1、精選優質文檔-傾情為你奉上數字電子技術課程設計題目：基于FPGA的三層電梯設計 學 院： 工學院 專業班級： 通信工程11秋2班 學生姓名： 學 號： 小組成員： 指導教師： 完成日期 2013年 12月專心-專注-專業目錄1 課題背景1.1 課題的作用和意義電梯作為高層大廈的主要垂直交通工具，電梯系統服務質量和效率的提高對建筑的有效利用和性能發揮將產生極為重要的影響。信息化時代的到來，推動了電梯的發展，電梯控制器已成為當今世界性開發的熱點，也是各國綜合實力的表現。電梯系統作為建筑樓宇自動化的重要組成部分，也要求向滿足大廈中大量人流、物流的垂直輸送需要，電梯制造商利用先進的技術，開發出各種高性

2、能的電梯系統以滿足乘客生理和心理要求，實現高效的垂直輸送。1.2 國內外的現狀和發展趨勢等情況隨著科學技術的發展，近年來我國的電梯生產技術得到了迅速發展一些電梯廠也在不斷改進設計、修改工藝。更新換代生產更新型的電梯，電梯主要分為機械系統與控制系統兩大部份，隨著自動控制理論與微電子技術的發展，電梯的拖動方式與控制手段均發生了很大的變化，交流調速是當前電梯拖動的主要發展方向。目前電梯控制系統主要有三種控制方式：繼電路控制系統、FPGA控制系統、微機控制系統。繼電器控制系統由于故障率高、可靠性差、控制方式不靈活以及消耗功率大等缺點，目前已逐漸被淘汰。微機控制系統雖在智能控制方面有較強的功能，但也存在

3、抗擾性差，系統設計復雜，一般維修人員難以掌握其維修技術等缺陷。而FPGA/CPLD控制系統由于運行可靠性高，使用維修方便，抗干擾性強，設計和調試周期較短等優點，倍受人們重視等優點，已成為目前在電梯控制系統中使用最多的控制方式，目前也廣泛用于傳統繼電器控制系統的技術改造。2 Quartus II軟件、FPGA硬件介紹2.1 QuartusII軟件介紹QuartusII是Altera公司繼Max+plusII之后開發的一種針對其公司生產的系列CPLD/PGFA器件的綜合性開發軟件，它的版本不斷升級，從4.0版到10.0版，這里介紹的是QuartusII8.0版。Quartus II軟件的設計流程為

4、：設計輸入、綜合和編譯、適配器、仿真、下載。Max+plusII作為Altera的上一代PLD設計軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應用。目前Altera已經停止了對Max+plusII的更新支持。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設計的復雜性、加快了設計速度。2.1.1 QuartusII對器件的支持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、FLEX10

5、K系列，支持MAX7000/MAX3000等乘積項器件。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宏功能模塊庫，用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設計的復雜性、加快了設計速度。此外，QuartusII通過和DSPBuilder工具與Matlab/Simulink相結合，可以方便地實現各種DSP應用系統；支持Altera的片上可編程系統（SOPC）開發，集系統級設計、嵌入式軟件開發、可編程邏輯設計于一體，是一種綜合性的開發平臺。軟件具有開放性、與結構無關、多平臺、完全集成

6、化、豐富的設計庫、模塊化工具等特點，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多種設計輸入形式，內嵌自有的綜合器以及仿真器，可完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計流程。2.2 FPGA硬件介紹2.2.1 FPGA基本簡介FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是專用集成電路中一種半定制電路。具克服了傳統可編程器件數有限的缺點，又具有可編程的特點。FPGA是由存放在片內RAM中的程序來設置其

7、工作狀態的，因此，工作時需要對片內的RAM進行。用戶可以根據不同的配置模式，采用不同的編程方式。2.2.2 FPGA的優點 目前的FPGA已遠超出先前產品的基本功能，并且整合了許多常用功能( 如RAM、時鐘管理和DSP)，在新型的的系統級可編程邏輯器件中還可以以IP核的形式來進行功能設計，或許只需要一塊FPGA芯片就可以實現所有功能，成為片上系統。FPGA運行速度快， 內部集成鎖項環,可以把外部時鐘倍頻,核心頻率可以到幾百M,克服了單片機在高速場合中運行速度低的缺點。 3 設計思路及運行流程3.1 電梯主要功能（1）每層電梯處設有上下請求開關，電梯內設有乘客到達層次的停站請求開關。 （2）設有

