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基于VHDL的三层电梯控制器的设计姓名：班级：学号：指导老师：一、研究目的及意义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，但电梯智能化程度的高低却决定着它服务质量的优劣。因而，电梯的智能化在一定程度上反映出智能大厦的智能程度。计算机技术，通讯技术与控制技术的发展使大厦的智能化成为现实，而电梯是智能建筑中的重要交通工具，其技术发展及智能化程度也倍受世人关注。智能化的电梯要与智能大厦中所有自动化系统联网，如与楼宇控制系统、消防系统、保安监控系统等交互联系，使电梯成为高效优质、安全舒适的服务工具。第二节EDA技术及VHDL简述一、EDA技术现代EDA技术就是以让算机为工具，在EDA软件平台上，根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，能自动地完成用软件方式描述的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、布局布线、逻辑仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，在EDA工具的帮助下和应用相应的FPGA/CPLD器件，就可以得到最后的设计结果。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。可见，利用EDA技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点：○1用软件的方式设计硬件；○2用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；○3从以前的“组合设计”转向真正的“自由设计”；○4设计过程中可用有关软件进行各种仿真；○5系统可现场编程，在线升级；○6设计的移植性好，效率高；○7非常适合分工设计，团队协作；○8整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。因此，EDA是当今电子设计的发展趋势。二、硬件描述语言VHDLVHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口，它是从抽象到具体的水平来描述硬件的一个行业标准的语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计分成外部和内部，外部即端口，内部则涉及实体的功能和算法。在对一个设计实体定义了外部端口并完成内部开发后，其他的设计就可以直接调用这个实体。自1987年被IEEE批准后，VHDL语言已经在电子设计生产中处于核心地位。它有以下优点：○1VHDL语言功能强大,设计方式多样。○2VHDL语言具有强大的硬件描述能力。○3VHDL语言具有很好移植性。○4VHDL语言的设计描述与器件无关。○5VHDL语言程序易于共享和复用。由于VHDL语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言，因此它可以使设计成果在设计人员之间方便地进行交流和共享,从而减小硬件电路设计的工作量,缩短开发周期。三、QuartusIIQuartusII图标QuartusII是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，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，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。QuartusII可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。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。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。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。二、三层电梯控制器的基本设计原理第一节电梯控制器的功能模块电梯控制器的功能模块如图2.1所示，包括主控制器、分控制器、楼层选择器、状态显示器、译码器和楼层显示器。乘客在电梯中选择所要到达的楼层，通过主控制器的处理，电梯开始运行，状态显示器显示电梯的运行状态，电梯所在楼层数通过译码器译码从而在楼层显示器中显示。分控制器把有效的请求传给主控制器进行处理，同时显示电梯的运行状态和电梯所在楼层数。由于分控制器相对简单很多，所以主控制器是核心部分。状态显示器主控制器楼层选择器分控制器译码器楼层显示器图2.1电梯控制器原理图外部按键请求信号寄存器状态寄存器内部软件执行机构外部硬件执行机构图2.2总流程图初始化判定电梯运行方向是否有请等待电梯运行楼层检测否电梯停止目标层与本层是否同层？是是否目标层？开门延时关门是否停止运行？是否是否是否停止图2.3电梯控制主流程图第二节电梯控制器的流程图三、三层电梯控制器的具体设计本设计尝试用硬件描述语言VHDL来实现对三层电梯的控制，源程序经Altera公司的QuartusII软件仿真，保证了设计的正确性。使用VHDL进行电梯控制器的设计，主要就是对电梯软件部分的设计，使用VHDL中的逻辑关系建立电梯的升降模式，开门，关门达到动作，而外部器件的硬件设备基本上保持不变。使用VHDL硬件描述语言设计电梯控制器可以为电梯实现智能控制奠定基础。第一节三层电梯控制器实现的功能及运行规则○1电梯一层入口处设有上升请求开关，二层入口处设有上、下请求开关，三层入口处设有下降请求开关，电梯内部设有顾客到达楼层的停站请求开关。○2每层电梯入口处设有位置指示装置及电梯运行模式(上升或下降)指示装置。○3电梯初始状态为一层开门状态。○4电梯每秒上升(下降)一层楼。○5电梯到达需要停止的楼层，经过1秒电梯门打开，开门指示灯亮，开门4秒后，电梯门关闭(开门指示灯灭)，电梯继续运行，直至执行完最后一个请求信号后停留在当前层。○6电梯需要寄存器来记忆电梯内外所有请求，并按照电梯运行规则按顺序响应，每个请求信号保留至执行后消除。○7电梯的运行规则：当电梯处于上升模式时，只响应比电梯所在位置高的上楼请求信号和停站请求信号，由下而上逐个执行，直到最后一个上楼请求执行完毕；如果高层有下楼请求，则直接上升到有下楼请求的最高层，然后进入下降模式。当电梯处于下降模式时则与上升模式相反。第二节三层电梯控制器的综合设计一、三层电梯控制器的设计思路电梯控制器设计两个进程相互配合，状态机进程作为主要进程，信号灯控制进程作为辅助进程。根据电梯的实际工作情况，可以为状态机设置十个状态，它们分别是“电梯停在一层”“开门”“关门”“开门等待第一秒”“开门等待第二秒”“开门等待第三秒”“开门等待第四秒”“上升”“下降”和“停止”。由于电梯每秒上升或下降一层，则可以用周期为1s的信号来作为电梯状态转换的触发时钟。状态机进程中的很多判断条件是以信号灯控制进程产生的信号灯信号为依据，而信号灯控制进程中信号灯的熄灭又是由状态机进程中传出的信号来控制。三层电梯控制器的设计主要是对实体和结构体的设计，它的VHDL描述模块流程如图3.1所示：二、实体设计实体设计即是对端口名、端口模式及数据类型的说明。首先考虑输入端口，元件库的说明定义实体结构体端口状态机进程信号灯控制进程结束按键信号灯图3.1三层电梯控制器的VHDL描述模块流程一个异步复位端口“reset”，用于当电梯出现非正常情况时回到初始状态；在电梯外部，一层入口处设有上升请求端，二层入口处设有上升和下降请求端，三层入口处设有下降请求端；在电梯内部，应设有各层停站请求端口；一个电梯时钟输入端口，它提供周期为1s的时钟信号，用作电梯状态转换的触发时钟；还有一个频率很高的按键时钟输入端口。其次考虑输出端口，当有各层上升或下降请求时，各层入口处应该有端口显示请求是否被响应，有请求时端口输出逻辑‘1’，被执行后则恢复成逻辑‘0’；同样的，电梯内部也应有各层停站请求是否被响应的指示端口；一个开关门指示端口，当门开着时，它为逻辑‘1’，门关着时，则为逻辑‘0’；还需要端口来显示电梯所处的位置和模式（上升或下降）。三、结构体设计在结构体中，首先说明了状态机设置的十个状态，分别是：电梯停在1层(stopon1)、开门(dooropen)、关门(doorclose)、开门等待第1秒(doorwait1)、开门等待第2秒(doorwait2)、开门等待第3秒(doorwait3)、开门等待第4秒(doorwait4)、上升(up)、下降(down)和停止(stop)。在结构体最前端用如下的定义语句，来定义状态机。typelift_stateis(stopon1,dooropen,doorclose,doorwait1,doorwait2,doorwait3,doorwait4,up,down,sto