基于fpga的四层电梯控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于fpga的四层电梯控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

构体（ Architecture） 结构体用于描述所设计芯片的逻辑功能。 它用于描述系统的数据流程、系统的行为，以及系统的数据构成形式。 在该部分， VHDL 语句的主要功能是指明所设计的芯片实现什么具体的功能，以及元件的 内部联系和连线。 通常情况，结构体对于输入输出的关系有三种方式进行描述：行为描述、寄存器传输描述、和结构描述，不同的描述方式仅仅是体现在所编写的语句上，其结构体的构造是完全相同的。 其实结构体的功能描述共有 5 种：信号赋值语句、块（ BLOCK）语句、进程（ PROCESS）语句、元件例化（ COMPONENT）语句和程序调用语句 [16]。 配置（ Configuration） 配置用于从库中选取所需要单元来组成系统设计的不同规格的不同版本，使被设计系统的功能发生改变。 配置语句用来描述层与层之间的连接关系以及实体与结构体之间的连接关系。 在复杂的 VHDL 工程设计中，设计者可以利用这种配置语句来选择不同的结构体，使其与要设计的实体相对应，或者为例化的各元件实体配置指定的结构体。 在仿真设计中，可以利用配置来选择不同的结构体进行性能对比试验，以得到性能最佳的设计方案 [13]。 包集合（ Package） 程序包主要用于存放各设计模块能共享的数据类型、常数、子程序等。 它主 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 7 要由两个部分组成：程序包首、程序包体。 程序包首用于说明程序包中所定义的常量、数据类型、过程首、函数首以及元件定义；程序包体主要是对程序包体部分所定义的 函数首和过程首所对应的函数体和过程体进行说明。 在 VHDL 程序中，程序包不是必需的，程序包首可以独立的定义和使用 [13]。 库（ Library） 在 VHDL 设计中，为了提高便捷性以及使用的规范性，必须将一些常用的、预先定义的数据类型，子程序等存放在一起，以供调用，这就是库，因此，库就是经编译的数据的集合，它可以存放实体定义、程序包定义、构造体定义以及配置的定义。 库包含了 5种： IEEE 库、 STD 库、 WORK 库、 VITAL 库以及用户自定义库。 需注意的是，在 VHDL 语言中，库的说明语句总是放在实体单元前面 ，即一段 VHDL 程序的开始一定是库说明语句。 由于库是程序包的集合，因此，库的调用其实就是程序包的使用 [12]。 开发软件 QuartusII QuartusII 是 Altera 公司推出的新一代 FPGA/CPLD 开发软件，适合于大规模复杂的逻辑电路设计。 它是 Altera 公司的第 4代可编程逻辑器件集成开发环境，提供了从设计输入到器件编程的全部功能 [1]。 本次设计是在 环境下进行的， 是 Altera 公司于 20xx 年推出的新一代 PLD 开发集成环境。 可在多种平 台运行，具有开放性、多平台、与结构无关、完成集成化、丰富的设计库、模块化工具、支持多种 HDL语言、易学习、易操作等特点。 QuartusII 提供了方便的实体设计、快速的编译处理以及编程功能，是目前 FPGA/CPLD 开发工具中较为理想的综合、仿真软件 [1]。 QuartusII 是 EDA 技术的一个综合性平台。 运用 EDA 技术设计系统的工作流程如图 所示。 应用 QuartusII 软件，可以完成所有的设计工作。 硬件介绍： ZY11EDA13BE ZY11EDA13BE 实验系统的特点 （ 1）采用主板 A基本实验系统 +适配 板（扩展板）的结构：板是一个标准配置系统，是一个最简 EDA 工具系统，包含了核心芯片 A（ EP1K30QC208），在主板系统基础上扩展了不同系统，比如主板 +单片机 +扩展板构成单片机系统，以及主板 +扩展 CPLD/FPGA 等多重系统 [11]。 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 8 （ 2）主板中所有 I/O 口开放：主芯片的 I/O 口分为三个部分使用，三个部分的 I/O 口无重合。 第一部分连接到外部资源（数码管、译码器、时钟源、液晶、LCD、 LED、按键、开关等），第二部分连接到试配板接口，第三部分连接到扩展版接口 [11]。 （ 3）数字 EDA 与模拟 EDA 混合实验 与开发：除了主板的模数转换实验，如果配以模拟 EDA 器件适配板，就能在主板系统上完成模拟 EDA 实验或模数混合实验的开发 [18]。 （ 4）编程下载通用性强：主板系统含 FPGA/CPLD 通用下载编程模块，可用于对 Altera 、 Lattice、 Xilinx 等多家国际著名的 PLD 公司几乎所有 isp 或现场配置的 CPLD/FPGA 进行编程下载 [11]。 （ 5）良好的混合电压（ MV）兼容功能：绿色能源电子系统要求器件低功耗、低噪声和高电磁兼容性。 因此低电压器件的使用将更加重要和普遍，如笔记本电脑、嵌入式系统等，其中的 主要器件皆为低电压器件 [11]。 ZY11EDA13BE 实验系统主板组成 ZY11EDA13BE 实验系统主板，主要由以下几部分构成：通用编程模块、液晶显示模块、数码管显示模块、 A/D、 D/A 转换模块、 LED 显示模块、数字可调信号源、滤波模块、信号调节模块、逻辑笔模块、配置模块、模式选择模块、模拟信号源、 4 4 键盘模块、开关按键模块、电源模块、分立元件模块、喇叭模块、I/O 口插孔、核心芯片 A、适配板 B 插座、扩展板 C 插座、 40PIN 插座 [11]。 