基于FPGA的电梯控制系统设计.docx

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基于FPGA的电梯控制系统设计

摘要

电梯作为现代化的产物，早在上个世纪就已经进入了人们的生活之中。

随着城市建设的不断发展，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。

目前电梯控制系统主要有三种控制方式：

继电路控制系统、FPGA/CPLD的控制系统、微机控制系统。

FPGA/CPLD控制系统由于运行可靠性高、使用维修方便、抗干扰性强、设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视，已经成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。

本文设计了一款基于FPGA的四层电梯控制系统设计。

该控制系统主要有按键输入部分、FPGA控制处理部分、显示部分、提醒部分等组成。

该控制系统以FPGA芯片EP2C5T114为核心，采用VHDL语言进行描述，采用有限状态机的设计方法完成的。

通过程序仿真调试及硬件运行，结果表明，本程序可以完成电梯运行所有按键请求输入、按键指示灯显示、楼层显示、电梯运行方向指示、关门延时、到达提醒等，电梯运行正确无误。

该设计采用模块化编程，升级可实现任意多层电梯系统，具有很强的适应性和实用性。

关键词：

VHDL，电梯控制器，FPGA，QuartusII

Abstract

Asamodernelevatorproductearlyinthelastcenturyhasenteredpeople'slives.Withthecontinuousdevelopmentofurbanconstruction,thegrowingnumberofhigh-risebuildings,theelevatorashigh-risebuildingsinaverticalrunoftransporthasbeeninextricablylinkedwithpeople'sdailylives.Currentlytherearethreemainelevatorcontrolsystemcontrol:

Followingthecircuitcontrolsystem,FPGA/CPLDcontrolsystems,computercontrolsystem.FPGA/CPLDcontrolsystemduetohighreliability,easymaintenance,stronganti-jammingdesignanddebugcycleisshorter,etc.,muchoftheattentionofpeople,hasbecomeintheelevatorcontrolsystemusingthemostcontrol.

ThispaperpresentsanFPGA-basedfour-storyelevatorcontrolsystemdesign.Thecontrolsystemhasthekeyinputsection,FPGAcontrolprocessingsection,adisplaysection,remindingpartsandothercomponents.ThecontrolsystemEP2C5T114FPGAchipasthecore,usingVHDLlanguagetodescribefinitestatemachinedesigncomplete.Simulationandhardwaredebuggingthroughtheprogramruns,theresultsshowthattheprocedurecanbecompletedwheretheelevatorbuttonsrequestinput,keyindicatordisplays,floordisplays,elevatordirections,closingdelaysetting,arrivedreminders,elevatorsruncorrectly.Thedesignismodularprogramming,upgradescanbeanymulti-elevatorsystem,hasstrongadaptabilityandpracticality.

Keywords:

