基于EDA的电梯控制系统设计(FPGA).doc

【摘要】 随着科技的迅速的发展，电梯已经成为生活中不可缺少的交通工具,电梯在国内的需求量也是与日俱增。然而相比于其他发达国家比如欧美,我国的创新元素还还相对较少。电梯的出现要追溯到上世纪，在那时电梯就已经融入到生活中并且取得了使用者的青睐。电梯的传统控制系统通常是采用继电器接触器，而随着超大规模集成电路技术的成熟，FPGA作为一个新的生力军，在电梯的控制中已经取得了广泛的应用。另外，随着可持续发展理念的深入人心，电梯更是融入了节能的元素。 由于FPGA内部集成了数以万计的逻辑单元，这样的特点使得它在电梯的控制上具有天然的优势。本设计是基于VHDL硬件描述语言而实现的多层电梯控制与远程监控系统,在程序的设计上,主要采用了有限状态机，程序中设立了两个进程相辅相成,以信号灯控制进程作为辅助进程，状态机作为主要进城. 本次设计是采用VHDL硬件描述语言而设计的十层电梯控制系统，以Altera公司的QUARTUS II软件作为开发平台,实现了电梯的基本功能以及远程监控功能。【关键词】:电梯控制器，VHDL,状态机,远程监控ABSTRACT Along with the science and technologyrapid development，the elevatorhas become indispensable in lifetraffictools，the elevator is alsogrow with each passing dayindomestic demand.However，compared to otherdeveloped countriessuch asEurope and the United States，innovationelements in Chinaisstillrelatively small。The elevatorcan be traced to thelast century，whenthe elevatoralreadyinto lifeand madeusers。The traditionalelevator control systemuses therelay-contactoris usually，butwith very large scale integratedcircuittechnology matures，FPGA as anew force，extensiveapplicationhas been madein elevatorcontrol。In addition，with thewin support among the peopleof the concept of sustainable development，the elevator is alsoincorporate energysavingelements。Because the FPGAinternal integrationlogic unitof tens of thousands of，this character makesit has a naturaladvantage inelevatorcontrol。This design isthe multilayered elevatorcontrol and remote monitoringsystemandimplementationof VHDLbased on hardware description language，in the design process，mainly uses thefinite state machine，the programhas established twoprocesscomplement each other,with thesignal controlprocessas an auxiliaryprocess，state machineasthe maintown。This design isten story elevatorcontrol system using VHDLhardware description languageand design，based on the Altera companyQUARTUSII software as the developmentplatform，realizesthedisplay function,according to therequirements of passengersandmake corresponding motionfunction.