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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。
本设计语言采用VHDL,源程序Xilinx公司的ISE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7个状态,分别是“dooropen”“doorclose”“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判定下一状态。
信号灯控制进程中,信号灯存储按键请求情况,它的熄灭是由状态机进程中传出的信号来控制。
关键字:
电梯控制器;
VHDL;
FPGA
Abstract
Elevatorhasbecomeanindispensabledeviceasaverticaltransportinhigh-risebuildingsandpublicplaces.Chinaistheworld’slargestelevatormarket,andalsohasthehighestliftcapacity.Butthelackofindependentintellectualpropertyrightsandcoretechnologies,themarketshareofownbrandsaccountforverylittle.Withthechangingofthecommunity’sneeds,elevatordeveloptowardsenergysaving,environmentalprotectionandintelligent.
ThisdesignwhichusesVHDLsimulatedbyXilinx’sISEsoftware.Iusemethodnamedfinitestatemachinewhichtwoprocessescomplementeachother.Thestatemachineprocessactasthemainprocess,andthesignalcontrolprocessactasaassistant.Sevenstatesweredefinedinthemainprocess,namely“stopon1”“dooropen”“doorclose”“doorwait4”“up”“down”and“stop”.Triggeredbythelift’sclock,thenextstateisdeterminedbythecurrentstateandthesignal.Insignalcontrolprocess,registerskeepinputvalue,andlampsblackoutwhenthecontrolprocess,registerskeepinputvalue,andlampsblackoutwhenthecontrolsignalinthemainprocessishighvalue.
Keywords:
ElevatorController;
VHDLStateMachine;
FPGA
一、VHDL与ISE简介
1.1VHDL语言介绍
1.1.1VHDL语言特点介绍
VHDL作为一个规范语言和建模语言,具有很强的电路描述和建模能力,能从多个层次对数字系统进行建模和描述,从而大大简化了硬件设计任务,提高了设计效率和可靠性。
VHDL具有以下几方面的特点:
功能强大:
VHDL具有功能强大的语言结构。
它可以用明确的代码描述复杂的控制逻辑设计。
并且具有多层次的设计描述功能,支持设计库和可重复使用的元件生成。
可移植性:
VHDL语言是一个标准语言,其设计描述可以为不同的EDA工具支持。
独立性:
VHDL的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关。
可操作性:
由于VHDL具有类属描述语句和子程序调用等功能,对于已完成的设计,在不改变源程序的条件下,只需改变端口类属参量或函数,就能轻易地改变设计的规模和结构。
灵活性:
VHDL最初是作为一种仿真标准格式出现的,有着丰富的仿真语句和库函数。
使其在任何大系统的设计中,随时可对设计进行仿真模拟。
1.1.2VHDL的设计步骤
采用VHDL的系统设计,一般有以下6个步骤。
(1)要求的功能模块划分;
(2)VHDL的设计描述(设计输入);
(3)代码仿真模拟(前仿真);
(4)计综合、优化和布局布线;
(5)布局布线后的仿真模拟(后仿真);
(6)设计的实现(下载到目标器件)。
1.1.3VHDL语言编程格式
1、一个完整的VHDL程序是以下五部分组成的:
库(LIBRARY):
储存预先已经写好的程序和数据的集合。
程序包(PACKAGE):
声明在设计中将用到的常数、数据类型、元件及子程序。
实体(ENTITY):
