电梯设计文档.docx
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电梯设计文档
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电梯系统设计文档
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1.需求分析3
1.1需要实现的功能3
1.1.1UML需求分析模型3
2.设计指标4
2.1逻辑指标4
2.2非逻辑指标4
3.系统设计5
3.1总体结构描述5
3.1.1电梯分为两组，每组三个，使用的楼层为16（-1、1、--------15）层.5
3.1.2控制方式：
5
3.1.3结构模块设计：
6
3.1.4中断捕获部分：
7
3.1.5楼层信息：
7
3.1.6电梯信息：
8
3.1.7电梯调度部件:
8
3.1.8控制部件（CU）：
8
3.1.9电梯调度方案：
8
3.1.10楼层面板设置：
8
3.1.11电梯面板设置：
9
3.2算法设计9
3.2.1调度算法9
3.2.2组内控制算法11
3.2.2.1组内控制流程描述11
3.2.2.2组内控制算法流程图11
3.2.3电梯（单个）控制算法13
4.硬件实现13
4.1采用的技术路线及芯片选择14
4.2硬件实现描述14
4.2.1组内状态机描述14
4.2.2单个电梯状态机描述16
4.2.3模块描述16
4.2.4信号描述19
5.调试方案20
5.1白盒测试20
5.2黑盒测试24
5.2.1模拟界面说明24
5.2.2测试流程24
5.3测试总结25
6.任务分工25
7.体会和感想26
1.需求分析
1.1需要实现的功能
设计出一个分组电梯系统，设计的功能：
该电梯系统运用到至少九层的建筑，实现二组六个电梯的分组控制，每个组有三个电梯，组内电梯具有同时或者不同上下、等待等功能，并且保证二组之间至少有一个电梯与其他电梯不同时上下。
1.1.1UML需求分析模型
（1）
用例名称：
上楼
参与执行者：
用户、电梯
前置条件：
电梯已开启
主事件流：
1.用户按下某一组电梯的向上键；
2.如果满足用户要求，所有电梯是否全朝一方向运行，如果是则不满足用户请求转去执行5.，否则进行调度。
3.该组电梯控制中心进行调度
3.1如果按照调度算法能选出一个最佳电梯，满足用户的请求。
否则不满足用户的请求转去执行5.。
3.2被请求电梯运行到用户所在楼层停下，为用户服务。
4.用户按下所去楼层的按钮，电梯响应，上升到用户所要求楼层。
如果在运行当中有其他用户请求该电梯为其上楼服务转去执行2.。
5.结束。
辅助事件流：
4.a用户按下当前楼层以下的楼层按钮，不予响应，转入主事件流步骤4.。
后置条件：
无。
（2）
用例名称：
下楼
参与执行者：
用户、电梯
前置条件：
电梯已开启
主事件流：
1.用户按下某一个电梯的向下键；
2.如果满足用户要求，所有电梯是否全朝一方向运行，如果是则不满足用户请求转去执行5.，否则进行调度。
3.该组电梯控制中心进行调度
3.1如果按照调度算法能选出一个最佳电梯，满足用户的请求。
否则不满足用户的请求转去执行5.。
3.2被请求电梯运行到用户所在楼层停下，为用户服务。
4.用户按下所去楼层的按钮，电梯响应，下降到用户所要求楼层。
如果在运行当中有其他用户请求该电梯为其下楼服务转去执行2.。
5.结束。
辅助事件流：
4.a用户按下当前楼层以上的楼层按钮，不予响应，转入主事件流步骤4.。
后置条件：
无。
图1.1用例图
2.设计指标
2.1逻辑指标
实现一个分组电梯系统，达到1.1所要求的所有功能。
2.2非逻辑指标
工作速度：
达到目前市场同类产品平均工作速度；
系统消耗：
须符合国家电梯消耗标准；
可靠性：
达到年平均故障5次以下；
开发周期：
两个月半；
成本价格：
尽力控制在目前市场同类产品平均价格，可以略微高出。
注：
（具体市场同类产品平均工作速度和平均价格请参考市场评估报告）。
3.系统设计
3.1总体结构描述
3.1.1电梯分为两组，每组三个，使用的楼层为16（-1、1、--------15）层.