【key words】：elevator controller，VHDL，State machine,Remote monitoring目录第1章 引言11.1选题的背景11.2 设计任务2第2章 设计基本原理与思路32.1控制器的功能及技术指标32。2全自动电梯控制方案选择32。3 电梯模块划分4第3章 模块内部程序设计63.1 系统时钟分频模块63.2 系统按键综合处理模块73。3 电梯运行控制模块83。4 数码管显示模块93.5 模块整合10第4章 系统模块在Quartus上运行与仿真114。1 时钟分频模块仿真效果114.2 按键处理模块仿真效果124.3 数码管显示模块仿真效果124.4电梯运行控制模块仿真效果134。5电梯整合后总体仿真效果14第5章 远程监控功能设计155。1 远程监控方案选择15总结16参考文献17致谢18附录 程序代码18第1章 引言1.1选题的背景随着科学技术的发展，社会文明的进步，土地资源的也随之变得紧缺，建筑物高度的提高也成为必然的趋势，于是在日常生活当中，电梯已经是作为高层建筑中必不可少的垂直运输工具了，它也已然成为城市物质文化的一种明显的标志。同时，电梯的使用也是原来越广泛了,已经不仅仅存在于原来的高楼大厦、高级住宿楼，普通楼层、居民楼等公共场所同样也在使用电梯，甚至于有的私人家庭也能够安装使用电梯了，并且电梯的功能也在随着需求的增加而不断的提高，也不再是机械的手动控制，它的控制方式已经变得自动化,多样化。 在电梯的控制系统上,存在多种方式，现今欧美等发达国家在电梯控制系统上主要采用的是32位的微型计算机控制系统。闭环反馈的单微机处理控制系统或者多微机的协调处理控制系统是他们主要采用的,在电梯的传动系统上，比较普遍采用的是VVVF调速技术，即交流变压变频，这样保证了梯从低速度到高速度的转变平稳，实现高精度运行,不仅节能，而且减少了对电网的污染,增加了乘坐的舒适度。对于电梯当中的反馈系统上，电梯位置信号的获得不仅仅是采用旋转编码器，绝对值编码器是不少的厂商厂家采用的方法,通过对曳引电机以距离的原则进行控制，实现了电梯平层的技术，是电梯在运行上效果接近理想状态。现今，我们国家的生产的电梯产品，不仅仅在数量上得到明显提升,在质量上也有了明显的提升。我们国家的电梯运行速度的控制方式与设计的理想运行曲线基本上跟发达国家的一样.但是考虑到经济效益,如今国内的电梯控制系统，通常采用的是微机或可编程逻辑控制器对变频器进行多段速度的控制.对于电梯传动系统上,新建筑新装电梯及旧建筑上电梯改造上，也大多数采用了交流变压变频（VVVF）调速电梯.在电梯反馈系统上,主要采用的一般也是闭环速度反馈,首先利用增量编码器产生脉冲信号，它一般套在电机轴上,再将信号反馈给控制系统.对于电梯井道内部信号的采集上，增量编码器计数方式是我们国家现今的电梯大多都采用的，用它来配合光电开关或者双稳态磁开关来判别电梯轿厢的位置。随着电梯中交流调压调速技术的日益成熟,很多企业都有自己设计的优秀产品。通过微机控制电梯的方式是电梯控制技术必然的方向，于是很多企业与科学研究单位相结合，相继推出了不同的微机控制的电梯新机型，在电梯控制功能方面上得到了增强,性能改善了不少，可靠性也得到了明显提升,于是,用FPGA/CPLD取代原来的控制系统的机型对单梯进行控制是非常有效的。已经有不少企业生产商开发了电梯紧急供电、梯内防火控制、地震发生时电梯的控制、电梯功能自我检测以及语音技术等电梯新功能;同时对电梯机械系统也采用了新结构、新材料、新技术和新工艺。总而言之,我国电梯控制方面，虽然还不能够跟国外的技术相媲美，但鉴于我们国家电梯控制的技术的发展速度，在不久的将来必然能够赶超国外先进的技术.1.2 设计任务随着可编程逻辑电路和EDA技术的发展，在逻辑电路设计和嵌入式系统设计方面，以CPLD/FPGA为代表的可编程逻辑器件已经逐步代替了传统的标准逻辑器件;本次论文的电梯控制器所有的程序可以集成在一个FPGA开发芯片上面，不用在用其他功能的分立逻辑元件，达到集成度高、响应快、功耗低的特点.本次论文主要是基于FPGA的电梯控制器与监控系统的设计,它也是电梯控制的核心部分，电梯的层数为10层，而本次论文采用模块化设计，主要分为四大模块：时钟分频模块、按键处理模块、电梯运行控制模块、数码管显示.23第2章 设计基本原理与思路2。1控制器的功能及技术指标本设计以FPGA作为主控核心来对升降电梯的各种操作进行控制，从而来改善电梯的舒适感和运行的可靠性，使电梯安全可靠的运行。根据电梯安全运行的一些主要控制要求，十层电梯控制器将实现的功能： (1)电梯内部含有所有楼层的指令按钮,外部都有上升或下降按钮。 (2）电梯外部含有楼层指示装置，还有电梯运行状态显示. (3)电梯到达指令信号所在楼层时,电梯门打开,若再有另外请求信号，电梯门关闭，电梯继续运行，直到执行完所有所有请求信号. (4）能记忆电梯内部与外部所有请求，并且能够依照电梯应有的运行规则进行响应,且外部与内部请求信号能够在电梯响应过后清除。 （5）电梯运行的主要规则：在电梯上升时，电梯只对比电梯所在楼层高的楼层的请求信号进行响应；当高层有下降请求，电梯则直接升到高层所在下降请求楼层,转换为下降模式。而电梯下降模式与上升规则完全相同.(6) 电梯含有初试状态即：一层开门.2。2全自动电梯控制方案选择全自动电梯一般分为三种控制方案：内部请求优先响应控制方案，层层停控制方案，方向优先控制方案.1.内部请求优先响应控制方案内部请求优先控制方式的工作方式,即先将电梯内部人员送至目的楼层，再返回载客。而作为大楼公共服务的载客通用电梯，必须服务于大部分人的要求，必须考虑电梯外部的请求响应，在内部请求优先控制方式当中，当电梯外部人的请求和电梯内部人的请求发生冲突时，外部人的请求可能被长时间忽略,因此它不适合作为公用电梯的设计方案。2.层层停控制方案层层停控制方式的工作方式：即到每一层楼即停下。这种控制方式可以满足每个人的请求。但是这种控制方式严重影响到了电梯的运行效率，很有可能中间楼层均没有用户请求,这样会浪费大量的等待时间，而电梯在这个过程也会浪费大量的电能。3。方向优先控制方案方向优先控制方式即，即电梯在运行到某一楼层时先考虑这一楼层是否有请求：有则停止，无则继续前进.停下后再启动时的步骤：1）检查上方是否存在请求,存在电梯则运行，不存在电梯则停止2)检测下方是否存在请求，存在电梯则运行,不存在则维持停止状态.方向优先控制方式的效率远大于单层层停等控制方式的效率。而且,方向优先控制方式下,电梯在维持停止的时候可以进入省电模式,能节省大量电能。通过以上三种控制方案的相互比较，可以明显看出方向优先控制的综合优势还是很明显的，而此设计主要依照方向优先控制进行设计的。2.3 电梯模块划分为实现电梯控制的功能，完成设计要求，采用模块化设计，本设计预计分为四个模块：时钟分频模块，按键处理模块，电梯运行控制模块,数码管显示模块。电梯控制模块划分如图2-1所示.各部分功能概述：（1)时钟频模块功能为把系统时钟分出两个不同频率的时钟，一个2HZ时钟供控制模块使用，另一个8HZ供其他模块使用.（2）按键处理模块的功能是把电梯外部和内部的按键信号处理，把处理好的按键信号送到电梯运行控制模块，根据外部按键信号转化为电梯运行控制模块的外部请求信号，根据电梯内部按键信号转化为电梯控制模块的电梯前往信号，根据电梯所在楼层信号及时清除电梯外部与内部的按键信号。(3）电梯运行控制模块的功能是在2HZ时钟的节拍下，根据按键处理模块输出的信号，控制电梯上升和下降，当电梯关门时输出相应的上升和下降清除信号，同时输出电梯当前所在楼层的数码管输出信号与电梯运行方向指示.(4）数码显示模块的功能是把楼层信号转化为数码显示.图21:电梯控制器模块划分图整个系统最主要由运行状态控制，按键处理模块，显示模块组成，楼层显示通过运行状态来控制，而按键处理又外部按键电路来控制，运行状态由按键处理模块和当前楼层信号联合控制。如图22所示.图2-2 系统组成第3章 模块内部程序设计 在程序的设计上,采用自上而下的模块下设计,对于本系统地构建,分为分频器模块、案件综合处理模块、电梯运行控制模块以及数码管显示模块,下面分别对各模块进行介绍：3。1 系统时钟分频模块时钟分频模块主要是将输入频率分为两个不同的频率，以供其他模块使用，其中一个是2分频以供电梯运行模块使用，另外一个8分频的时钟频率为其他模块提供时钟频率源.将源程序编写完成后，在Quartus进行调试、运行并生成模块文件,在编译后检查无误之后，进行波形仿真,硬件下载调试。在调试中得到的模块原理图如图31所示:图31 时钟分频模块原理图3。2 系统按键综合处理模块按键处理模块的主要功能是就是处理电梯外部和内部的按键信号,然后把所得到的信号送到电梯运行模块;根据电梯外部按键信号转化为电梯运行控制模块的外部请求信号，根据电梯内部的按键信号转化为电梯运行控制模块的电梯前往信号，根据电梯楼层信号及时清除电梯外部与内部按键信号.源程序编写完成后，进行编译、运行并生成模块文件，确认没有错误之后进行波形仿真、时序分析.其模块原理图如图32：图32 按键处理模块原理图3。3 电梯运行控制模块电梯运行控制模块是实际当中的核心部分，电梯的状态与电梯的运行模式基本上完全取决于运行控制模块,它主要是在时钟分频模块输出的2分频频率下,接收按键处理模块输出的按键处理信号,来决定电梯的运行模式和状态,同时在电梯决定运行模式时输出一定的控制信号来控制外部显示，以达到显示电梯的位置，运行状态，本次是设计的10层电梯控制系统，在源程序中具体要体现以下功能：1。