声明到其他实体或其他设计的接口,即定义本定义的输入输出端口。
构造体(ARCHITECTUR):
定义实体的实现。
电路的具体描述配置(CONFIGURATION):
一个实体可以有多个构造体,可以通过配置来为实体选择其中一个构造体。
2、实体
实体(ENTITY)是VHDL设计中最其本的组成部分之一(另一个是结构体),VHDL表达的所有设计均与实体有关。
实体类似于原理图中的一个部件符号,它并不描述设计的具体功能,只是定义所需的全部输入/输出信号。
实体格式如下:
ENTITY
实体名
IS
[GENERIC(常数名:
数据类型[:
设定值])]
类属说明
PORT
端口说明
(端口信号名1;
模式类型;
端口信号名2:
端口信号名3:
模式
类型;
端口信号名4:
类型)语句或常量定义申
明实体语句
END
实体名;
(3)结构体
所有能被仿真的实体都由结构体(ARCHITECTURE)描述,即结构体描述实体的结构或行为,一个实体可以有多个结构体,每个结构体分别代表该实体功能的不同实现方案。
结构体格式:
ARCHITECTURE
结构体名
OF
实体名
[定义语句(元件例化);
]
BEGIN
并行处理语句;
结构体名;
1.2ISE概述
ISE的全称为IntegratedSoftwareEnvironment,即“集成软件环境”,是Xilinx公司的硬件设计工具。
相对容易使用的、首屈一指的PLD设计环境。
ISE将先进的技术与灵活性、易使用性的图形界面结合在一起,不管您的经验如何,都让您在最短的时间,以最少的努力,达到最佳的硬件设计。
功能及作用:
1、设计输入
ISE软件提供的设计输入工具包括用于HDL代码输入和报告查看的ISE文本编辑器(TextEditor),用于原理图编辑的工具ECS(EngineeringCaptureSystem),
用于PCORE的COREGenerator,用于状态机设计的StateCAD,以及用于约束文件编辑的ConstraintEditor等。
2、综合
ISE的综合工具不但包括了Xilinx自身提供的综合工具xsr,同时还可以集成MentorGraphics公司的LeonardoSpectrum和Synplicity公司的Synplify
3、仿真
ISE本身自带了图形化波形编辑功能的仿真工具HDLBencher,同时又提供了使用ModelTechnology公司的ModelSim进行仿真的接口。
4、实现
ISE的实现功能包括了翻译(Translate)、映射(Map)、布局布线(PlaceandRoute)等。
5、下载
下载功能包括了BitGen,用于将布局布线后的设计文件转换为比特流(Bitstream)文件。
还包括了iMPACT功能,用于进行设备配置和通信,控制将程序烧写到FPGA芯片中去。
二、总体方案设计
2.1设计要求
1、设计一个6层楼的电梯控制器。
2、该控制器可控制电梯完成6层楼的载客服而且遵循方向优先原则,并能响应提前关门延时关门,并具有超载报警和故障报警;
3、同时指示电梯运行情况和电梯内外请求信息。
2.2方案论证
1、内部请求优先控制方式
内部请求优先控制方式类似于出租车的工作方式,先将车上的人送至目的地,再去载客。
作为通用型电梯应该服务于大多数人,必须考虑电梯对内、外请求的响应率P:
Pin=100%;
Pout=0~100%;
在内部请求优先控制方式中,当电梯外部人的请求和电梯内部人的请求冲突时,外部人的请求信号可能被长时间忽略,因而它不能作为通用型电梯的设计方案。
2、单向层层停控制方式
单向层层停控制方式等同于火车的运行方式,遇站即停止、开门。
这种方案的优点在于“面面俱到”,可以保证所有人的请求都能得到响应。
缺点是:
效率低,能耗高,时间长。
3、方向优先控制方式
此方式是指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梯内乘客下电梯的请求,这些请求信号由下而上逐个执行,直到最后一个请求信号执行完毕。
优点是效率高,对用户响应为100%,时间段,节省能源。
综上所述:
本次设计中电梯控制方式选择为方向优先控制方式。
2.4电梯控制器的总体设计方案
控制器的功能模块如图2.1所示,包括主控制器、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。
由于其他模块相对简单很多,所以主控制器是核心部分。
图2.1电梯控制器功能模块
电梯控制器运用状态机的设计方法,思路比较清晰。
可以将电梯等待的每秒钟以及开门、关门都看成一个独立的状态。
根据电梯的实际工作情况,可以把状态机设置成“电梯停留在第1层”、“开门”、“关门”、“开门等待”、“上升”、“下降”和“停止状态”、“故障”等不同状态。
各个状态之间的转换条件可由上面的设计要求所决定。
各状态机之间转换图如图2.2所示:
图2.2电梯控制状态流程图
2.5电梯控制器模块设计