3.1.2控制方式：
使用混合控制，每组分别设置一个控制器，控制组内的电梯；组间再设置一个总的控制器，来控制组间的电梯。
控制请求到来后，先向组内的控制器发出请求，若组内可以处理，则直接发出控制信号，否则向组件控制器请求，由组间控制器发出控制信号。
图3.1控制流程图
控制结构如下图：
图3.2控制结构框图
3.1.3结构模块设计：
整个电梯控制系统由五部分构成，分别是调度部分，控制部分，中断部分，电梯信息及楼层信息部分。
系统结构框图如下图：
图3.3系统结构框图
3.1.4中断捕获部分：
它是监控楼层信息，发现有用户请求立即将请求信息给控制器CU。
用户请求有两种，向上（up），向下（down）。
结构框图如下：
图3.4中断模块的结构
3.1.5楼层信息：
用楼层状态控制字来表示，每层楼的楼层状态字共八位，前四位表示楼层的地址（Lift_Add），后四位中，第一位表示当前楼层是否有电梯（Lift_in），第二位表示是否有启动请求（Stert），第三位表示是否有向上请求（Up），第四位表示是否有向下请求（Down）。
如下图所示：
图3.5楼层状态控制字FSW（8位）
3.1.6电梯信息：
用电梯状态控制字表示，电梯状态字共24位，前四位表示电梯状态，第一位表示空闲，第二位表示向上，第三位表示向下，第四位表示等待人进出；接下来四位表示当前电梯的位置；最后十六位表示目的楼层。
如下图所示：
图3.6电梯状态控制字LSW（24位）
3.1.7电梯调度部件:
根据中断信息，电梯状态控制字LSW在本组找出最佳的响应电梯。
具体调度算法框图见后。
3.1.8控制部件（CU）：
它是整个系统的核心，它的功能是：
（a）时事监视电梯的状态变化，如发生请求，立即调度条度部件寻找响应电梯，并将结果所存到DDR中；
（b）参考另一组电梯的状态，决定是否响应用户请求；
（c）改变电梯状态控制字，以实现对电梯的控制；
（d）当处理完用户响应后，提示用户，并清除此次请求，以准备接收下次请求
3.1.9电梯调度方案：
（a）原则：
尽量优先选择空闲电梯，同时兼顾运行电梯，在二者之间权衡，选择最佳调度电梯。
（b）当电梯向一个方向运行时，只对本方向前方的请求进行应答，直到满足本方向前方无请求时，才允许对反方向的请求进行应答。
采用当前内部控制面板上有的请求,只要经过所在楼层均会立即响应.在所有内部外部请求都已完成后，电梯转入空闲状态。
3.1.10楼层面板设置：
除-1层和15层分别只有上/下按钮外，每个楼层（电梯外）的面板都有两个按钮，分别指示上楼和下楼请求。
当按下上/下按钮后，对应按钮灯亮，当按下启动按钮后，电梯关门，开始启动。
如果电梯已经到达该楼层，按钮灯熄灭。
3.1.11电梯面板设置：
每个电梯都有18个按钮，16个是目的楼层号，一个开门、一个关门。
当按下按钮后，对应按钮灯亮，如果电梯已经到达目的楼层，按钮灯熄灭。
3.2算法设计
3.2.1调度算法
通过设置一个当前偏移距离dis来调度电梯，哪个电梯偏移距离越小它越就有优势被选中。
设电梯i，dis[i]为其偏移距离，priority为电梯权重
abs[i]=|请求楼层与电梯当前所在楼层差|;
（1）电梯空闲时
dis[i]=abs[i];式[1]
（2）电梯运行时
dis[i]＝abs[i]＋priority;式[2]
通过式[1]和式[2]可以看出空闲电梯被选中的可能性高于运行电梯，即我们赋予了空闲电梯更高的优先权。
我们这样设计是为了提高整个电梯系统中电梯的使用率，同时也充分地保证了运行中的电梯响应那些它可以满足的用户请求。
调度算法通过初试一个最大的dis，以及初始化enable=0,然后去寻找最佳电梯。
（3）电梯空闲时，满足dis[i]<=dis;
dis=dis[i];
best_lift=i;
enable=1;
（4）电梯运行时，满足[电梯运行方向与请求方向相同]&&[请求楼层在电梯运行方向的前方]&&[（abs[i]＋priority）<=dis]
dis=dis[i];
best_lift=i;
enable=1;
（3）和（4）就是电梯被选中的条件，通过对一组三个电梯的逐个判断最终能选出一个最佳电梯。
如果调度不出一个电梯去满足用户的要求，则enable＝0,best_lift=0;
图3.7电梯调度算法流程图
3.2.2组内控制算法
3.2.2.1组内控制流程描述
（1）等待用户请求，
（2）将请求信息传给调度部件，等调度部件寻找最优电梯
（3）将调度结果，锁存到DDR寄存器中
（4）查看调度产生的结果有效位是否为1，如不是，不响应此次请求，并提示用户；
（5）否则，查看响应后是否造成，组内电梯通上下，如不是，相应此次请求，并提示用户；
（6）否则，查看响应后是否造成，组间六个电梯通上下，如不是，相应此次请求，并提示用户；
（7）否则，不响应此次请求并提示用户；
（8）清除此次请求，准备接收下次请求。
