第三章三层电梯控制器的具体设计……………………………………………17第一节三层电梯控制器实现的功能及运行规则……………………………17第二节三层电梯控制器的综合设计…………………………………………18一、三层电梯控制器的设计思路……………………………………………18二、实体设计…………………………………………………………………18三、结构体设计………………………………………………………………19四、VHDL源代码语法的简单说明……………………………………………19五、VHDL源代码………………………………………………………………20第三节本章小结………………………………………………………………29第四章三层电梯控制器的调试及仿真…………………………………………30IV第一节程序的调试……………………………………………………………30第二节仿真波形………………………………………………………………30第三节本设计的扩展性………………………………………………………34第四节本章小结………………………………………………………………35结论……………………………………………………………………………36致谢……………………………………………………………………………37参考文献……………………………………………………………………………38附录……………………………………………………………………………39一、英语原文……………………………………………………………………39二、英文翻译……………………………………………………………………471前言随着EDA技术的发展和应用领域的扩大和深入，EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机领域的重要性日益突出。随着技术市场与人才市场对EDA的需求不断提高，产品的市场需求和技术市场的要求也必然会反映到教学和科研领域中来。用VHDL硬件描述语言的形式来进行数字系统的设计方便灵活，利用EDA软件进行编译优化仿真极大地减少了电路设计时间和可能发生的错误，降低了开发成本，这种设计方法必将在未来的数字系统设计中发挥越来越重要的作用。CPLD作为新一代工业控制器，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。另外CPLD是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统。由于CPLD具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点，配合VHDL语言的突出的优点，因此在工业控制方面得到了广泛应用。相信以后必将受到世界范围内电子工程设汁人员的广泛关注和普遍欢迎。EDA是目前世界电子设计的最新技术方向和潮流,是一种全新的实验手段,能有效地提高现代化电子设计能力。为了跟上时代的步伐，提高自己的电子设计能力，我选择了做本课题来学习EDA技术的基本内容。2第一章概述第一节中国电梯的现状及发展趋势一、中国电梯市场的现状近年来，随着中国房地产业的快速发展，与之配套的电梯生产制造业也经历了迅猛发展的阶段，电梯产量保持了每年20％以上的增长速度。我国电梯的出口年均增长率将保持在35%以上，电梯行业逐步成为国内比较重要的行业。随着我国经济持续增长、城镇化建设的加速和房地产行业的进一步发展，对电梯的需求越来越大。估计未来50年中国新增住房面积将达到200亿平方米。国家规定20米以上高楼就应安装电梯，因此未来电梯最大的市场就是住宅市场。此外，机场、商场、地铁等大型公共设施建设对自动扶梯、观光电梯等电梯的需求量也十分可观。目前，中国不但是全球最大的电梯市场，而且形成了全球最强的电梯生产能力，但由于缺乏自主的知识产权和核心技术，产品的附加价值不高，利润非常低。目前，全国注册电梯企业约400家，但美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、日本三菱、日立、富士达、东芝等13家大型外企占据中国电梯市场75%左右的份额，而自主品牌只占25%左右的市场份额。电梯作为终端消费品，品牌在市场竞争中的作用非常明显。品牌往往成为人们在选择电梯产品时的重要考虑因素，电梯生产要想建立良好的品牌并获得市场的认可，也必须经过市场一定时间的不断考验。面对外资巨头的贴身进逼，我国电梯品牌在服务和营销上难以匹敌，其生存状况不容乐观。二、电梯的发展方向电梯作为垂直方向的交通工具，在高层建筑和公共场所已经成为重要的建筑设备而不可或缺。电梯产业的前景和走势随着社会的需求而悄然发生着改变，除了考虑安全、舒适、豪华装修等要求外，市场对新一代的绿色电梯、节能电梯和智能电梯的需求越来越旺盛。国内外电梯企业顺应市场需要，加大研发投入，都3准备在未来新概念电梯产业发展中占得先机。1、电梯的节能和环保“绿色”已成为21世纪的主流色调，一个全球性的绿色市场为企业的发展提供了广阔的空间，当今社会谁先推出绿色产品，抢占绿色营销市场，谁就能掌握竞争的主动权。有关人士预言，绿色环保电梯将成为今后电梯市场的主导性产品，谁拥有了它的核心技术，谁就在竞争中获得了优势。老式电梯噪音、占用空间、耗能等形成的危害积累起来是相当大的，因此，在城市环保社区建设中，如何尽量减少电梯对环境的危害是相当重要的课题之一。目前，我国市场每年销售各种类型的电梯达4.5万部，如果这些电梯全部实现环保化，其环境效益是难以估量的。电梯现在越来越多，在对宾馆、写字楼等的用电情况调查统计中，电梯用电量占总用电量的17%-25%以上，仅次于空调用电量，高于照明、供水等的用电量。负责任的开发商，都会为业主的长远利益着想，购买节能型的电梯。近年来，节能型电梯的市场越来越好，电梯制造商也越来越注重电梯的“节能”性能。在上世纪90年代，在电梯驱动上开始应用变频调压调速系统，能耗大幅度地降低。近几年，又出现了永磁同步电机驱动的电梯，能耗又有大幅度的下降，有的电梯还能利用太阳能对机房的电能进行补充。2、电梯的智能化随着城市化的高速发展，越来越多的摩天大楼拔地而起。就摩天大楼的高度而言，不仅受建筑技术上的制约，而且还有电梯升高方面的困惑，因而，在摩天大楼日益完备智能化的趋势中，电梯的智能化也不容忽视。它不仅是人们上上下下的代步工具，同时，也是摩天大楼智能化的一个重要标志。尽管电梯在摩天大楼中只是—个细节，但电梯智能