图2.3系统组成
根据设计要求,各模块设计为:
1.外部数据高速采集模块设计
2.信号存储模块
3.基于FPGA的中央处理模块
4.信号的输出、显示模块
2.5.1外部数据高速采集模块设计
对外部信号采集、处理要求电梯控制器:
(1)外部请求信号的实时、准确采集;
(2)准确、实时的捕捉楼层到达信号;
(3)有效的防止楼层到达信号、外部请求信号的误判。
控制器采用FPGA作为系统控制的核心,系统时钟频率是32.0000MHz,完全可以满足实时采集数据的要求。
由于电路中毛刺现象的存在,信号的纯净度降低,单个的毛刺往往被误作为系统状态转换的触发信号,严重影响电梯的正常工作。
可以采用多次检测的方法解决这个问题,对一个信号进行多次采样以保证信号的可信度。
外部请求信号的输入形式为按键输入,到达楼层信号来自光敏传感器,关门中断信号及超载信号则产生于压力传感器。
键盘、光敏外部输入接口电路未设计。
2.5.2信号存储模块
电梯控制器的请求输入信号有18个(电梯外有6个上升请求和6个下降请求的用户输入断口,电梯内有6个请求用户输入断口),由于系统对内、外请求没有设置优先级,各楼层的内、外请求信号被采集后可先进行运算,再存到存储器内。
电梯运行过程中,由于用户的请求信号的输入是离散的,而且系统对请求的响应也是离散的,因此请求信号的存储要求新的请求信号不能覆盖原来的请求信号,只有响应动作完成后才能清除存储器内对应的请求信号位。
2.5.3基于FPGA的中央处理模块
中央数据处理模块是系统的核心,通过对存储的数据(含请求、到达楼层等信号)进行比较、判断以驱动系统状态的流转。
电梯工作过程中共有9种状态:
等待、上升、下降、开门、关门、停止、休眠、超载报警以及故障报警状态。
一般情况下,电梯工作起始点是第一层,起始状态是等待状态,启动条件是收到上升请求。
超载状态时电梯关门动作取消,同时发出警报,直到警报被清除;
故障时电梯不执行关门动作,同时发出警报,直到警报被清除(看门狗信号有效的条件是一层楼连续发生关门中断情况超过3次)。
本系统由请求信号启动,运行中每检测到一个到达楼层信号,就将信号存储器的请求信号和楼层状态信号进行比较,再参考原方向信号来决定是否停止,转向等动作。
2.5.4信号的输出、显示模块
本系统的输出信号有两种:
一种是电机的升降控制信号(两位)和开门/关门控制信号;
另一种是面向用户的提示信号(含楼层显示、方向显示、已接受请求显示等)。
电机的控制信号一般需要两位,本系统中电机有3种工作状态:
正转、反转和停转状态。
两位控制信号作为一个三路开关的选通信号,此三路开关选用模拟电子开关。
系统的显示输出包括数码管楼层显示、数码管请求信号显示和表征运动方向的箭头形指示灯的开关信号。
图2.4电梯控制运行流程图
三、程序设计及波形仿真
3.1程序流程分析
电梯的运行规则确立后,需对整个控制程序的设计作一个流程规范。
对程序进行模块化构思。
根据VHDL语言的规则,程序必须由最基本的实体和结构体构成。
实体对控制器的端口进行定义,结构体对各端口的行为进行描述。
因此程序运行需经过以下流程:
VHDL库调用;
确立控制器的端口及相关的寄存器;
根据电梯运行规则,设计相关运行描述;
对电梯内外信号进行处理。
具体流程图如图3.1所示。
图3.1流程图
3.1.1端口、寄存器设计说明
(1)由功能要求得到本程序设计的端口必须包括:
输入端口:
时钟(clk,频率为2Hz)、超载(full)、关门中断(deng)、提前关门(quick)、清除报警(clr)、电梯外人的上升请求信号(c_u1,c_u2,c_u3,,c_u4,c_u5)、电梯外人的下降请求信号(c_d2,c_d3,c_d4,c_d5,c_d6)、电梯内人的请求信号(d1,d2,d3,d4,d5,d6)、到达楼层信号(g1,g2,g3,g4,g5,g6)。
输出端口:
电梯门控制信号(door)、电梯所在楼层显示(led)电梯外人上升请求信号显示(led_c_u)、电梯外人下降请求信号显示(led_c_d)、电梯内请求信号显示(led_d)、看门狗报警信号(wahaha)、电梯运动方向显示(ud)、超载警告信号(alarm)、电机控制信号(up,down)。
图3.2电梯端口分布图
(2)程序要求的寄存器(中间信号)包括:
电梯内人请求信号寄存信号(d11,d22,d33,d44,d55,d66);
电梯外人上升请求信号寄存信号(c_u11,c_u22,c_u33,c_u44,c_u55);
电梯外人下降请求信号寄存信号(c_d22,c_d33,c_d44,c_d55,c_d66);
分频信号、关门延时计数器、看门狗计数器(q,q1,q2);
电梯内外请求信号寄存器(dd,cc_u,cc_d,dd_cc);
开门使能信号(opendoor);
电梯运动方向信号寄存器(updown);
预备上升、预备下降预操作使能信号(en_up,en_dw)。
3.1.2程序调试及引脚锁定