VHDL,Elevatorcontroller,FPGA,QuartusII

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

随高层楼宇的增加，电梯越来越普遍的走进了人们的生活，对人们的生活的影响也越来越大。

为了让电梯更好的服务人们，各种电梯新技术不断地发展起来。

随着人们生活水平的不断提高，经济的快速发展和生产生活的需要，城市高层建筑如雨后春笋拔地而起。

与此相应，作为一种可以垂直升降运输的工具——电梯也得到迅猛的发展。

现在，电梯已完全融入我们的生活、工作及学习中，人们越来越离不开它。

因此，它的安全可靠性、迅速准确性、舒适性，对人们来说都是非常重要的。

为了确保电梯正常运行、安全使用，一般电梯都有专业的维修管理人员。

他们必须对电梯原理、性能、特点、控制、运行做出全面认识和掌握，才能做到对电梯的正确使用、管理及维护。

根据我国有关部门的规定，电梯作业属于特种作业，其作业人员必须经过专门培训，并经理论考试和实践考核合格后，发给《特种作业操作证》方可上岗操作。

同时，对电梯操作人员定期考核，让他们定期参加安全技术学习，扎扎实实地做好电梯维护和保养工作，才能使人们平安长久的使用电梯。

电梯控制系统是一个相当复杂的逻辑控制系统．系统要同时对几百个信号进行接收、处理。

由于用户对电梯功能的要求不断提高．其相应控制方式也在不断发生变化。

随着EDA技术的快速发展．基于FPGA的微机化控制已广泛应用于电梯电路设计与控制的各个方面。

1.2国内外状况的研究

1.2.1国内电梯的状况 

随着我国城乡居民生活水平的不断提高,住宅和一般公共建筑内,空调和电梯成为最大的两只“电老虎”。

据测算,在冬夏两季,建筑中空调的能耗一般占整个建筑能耗的50%,因此控制空调温度、使用节能空调,对降低建筑能耗起着至关重要的作用。

与此同时,电梯的耗能不容忽视,据了解,目前我国星级酒店每年每平方米耗电量为150度,其中将近一半用于电梯。

中国电梯行业协会认为,2005年我国所有电梯中,如果80%采用节能电梯,全年可节电122亿度。

如果2015年全部采用节能电梯,将节电800亿度,几乎相当于三峡大坝一年的发电量。

在国内电梯领域享有盛誉,率先倡导并推进环保节能电梯的杭州西子奥的斯电梯有限公司，是国内最早敏锐察觉未来电梯发展方向,大力推进科技创新,并取得多项成就的高科技企业。

西子奥的斯电梯相关负责人表示:

“目前,我国电梯行业的节能电梯生产能力已达到相当规模,尤其主要品牌的节能电梯技术,也已经达到国际领先水平。

然而,在实际应用中,节能电梯的普及率还很低。

根据中国电梯行业协会公布的数字,目前中国电梯的载用量在77万台左右,其中节能电梯不足5%。

从长远看,发展绿色节能电梯,既是实现可持续发展的需要,也是节约社会能源、保护周边环境的需要。

1.2.2 国外电梯的状况 

当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。

在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。

世界上有名的几家电梯公司，诸如:

美国奥梯斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世界市场的51%。

其中，奥梯斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。

目前，国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。

此外，家用小型电梯将成为电梯家族中新的组成部分。

电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。

而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。

事实上，己经在电梯上采用了多项安全保护措施。

在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。

然而，只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面电子商务资料库保证电梯的最终高质量。

在国外己"法规"实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队和维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。

因此，可以说乘坐电梯更安全。

美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是:

乘电梯比走楼梯安全5倍。

据资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次，而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。

1.3本章小结

通过本章的介绍，明确了这次设计的背景与意义，以及国内外的研究状况等，有助于在后来的设计中对方案做出更好的选择。

第2章EDA的介绍

EDA在通信行业（电信）里的另一个解释是企业数据架构，EDA给出了一个企业级的数据架构的总体视图，并按照电信企业的特征，进行了框架和层级的划分。

EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。

2.1EDA技术的简介

20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。

在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。

这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。

这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。

EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至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。

EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强。

利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。

包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。

目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。

例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。

EDA技术有以下特点：

（1）高层综合和优化

为了能更好地支持自顶向下的设计方法，现代的EDA工具能够在系统进行综合和优化，这样就缩短了设计的周期，提高了设计效率。

（2）采用硬件描述语言进行设计

采用硬件描述语言进行电路与系统的描述是当前EDA技术的另一个特征。

与传统的原理图设计方法相比，HDL语言更适合描述规模大的数字系统，它能够使设计者在比较抽象的层次上对所设计系统的结构和逻辑功能进行描述。

采用HDL语言设计的突出优点是：

语言的公开性和利用性；设计与工艺的无关性；宽

度范围的描述能力；便于组织大规模系统的设计；便于设计的复用，交流，保存和修改等。

目前最常用的硬件描述语言有VHDL和VerilogHDL,它