8、電梯所處位置指示裝置及電梯運行情況指示。（3）電梯的初始狀態為第一樓層。3.2電梯運行設計思路實現此系統分為三個模塊，分別為總控制模塊、電梯位置顯示的譯碼模塊，及電梯運行狀態顯示的譯碼模塊。我們通過開發板中的開關模擬電梯外部和內部的樓層上升及下降請求，由數碼管顯示電梯的位置狀態及所在樓層層數。通過LED燈的亮與滅表示電梯的開門狀態。例：從1樓上至2樓，即需要將開發板中代表1樓上升請求及3樓停止請求的開關撥上，則數碼管顯示0102。3.3 電梯的運行流程電梯的請求信號劃分為上升信號和下降信號。電梯收到請求信號后，都必需做預操作。使電梯進入預上升狀態的請求信號就是上升，得到上升和下降及所到樓層的請

9、求后作出相應的動作實現。以下為電梯在各樓層時的狀態：當電梯在一樓時，不管電梯內部還是外部，電梯只能收到上升請求信號，此時電梯進入預上升狀態，準備上升，如果沒有收到上升請求，則電梯待在一樓。當電梯在二樓時，如電梯外部內部均沒有收到任何請求，電梯將返回一樓待機；如電梯接收到上升請求信號，則進入預上升狀態；如電梯接收到下降請求信號，電梯進入預下降狀態。當電梯在三樓時，電梯只能接收到下降請求信號，此時電梯進入預下降狀態，準備下降。流程圖如（圖3.1）所示圖3.1電梯運行流程圖3.4 模塊介紹3.4.1 電梯控制模塊介紹控制模塊代碼見（附錄一），原理圖如（圖3.2）具體引腳分配見（附錄二）圖3.2 電梯

10、頂層模塊開關輸入引腳：“REST”是復位開關，實現電梯無請求時手動復位至1樓的功能；“LIFTCLK”是時鐘脈沖；“F1UPBUTTON”是1樓上升的請求開關，實現產生1樓有上升請求；“F2UPBUTTON”是2樓上升的請求開關，實現產生2樓有上升請求；“F2DNBUTTON”是2樓下降的請求開關，實現產生2樓有下降請求；“F3DNBUTTON”是3樓下降的請求開關，實現產生3樓有下降請求；“STOP13BUTTON”是13樓停止的請求開關，實現產生到13樓時停止的請求；數碼管輸出引腳：“jm6.0”是電梯所在位置顯示引腳；“led6.0”是電梯上升下降狀態顯示。LED燈輸出引腳：“DOORL

11、IGHT”時開門燈顯示引腳。3.4.2譯碼器模塊介紹（1）樓層上升及下降狀態譯碼器模塊，樓層上升及下降狀態顯示如（圖3.3）： 圖3.3上升及下降狀態顯示譯碼模塊“SEG”表示輸入一個1位二進制數0或1； “Q36.0”引腳分別輸出7位二進制：和即顯示為0和1。 （2）樓層樓層位置顯示譯碼器模塊原理圖如（圖3.4）：圖3.4樓層樓層位置顯示譯碼器模塊SEG2.1表示輸入一個2位二進制數01、10、11；“ Q36.0”引腳分別輸出7位二進制： 顯示為1，顯示為2，顯示為3。3.4.3 總模塊介紹圖3.5 電梯主控系統和譯碼器模塊連接圖控制模塊的下降信號輸出作為運行狀態譯碼模塊的輸入，控制模塊的