本次设计中用到了通用编程模块即核心芯片 EPF1K30QC208— 数码管显示模块、 LED 显示模块、 4 4 键盘模块、开关按键模块、电源模块、喇叭模块。 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 9 第 3章 四层电梯控制系统的设计 根据设计要求，此次四层电梯控制系统的设计包括请求信号响应、楼层检测、当前楼层数码管显示、开关门控制、电梯运行五个模块。 四层电梯控制系统的整体流程图如图 所示。 图 四层电梯控制系统整体流程图 系统器件端口说明 本次设计全部使用 VHDL 语言编程，在程序中完成对各模块的设计以及整体系统对各模块的调用。 系统生成器件如图 所示。 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 10 c lkrs tin ne r_ f 1in ne r_ f 2in ne r_ f 3in ne r_ f 4ou ter _u 1ou ter _u 2ou ter _u 3ou ter _d 2ou ter _d 3ou ter _d 4de la yc lo s ele d7 s [6. .0]up _r eq [4. .1]do w n_ re q[ 4. .1]in ne r_ re q[ 4. .1]u_dal ar mdo or [1. .0]ru nlif tin s t1 图 四层电梯控制系统生成器件 端口信号说明： clk：系统时钟信号； rst：系统复位信号； inner_f1~inner_f4：分别为电梯内用户到 4 楼的请求信号； outer_u1~outer_u3：分别为 3楼用户的请求上楼信号； outer_d2~outer_d4：分别为 4楼用户的请求下楼信号； up_req：用户上升请求楼层指示； down_req：用户下降请求楼层指示； inner_req：电梯内用户到达楼层请求信号； led7: 七段数码管楼层显示信号； delay： 延时关门信号； close：快速关门信号： door：门控信号， 00 为关门， 01 为等待关门， 11为开门； alarm：报警信号； u_d：上升／下降指示， 0为下降， 1为上升； state：电梯运行状态指示，其中 state（ 2）： 1 为运行允许标志， 0为运行禁止标志， state（ 1）： 1 为上行任务标志， 0 为下行任务标志； state（ 0）： 1 为正在上行标志， 0为正在下行标志； current_floor：当前所在楼层； door_time:门开关控制计数信号。 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 11 请求信号响应模块 请求信号灯的亮灭是根据该层是否有请求信号以及电梯的运行状态来决定的。 当该层有人请求时，则该层的请求信号灯亮，直到电梯响应该层的请求时，请求信号灯才灭。 请求信号响应分为外部上升请求信号响应、外部下降请求信号响应、内部请求信号响应三部分。 外部上升请求信号响应 四层电梯控制系统的外部上升请求信号有 3个，根据运行规律，采用逐层判断的方法，先从 3楼开始判断，最后到 1楼。 当有本层的外部上升请求信号时，外部请求信号指示灯亮，当电梯响应了本层外部上升请求信号，则本层的外部上升请求信号灯灭。 外部上升请求信号 流程图如图 所示。 图 外部上升请求指示灯亮灭转换流程图 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 12 （ 1）当 3楼有外部上升请求时： 3楼外部上升请求指示灯亮，若电梯处于上升状态响应此上升请求（ state（ 1 downto 0）＝ 11），或下降状态响应此上升请求（ state（ 1 downto 0）＝ 10），则当电梯停止（ run＝ 0）且停在 3楼时， 3 楼的外部上升请求指示灯灭； 若电梯处于下降状态响应下降请求时（ state（ 1 downto 0）＝ 00）， 3 楼的内部请求和 3楼的外部请求信号也可将电梯停在 3 楼，因此不能简单的通过电梯是 否停止来判断信号灯熄灭，因此电梯在这种状态下，只有当 2 楼没有外部下降信号且 12楼没有内部请求时，电梯停止（ run＝ 0）且停在 3楼， 3楼的外部上升信号指示灯才可以熄灭； 若电梯处于上升状态来响应下降请求（ state（ 1 downto 0）＝ 01）， 3 楼的外部下降请求同样可以使电梯停在三楼，因此同样不能简单的通过电梯是否停止来判断 3 楼外部上升请求指示灯的亮灭，因此电梯在这种情况的，只有当 2 楼没有外部下降请求时，电梯停止（ run＝ 0）且停在 3楼， 3楼的外部上升请求指示灯才可以熄灭。 （ 2）当 2楼有外部上升请求时 ： 同样的方法可以判断 2 楼是否有上升请求和控制指示灯的亮灭。 （ 3）当电梯有 1楼上升请求时： 1楼上升请求指示灯亮，但由于 1楼是最底层，不能往下运行，所以只要 1楼外部有上升请求时，只需要判断电梯是否到达 1楼且电梯停止运行（ run＝ 0），当响应完毕时， 1楼外部上升信号指示灯灭。 外部下降请求信号响应 外部下降请求信号有 3 个，采用逐层判断的方法，先从 4层开始判断，最后到 2 楼。 其流程图如图 所示。 基于 FAGA 的四层电梯控制系统设计 13 图 下降请求指示灯亮灭转换流程图 （ 1）当 4楼有外部下降请求时： 由于 4楼是最高层，不能往上运行，所以只要 4楼外部有上升请求时，只需要判断电梯是否到达 4楼且电梯停止运行，当响应完毕时， 4楼外部下降信号指示灯灭。 （ 2）当 3 楼有外部下降。