3.2.2.2组内控制算法流程图
图3.8组内CU控制算法图
3.2.3电梯（单个）控制算法
下面试单个电梯的控制算法，单个电梯控制器根据电梯状态字LSW，决定电梯的运行状态。
图3.9单个电梯控制算法图
4.硬件实现
4.1采用的技术路线及芯片选择
考虑到可编程逻辑器件具有如下特点：
（1）当前中等批量，需求变化快，要求具有较高性能时采用；
（2）开发周期短、灵活性高；
（3）性能、功耗、资源利用可能不是最优的；
同时也考虑到电梯系统的需求和设计指标，我们决定采用HDL硬件描述语言verilog进行电梯系统的设计和实现，整个开发过程主要在XilinxISE7.1i开发平台上进行。
通过XilinxISE7.1i综合并进行模拟后，下载到FPGA芯片。
4.2硬件实现描述
状态机描述、模块描述、信号描述
4.2.1组内状态机描述
它描述组内控制的状态。
图4.1组内控制状态图
4.2.2单个电梯状态机描述
它描述单个电梯控制的状态。
图4.2单个电梯控制状态图
4.2.3模块描述
系统共有六大模块：
分别是调度模块，控制模块，中断模块，电梯信息及楼层信息模块，还有另一组的状态模块。
图4.3模块描述图
各个模块的作用及组成，前面3.1系统结构设计中已详细说明（图四——图十），下面就系统各个模块的具体实现详细说明。
如下图：
图4.4模块实现图
具体实现时划为19个模块、分5层，各个模块的层次，如下图：
图4.5具体模块结构实现层次图
4.2.4信号描述
下面就控制状态图（图4.1），模块实现图（图4.3）中所用到的数据信号、控制信号给与描述。
Requst:
请求捕获信号，当用户在某层楼发出请求后，该位置1；
Des_floor：
目的楼层信号，给位为1时表示电梯要在给位对应的楼层停止。
Free:
表示电梯的忙闲状态，为1时表示空闲。
Wait:
表示电梯处于等待用户进出的状态。
UP：
请求类型信号，当Free=0时，UP为1时表示向上。
UPLE：
UP置1信号。
DDRLE:
寄存器DDR的使能信号，DDR是用来锁存调度部件输出结果。
Answer：
DDR的最高位，表示调度部件选择的最优电梯有效，即当Answer=1时，结果有效。
Same_in：
表示允许请求后，组内三个电梯是否状态相同，为1时表示相同。
Same_out:
表示允许请求后，所有六个电梯是否状态相同，为1时表示相同。
LSW：
楼层状态控制字（各位的具体含义见图3.5）；
FREELE：
置LSW的Free位为1的使能信号。
LSW1：
第一个电梯的状态控制字，用来表示和控制第一个电梯（各位的具体含义见图3.6）。
LSW2：
第二个电梯的状态控制字，用来表示和控制第二个电梯（各位的具体含义见图3.6）。
LSW3：
第三个电梯的状态控制字，用来表示和控制第三个电梯（各位的具体含义见图3.6）。
FILE1：
改变第一个电梯状态的使能信号。
FILE2：
改变第二个电梯状态的使能信号。
FILE3：
改变第三个电梯状态的使能信号。
Sorry：
表示系统暂时没有成功响应用户的此次请求。
Ok：
表示系统成功响应用户的此次请求。
5.调试方案
5.1白盒测试
先分别对各个模块用ModelSimSE6.0进行前仿和后仿；再对总模块进行前仿，确保各个信号与设计相符；最后对总模块进行后仿，特别注意对边沿情况进行完整的测试。
下边是部分测试代码
//*******这个模块主要测试第一组电梯**************
initialbegin
//***********************************//初始化
floor_address=3;
up_user1=1;
down_user1=1;
address_user1='h1F;
start1=1;
address_ok1=1;
reset=0;
clk=0;
//***********************输入信号*************************
#100;
reset=1;
//Addstimulushere
#320floor_address=7;up_user1=0;
#200up_user1=1;
#5000$stop（）;
address_user1='h1A;
address_ok1=0;
#100address_ok1=1;
#100
address_user1='h1E;
address_ok1=0;
#100address_ok1=1;
#50start1=0;
#100start1=1;
#5000$stop（）;
#500$stop（）;
floor_address=6;
#220up_user1=0;
#200up_user1=1;
#300
//address_user='h0E;
#5000$stop（）;