12、位置輸出作為電梯位置顯示譯碼模塊的輸入。4 各模塊功能仿真圖4.1 電梯控制模塊功能仿真圖4.1電梯控制模塊功能仿真上圖表示：電梯從1樓上至3樓再下至2樓的情況波形說明：步驟1：給予2樓上升請求一個脈沖步驟2：給予3樓停一個脈沖步驟3：給予2樓上升請求一個脈沖步驟4：下降輸出信號UDSIG在電梯響應下降至2樓時為1表示下降其余為0上升；開門燈DOORLIGHT在1樓和到3樓及2樓時為1表示亮；電梯位置顯示POSITION相應顯示1232。以上仿真與所要求情況一致。4.2 譯碼模塊功能仿真圖4.2譯碼器功能仿真上圖表示：（譯碼顯示的是數碼管的引腳，低電平為亮，高電平為不亮）Jm分別為：即1232

13、符合電梯所在位置顯示。Led分別為：即01上升到下降符合電梯運行狀態。5 實物展示1 電梯初始狀態如圖（5.1）圖5.1電梯初始狀態說明：上圖顯示01，即電梯處于1樓待上升狀態。當沒有任何請求時電梯則自動復位至此狀態2 電梯1樓上升至3樓模擬如圖（5.2）圖5.2 電梯1樓上至3樓說明：要實現電梯從1樓上升至3樓則需要F1UPBUTTON即開關SW3為高電平，STOP3BUTTON即開關SW9為高電平，同時BUTTONCLK即開關SW2為高電平，手動撥動LIFTCLK即開關SW1一次上升一層樓。圖示為電梯已經上至三樓的狀態。DOORLIGHT為高電平即LED燈亮表示電梯開門。3 電梯3樓下降至

14、1樓模擬如圖（5.3a）、圖（5.2b）圖5.3（a)電梯處于3樓待下降狀態說明：電梯要實現從3樓下降至1樓則需要3DNBUTTON即SW6為高電平，STOP1BUTTON為高電平，同時BUTTONCLK即開關SW2為高電平，手動撥動LIFTCLK即開關SW1一次下降一層樓。圖示為電梯在3樓待下降的狀態。圖5.3(b)電梯已下降至1樓的狀態說明：撥LIFTCLK兩次電梯已下降至1樓的狀態。DOORLIGHT為高電平即LED燈亮表示電梯開門。6 心得體會兩周的課程設計實際的操作了整套電梯控制的設計，從剛開始的開題報告，到著手編寫代碼、連接模塊原理圖、仿真、分配引腳到最后下載到開發板驗證。在課程設

15、計前都是進行某個部分的操作，經過此次整套程序下來對FPGA及VHDL語言都有了更深的認識。開始面對著書上的大段大段代碼感到恐懼，但通過之后的一點一點輸入修改，特別是在代碼修改中體會到了耐心及細心的重要性，例如一個標題不吻合或少個引號在句末少個分號這些看似簡單甚至不起眼的符號都足以讓我們頭疼找半天，但是隨著這些錯誤的逐個排解也會產生極大的喜悅感。從剛開始的看著代碼什么都不懂，到最后能夠看懂一點，真的有很大的收獲。剛開始還算比較順利，但在譯碼模塊出現了許多問題，不斷的仿真失敗、下載失敗，不斷的嘗試最后能夠成功的實現電梯控制的基本功能是這兩周來和我的隊友共同努力的結果。同時還學到了再完成一項任務時應

16、該如何與自己的隊友合作完成，要有自己的想法但也要善于嘗試隊友的建議。不論最后的成績如何，都是自己努力來的成果。7 謝 辭在取得這些成果的同時當然少不了兩位老師的辛苦指導，兩位老師在進行其他班級正常授課的同時還要過來指導我們完成課程設計，要較于平時辛苦很多。有幾次同學的代碼總是修改不成功，周老師在下班的時間依舊幫助他查找錯誤幫忙修改。上課時不停的有人喊“老師”老師這邊”,你們依舊可以耐心的為我們一一解釋錯誤的原因并指導我們解決那些問題。 在這里衷心的感謝兩位老師為我們的付出。參考文獻1朱正偉,王其紅，韓學超. EDA技術及應用（第二版）M.北京:清華大學出版社,2013.3:p315-323 附

17、錄一總程序模塊:LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY THREEFLIFT ISPORT(BUTTONCLK: IN STD_LOGIC; LIFTCLK: IN STD_LOGIC; RESET: IN STD_LOGIC; F1UPBUTTON: IN STD_LOGIC; F2UPBUTTON: IN STD_LOGIC; F2DNBUTTON: IN STD_LOGIC; F3DNBUTTON: IN STD