每层电梯入口处设有上升和下降请求按钮，其中第十层没有上升按钮。第一层没有下降按钮,电梯内部设有要到达楼层的请求按钮1-10楼.2.设置了电梯位置显示的LED数码管,到达每一楼层均能显示当前楼层，同时设有电梯运行状态的显示。3。电梯能对电梯外部所有请求信号进行记忆，并且能够按照电梯运行规则进行顺序响应,同时每个楼层的请求信号一直保留到电梯对其进行响应。4。电梯运行主要规则:当电梯上升时候，只响应比电梯所在楼层高的上楼信号，由下到上依次执行，直到最后一个上升请求信号执行完毕，当电梯下降时候，只响应比电梯所在楼层低的下楼信号，由上到下依次执行,直到最后一下下降请求信号执行完毕。电梯控制运行模块源程序编写完成后，进行编译、运行并生成模块文件，确认没有错误之后进行波形仿真、时序分析。其模块原理图3-3如下:图3-3 电梯运行控制模块原理图3.4 数码管显示模块数码管显示模块的功能主要是把楼层信号转化为数字信号,通过数码管进行显示，显示电梯运行状态当前楼层的指示.数码管显示模块源程序编写完成后，进行编译、运行并生成模块文件，确认没有错误之后进行波形仿真、时序分析。其模块原理图34如下:图34 数码管显示模块原理图3。5 模块整合将各个模块代码编写完成之后，根据模块整体信号之间的关系,将各个模块组合成一个完整的系统，以完成对电梯的综合控制。模块整合原则：系统输入一个频率clk,经过时钟频模块把系统时钟分出两个不同频率的时钟，一个频率clk_2供控制模块和运行模块使用，另一个clk_8按键处理模块使用。按键处理模块主要是根据运行模块提供的信号，把电梯外部和内部的按键信号处理，把处理好的按键信号送到电梯运行控制模块,电梯运行控制模块按键处理模块输出的信号，控制电梯上升和下降,当电梯关门时输出相应的上升和下降清除信号，同时输出电梯当前所在楼层的数码管输出信号与电梯运行方向指示.数码显示模块的功能接收运行模块的位置信号,转化为七段数码显示.整合后系统电路图如图35所示.图35 综合模块整合电路图第4章 系统模块在Quartus上运行与仿真4。1 时钟分频模块仿真效果对时钟分频模块的源程序进行编译，没有出现错误,源程序基本正确。对时钟模块程序建立波形仿真文件，对各个输入输出端口进行波形仿真和时序分析，所得波形仿真结果如图41。图41 时钟分频模块波形时序仿真图从时序仿真图上可以看到2分频每经过两个时钟上升沿突变一次,八分频每经过16个时钟上升沿突变一次，符合设计的初始愿想，仿真正确。4.2 按键处理模块仿真效果对按键处理模块的源程序进行编译、运行，没有错误。建立波形图文件，对各个输入输出端口进行波形仿真和时序分析，所得时序仿真图如图42所示图42 按键处理模块波形时序仿真图如图4-2所示输入down为000000111，up为011110000,inside为0111111100，当前楼层为6，当clear_down为0时，依照设计原则，down_light输出应为1111111000，当为1时，输出应为1111010000；当clear_up为0时，依照设计原则，up_light输出应为0100001111，为1时，同样为0100001111;而对于inside_light输出同样为1000000011,而从图4-2可以看出，时序仿真结果与设计结果完全相同,由此可见，设计源程序基本正确。4。3 数码管显示模块仿真效果对数码管显示模块的源程序进行编译、运行，没有错误,建立波形图文件,对各个输入输出端口进行波形仿真和时序分析，如图4-3：图43 数码管显示模块波形时序仿真图从图中可以看出当position在2层时，位置显示为0000000011011010，结果正确；在3层时，位置显示为0000000011110010，结果正确；对于4。5.6。7.8。9。10层同样符合设计要求,仿真结果正确。4。4电梯运行控制模块仿真效果对电梯运行控制模块的源程序进行编译、运行，没有错误。建立波形图文件,对各个输入输出端口进行波形仿真和时序分析，如图44和45。图4-4 电梯运行控制模块波形时序仿真图图45 电梯运行控制模块波形时序仿真图从图44可以看出初始状态为第一层，当inside给一个8层请求信号后，楼层位置从1渐变到8，稳定后clear_up为1，再过一个时钟脉冲后，door_light为1。从图45可以看出，当到达第8层后，给一个第三层下降请求信号后,楼层信号从8渐变到3，相应的clear_down为1,在经过一个时钟脉冲后，door_light为1。综上可以看出,整个运行模块符合设计要求。4。5电梯整合后总体仿真效果对电梯运行控制模块的源程序进行编译、运行，没有错误。