end//***********************第一组电梯测试结束****************
//*******这个模块主要测试第二组电梯**************
initialbegin
//***********************************//初始化**************
up_user2=1;
down_user2=1;
address_user2='h0F;
start2=1;
address_ok2=1;
reset=0;
clk=0;
//***********************输入信号*************************
#100;
reset=1;
//Addstimulushere
#120floor_address=5;
up_user2=0;
#200up_user2=1;
#5000$stop（）;
address_user2='h1A;
address_ok2=0;
#100address_ok2=1;
#100
address_user2='h0C;
address_ok2=0;
#100address_ok2=1;
#50start2=0;
#100start2=1;
#5000$stop（）;
#500$stop（）;
floor_address=6;
#220up_user2=0;
#200up_user2=1;
#300floor_address=4;
#220up_user2=0;
#200up_user2=1;
#5000$stop（）;
end//第二组电梯测试结束
always#20clk=~clk;
前仿波形图
后仿波形图
5.2黑盒测试
5.2.1模拟界面说明
（1）除第负一层只有向上和第十五层向下外，其余每层楼有的每一组分别有一个向上和向下的按钮，每个按钮可以用一个脉冲开关来表示，按上脉冲开关表示按下电梯按钮，表达一个请求；
（2）每个电梯内部有一个按钮面板，每个电梯按钮对应一层楼的请求，每个按钮可以用脉冲开关来表示按下否，脉冲开关按下表示按下电梯按钮，此时对应的灯会亮；
（3）每个电梯都有十六个指示灯来表示此电梯当前在哪一层。
5.2.2测试流程
（1）首先在电梯开始加电时不加请求，观察电梯是否状态稳定的停在１楼．
（2）在初态时（即所有电梯稳定的停在1楼），按下这两组电梯的向上召唤,观察所有电梯中能否有至少一个电梯不响应，仍然停在1楼,然后并撤销控制面板的请求.
（3）在电梯内控制面板上在第一组加4,5在第二组加6,7层的目的地请求,观察这每组中两个电梯能否正常暂停在这4,5层或6,7层,并撤销控制面板的请求.
（4）在行驶过4,5层后在第一组分别按下这两层的向上召唤请求,同时还在5楼按下向下召唤，观察这组剩下这个电梯是否在只响应其中第4层，并且在到达5层时能否响应5层,并且当这组在有电梯下行时能否响应5层并撤销电梯外部召唤.
（5）在第二组未到第6层的电梯运行时在电梯内控制面板加上该组第6层的请求，检查电梯是不是正常停下,并撤销控制面板的请求。
（6）在第二组未到第7层的电梯运行时按下7层的向上召唤请求,观察改组剩下的这个电梯是否能同时撤销向上的召唤，处于等待状态.
（7）下行以后,只在5楼是目的地,在它停的时候无请求,观察它是否稳定停止在5楼.
（8）待所有电梯稳定地停在一层时,分别在第9,8,7层按下第一组的向下召唤，分别在第6,5,4层按下第二组的向下召唤，看这六个电梯是否在有一个电梯不响应当前这些请求.并撤销电梯外部召唤..
5.3测试总结
通过系统详细的测试，系统的输出结果与我们的预期结果一致，系统并未出现问题，说明系统基本上是无故障的。
在我们的测试过程中，我们真切的体会到了可测性设计的重要性。
在我们最初的测试中，对硬件综合时，发现了的警告并没有重视，直到仿真不通过，后来经老师提醒后，我们修改或确认了所有的所有的警告，消除了很多隐患。
6.任务分工
6.1任务和创新
1.完成的电梯控制系统是：
两组、四个电梯、16层楼，组间确保了不同上下；
2.整个电梯的控制、工作流程，极为接近现实，方便用户使用；
3.实现了电梯的多任务、多请求工作：
组内可及时响应用户请求，一次响应允许多个用户到达不同目的楼层；
4.系统具有较强的容错能力：
单个电梯自成体系、有各自的状态控制器，还允许用户根据实际需求，取消已按的目的楼层号（即中途可改变目的地而不影响外部请求的目的地）。
5.调度算法灵活科学：
运用轮转优先级调度算法，优先级根据电梯的距离和状态确定，且距离和状态各自的权值可灵活改变。
6.运用模块化的设计思想：
整个系统共有19个模块分5层，这使得整个的设计逻辑明了、扩展容易、重用性好。
7.进行了详尽的测试：
确保设计的完整性、可靠性。
6.2分工
7.体会和感想
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