(1)建立好工作目录,以便设计工程项目的存储,打开ISE软件,
(2)在工具栏中选择“新建”按钮。
选择“NewProject>
VHDLMoudle”
(3)在文本输入界面内进行程序输入,如图3.3所示
图3.3
(4)
输入保存以后,对程序进行编译。
若有错误则修改程序重新编译。
进行编译后的总结报告如图3.4所示:
图3.4
3.2波形仿真
(1)编译完成后,会自动弹出Modelsim波形仿真界面;
(2)根据程序对端口的定义,对输入端口进行初始化;
(3)创立输入波形。
对程序进行仿真,观察输出信号,得出结论。
3.2.1电梯功能实现与仿真结果分析
1、设置输入
图3.2.1设计好的输入波形
2、结果分析
以下将以“电梯停在一楼时,接受到请求信号c_d2、c_d3、c_u4和d6”为例,分析操作这些请求信号完成的过程,并在电梯运行到四楼时对超载报警、提前关门、延时关门、故障报警进行仿真分析。
1.电梯停在一楼时,接受到请求信号c_d3、c_d2、c_u4和d6,并把请求信号写入相应的寄存器。
led显示电梯所在楼层;
led_d、led-c_u和led_c_d显示用户的请求。
2.电梯经过准备上升状态后,进入上升状态,到达2楼,3楼时,不停继续前进。
3.电梯上升到4楼时,响应请求(c_u4),开门载客;
进入预备上升状态。
图3.2.2电梯控制程序仿真局部放大图2
注:
led_d、led-c_u和led_c_d显示用户的请求
从上图可以看出:
1.电梯从1楼上升到6楼时,响应请求(d_3),开门卸客;
继续上升。
2.电梯到达二楼,响应请求开门卸客
图3.2.3电梯控制程序仿真局部放大图3
1、电梯到达6楼,进入预备下降状态,并开始下降;
2、电梯到达3楼,电梯应超载信号(full=‘1’),发出超载警报alarm;
超载信号消失
(full=‘0’),电梯重新进入预备下降状态。
图3.2.4电梯控制程序仿真局部放大图4
1、电梯接受到提前关门信号quick,电梯跳过关门等待时间。
仿真图中q1从1跳到3;
进入关门状态。
2、电梯接受到deng、c_d3和d3电梯重新进入预备下降状态,并且c_d3和d3信号都可以对q2(q2<
3时)进行清零处理。
3、当连续的关门中断的次数超过3次时,不认为是出自乘客的需要,而认为是故障,并报警,等技术员处理完故障时,用clr信号才可以清除报警。
4、电梯排除故障后继续运行,电梯执行完所有请求时电梯将停在1楼待机。
四、设计总结
4.1可行性分析
电梯控制器系统设计已经全部完成,基本实现了预期效果,实现了电梯按预定运行规则上升、下降、载客等功能,并设计了提前关门功能,使电梯运行更便捷,设计了关门延时功能、超载报警功能、故障报警功能,使电梯运行更加安全更加可靠。
在本设计中,因为考虑了扩展性,所以在信号定义的时候就使用了二进制的向量,而不是整数。
在设计方法上也做了特殊的设计,所以使得扩展性较好。
如果要实现n层电梯的控制,首先在端口的地方就要加入所有的按键,而指示灯只要把向量中的6改成n就可以了。
在本设计过程中还需要改进的地方有,电梯运行规则的优化(如设计闲时忙时控制规则)、电梯运行速度的控制、设计更多的报警功能等。
电梯控制系统的设计中体现了VHDL覆盖面是如此的广,描述能力强,是一个多层次的硬件描述语言及运行速度快,使用方便,便于修改,设计简单等特点。
本设计在实用方面和参考方面具有一定的价值。
4.2总结
经过本次课程设计,我对电梯控制系统的工作原理有了深入认识,学会了对ISE电路仿真设计。
经过一个学期的FPGA课程的学习,通过在图书馆查阅有关资料,了解了电梯的起源和发展过程,并且加深了对电梯运行过程、控制系统的认识,熟悉了FPGA在电梯控制系统中的运用。
并且在所学知识的基础上,利用己有的电梯控制系统的设计,尝试了对电梯控制系统的研究。
并且,使我将原来所学的知识系统化、理论化、实用化,对如何使用己有知识及获取相关资料方面的能力又有了提高。
通过这次设计,我还认识到无论做什么,都需要踏实,勤奋,严谨的工作态度,这对我以后的工作将会产生深远的影响。
设计达到了预定的设计目的,完成了电梯控制器的基本功能和达到了基本的技术指标。
利用FPGA实现了对电梯的控制,通过合理的设备选型、参数设置和软件设计,提高了电梯运行的可靠性。
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ISE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。
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附录
电梯程序:
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
u
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