18、_LOGIC; FUPLIGHT: BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); FDNLIGHT: BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); STOP1BUTTON,STOP2BUTTON,STOP3BUTTON: IN STD_LOGIC; STOPLIGHT: BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); POSITION: BUFFER INTEGER RANGE 1 TO 3; DOORLIGHT: OUT STD_LOGIC; UDSIG: BUFFER STD_LOGIC); END THRE

19、EFLIFT;ARCHITECTURE a OF THREEFLIFT IS TYPE LIFT_STATE IS(STOPON1,DOOROPEN,DOORCLOSE,DOORWAIT1,DOORWAIT2,DOORWAIT3,DOORWAIT4,UP,DOWN,STOP); SIGNAL MYLIFT: LIFT_STATE; SIGNAL CLEARUP: STD_LOGIC; SIGNAL CLEARDN: STD_LOGIC; BEGIN CTRLIFT: PROCESS(RESET,LIFTCLK) VARIABLE POS: INTEGER RANGE 3 DOWNTO 1; B

20、EGIN IF RESET=1 THEN MYLIFT=STOPON1; CLEARUP=0; CLEARDN DOORLIGHT=1; POSITION=1; POS:=1; MYLIFT MYLIFT CLEARUP=0;CLEARDN=0;MYLIFTMYLIFTMYLIFT DOORLIGHT=0; IF UDSIG=0 THEN IF POSITION=3 THEN IFSTOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUDSIG=1; MYLIFT=DOORCLOSE; ELSE UDSIG=1;MYLIFT=DOWN; END

21、 IF;ELSIF POSITION=2 THEN IF STOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUDSIG=0; MYLIFT=DOORCLOSE; ELSIFSTOPLIGHT(3)=1 OR (STOPLIGHT(3)=0 AND FDNLIGHT(3)=1)THEN UDSIG=0; MYLIFT=UP;ELSE UDSIG=1;MYLIFT=DOWN; END IF;ELSIF POSITION=1 THEN IFSTOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUD

22、SIG=0; MYLIFT=DOORCLOSE; ELSE UDSIG=0;MYLIFT=UP; END IF;END IF;ELSIF UDSIG=1 THEN IF POSITION=1 THEN IFSTOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUDSIG=0; MYLIFT=DOORCLOSE; ELSE UDSIG=0;MYLIFT=UP; END IF;ELSIF POSITION=2 THEN IFSTOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUDSIG=1; MY

23、LIFT=DOORCLOSE; ELSIFSTOPLIGHT(1)=1 OR (STOPLIGHT(1)=0 AND FDNLIGHT(1)=1) THEN UDSIG=1; MYLIFT=DOWN;ELSE UDSIG=0;MYLIFT=UP; END IF;ELSIF POSITION=3 THEN IF STOPLIGHT=000 AND FUPLIGHT=000 AND FDNLIGHT=000 THENUDSIG=1; MYLIFT=DOORCLOSE; ELSE UDSIG=1;MYLIFT POSITION=POSITION+1; POS:=POS+1; IF POS3 AND(

24、STOPLIGHT(POS)=1 OR FDNLIGHT(POS)=1) THEN MYLIFT=STOP;ELSIF POS=3 AND(STOPLIGHT(POS)=1 OR FDNLIGHT(POS)=1)THEN MYLIFT=STOP; ELSEMYLIFT POSITION1 AND(STOPLIGHT(POS)=1 OR FUPLIGHT(POS)=1) THEN MYLIFT=STOP;ELSIF POS=1 AND(STOPLIGHT(POS)=1 OR FDNLIGHT(POS)=1)THEN MYLIFT=STOP; ELSE MYLIFT MYLIFT DOORLIGHT=1;IF UDSIG=0 THEN IF POSITION=2 AND (STOPLIGHT(POSITION)=1 OR FUPLIGHT(POSITION)=1) THEN CLEARUP=1;ELSE CLEARUP=1;CLEARDN=2 AND (STOPLIGHT(POSITION)=1 OR fDNLIGHT(POSITI