建立波形图文件，对各个输入输出端口进行波形仿真和时序分析，如图45和47：图46 电梯综合模块波形时序仿真图图4-7 电梯综合模块波形时序仿真图在46可以看出初始状态为第一层，当inside给一个6层请求信号后，楼层位置从1渐变到6,当到达第6层后，经过8个时钟脉冲后,door_light为1；从图4-7可以看出，在六楼稳定后给一个第3层下降请求信号，楼层信号从6渐变到3,相应的经过8个时钟脉冲door_light为1，综上可以看出，整个综合模块符合设计要求，设计正确。第5章 远程监控功能设计5。1 远程监控方案选择方案一：采用有线的远程监控模式,要不布置非常复杂并且绵长的电子线路，当信号线收到干扰时,对电梯的运行情况会长生干扰。并且其复杂的布线系统将会影响线路周围环境的美观。方案二：采用ZigBee无线网络技术为核心,对电梯的运行情况进行实时检测，这种无线方式的远程监控没有复杂的布线系统，通信距离在几十米内。上位机界面有VC+设计，硬件采用TI公司生产的CC2530型射频单片机芯片，其采用的是载频频率为2.4G的棒状天线，其程序在IAR EW8051环境下用C语言编写。总结时间过得很快，历经3月的毕业设计已经落下帷幕，本次设计任务终于在一次又一次的徘徊挣扎中完成，其中经过了最初的方案设定、方案对比、最终方案、资料搜集、查阅文献、代码调试、功能仿真、论文撰写以及论文修改等主要过程，可谓是每个过程都充满着挑战与艰辛。即使是一个结构很简单的功能电路,如果出现一个字符问题,表现出来的现象也是各种各样的,检查的过程也需要细心和经验，就比如说一开始在quartus II上调试代码时由于出现了一个小小的语法问题，结果导致整个系统不运作,所以非常失望没有得到预期的现象，但是没有灰心,通过一个一个模块内检查，最终很快找到了异常的根源.通过这次毕业设计，在硬件上提高了我的动手能力和对相关集成模块的使用能力,巩固了我对以往学过的专业知识积累；在软件方面,让我了解并且使用的FPGA、Quartus II，使我掌握了其使用方法,提高了我的编程能力。所以毕业设计是非常有必要的，是对专业学习的一个最终总结。 通过本次毕业设计,实现了基于FPGA技术的多层电梯控制系统，本设计采用Quartus II软件作为开发平台，采用VHDL硬件描述语言编写系统各模块，将系统分成了分频器模块、案件综合处理模块、电梯运行控制模块以及数码管显示模块。在设计过程中，使我对FPGA原理、VHDL语言的理解又上升了一个新的台阶，在硬件上我也接触到了FPGA芯片、数码管等集成芯片，发现使用了这种集成芯片，对系统的稳定性是极为有利的。该系统性能十分优越，但是也存在诸多可以改进的地方，比如使用机械按键作为电梯的控制按键,虽然价格低廉、性能也十分稳定，但是它的使用起来十分不灵活，使得按动按键需要很大的力气并且手指不舒服,而如果采用现在极为流行的电容触摸按键模块的话，却能带来更好的人机交互和用户体验。参考文献1王子文 骆建华电梯PLC控制策略及其程序设计起重运输机械2006（07）:36522程俊,黎福海，代扬.基于VHDL语言的实用电梯控制器的设计J。现代电子技术，2004，(1）:2021。3 李艳玲，朱音.基于MSI的电梯控制系统的设计J。 内蒙古师范大学学报，2008,37（4）:526529。4贺敬凯，王瑞春，万学元 基于FPGA的电梯控制器系统设计深圳信息职业技术学院学报2006（02）:14275张汉杰现代电梯控制技术 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社20066陈兆芳基于FPGA的电梯控制系统福建电脑2010(02）：15-167 王秀英，郑海英。 PLC 技术在电梯运行中的应用J. 辽宁工业大学学报,2008，28（2)：8890.8高迎慧，侯忠霞，杨成林。基于FPGA的自动升降电梯控制器设计J。辽宁工程技术大学学报，2007,25(2)：21539潘松，黄继业EDA技术实用教程 北京：科学出版社,201010Kolar J。W。Status of the Techniques of the ThreePhase PWM Rectifier Systems with low Effects on the MainsJ。Profeeional Education Tutouial workbook of IEEE Power Electronics Specialists Conference，2000,21(3）：18-23致谢附录程序代码电梯运行控制模块程序:Entity elevator_run IsPort（ clk： In Std_Logic； rst： In Std_Logic； alarm: in Std_Logic； up_light: in Std_Logic_Vector（10 Downto 1）； down_light: in Std_Logic_Vector（10 Downto 1)； inside_light： in Std_Logic_Vector（10Downto 1）； position: out integer range 1 to 10； door_light： Out Std_Logic; clear_up: out Std_Logic； clear_down: out Std_Logic delay： In Std_Logic; advance： In Std_Logic； updown_light： Buffer Std_Logic_Vector（7 Downto 0) )； End elevator_run;Architecture ten_floor of elevator_run is type lift_state is（stop_1,door_open,door_close,door_wait1，door_wait2,door_wait3,door_wait4，door_wait5，door_wait6，up，down，stop）；signal my_lift:lift_state；signal pos:integer range 10 downto 0；signal updown_flag：Std_Logic;signal posreg：integer range 1 to 10；signal one：Std_Logic_Vector(10 Downto 1）；Begin U1：Process（rst，clk) Begin If （rst=0 or alarm=0) Then my_lift=stop_1; clear_up=1； clear_down door_lght=0; position=1； my_lift=door_wait1; clear_up=0; clear_down=0； updown_light -状态为door_wait1 If advance=1 Then my_lift=door_close； Elsif delay=1 Then my_lift=door_wait1； Else my_lift=door_wait2； End If； clear_up=0； clear_down=0； when door_wait2 = -状态为door_wait2 If advance=1 Then my_lift=door_close; Elsif delay=1 Then my_lift=door_wait1； Else my_lift=door_wait3； End If； clear_up=0； clear_down=0； when door_wait3 = -状态为door_wait3 If advance=1 Then my_lift=door_close； Elsif delay=1 Then my_lift=door_wait1； Else my_lift -状态为door_wait4 If advance=1 Then my_lift=door_close； Elsif delay=1 Then my_lift=door_wait1； Else my_lift=door_wait5； End If; clear_up -状态为door_wait5 If advance=1 Then my_lift=door_close； Elsif delay=1 Then my_lift=door_wait1； Else my_lift=door_wait6； End If； clear_up=0; clear_down 状态为door_wait6 my_lift=door_close； clear_up=0； clear_down=0； when door_close = -状态为door_close door_light=0; clear_up=0； clear_down=0; If posreg=10 Then If(inside_light=0000000000” and up_light=”0000000000” and down_light=”0000000000”） Then my_lift0000000000 or up_light0000000000” or down_light0000000000”) Then my_lift=down； updown_light=”01111010”； updown_flag=1； End If； If posreg=1 Then If（inside_light=”0000000000 and up_light=0000000000 and down_l