基于SOPC的全自动电梯控制器设计【毕业论文】.doc

1、毕业论文 文客久久 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 基于 SOPC 的全自动电梯控制器设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电子信息工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 文客久久 基于 SOPC 的全自动电梯控制器设计 摘要 随着时代的发展，电梯在当今这个现代化社会中发挥着越来越重要的作用，无论是在人们的生活中还是工作中，处处都有电梯的存在。而现在的电梯设计越来越趋向于智能化和功能全面化，务求更好的为人们服务。 EDA，全称 Electronic Design Automation，即为电子设计自动化。这种电子设计自动化以可编程逻辑器件 PLD 为载体，以计算机为工作平台

2、，以 EDA工具软件为开发环境，以硬件描述语言 HDL 为电子系统功能的描述方式，以电子系统设计为应用方向。 EDA 技术经过几十年的发展，现在已经成为电子系统设计者设计电子系统的重要工具。本 文 将 从现代 化 信息社会的现状、需 求以 及未来的发 展 趋势出发 ， 对 EDA 这一目前 十分流行的电子设计技术中的核心技术 VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language， 超高速硬件描述语言 )语言进行了 较为 深入的研究 探索。本次设计以完成 10 层的电梯控制器为主要目的，而学习 VHDL 语言和

3、 Quartus 软件则是本次设计的必要内容。在设计程序的过程中去体会 VHDL 语言与其他语言相比较显现出来的特点和优点。在运行调试程序的过程中去不断掌握 Quartus 软件的操作方法和不同的功能。最后再对由仿真得到的波形进行适当的分析。 关键词 ： 电梯； EDA 技术： VHDL 语言；电梯控制器；仿真。 毕业论文 文客久久 Abstract With the development of the times, the elevator in modern society is playing an increasingly important role, whether in the

4、 peoples life and work, have elevators presence. And now the elevator design tends to be more intelligent, to serve the people better. EDA ( Electronic Design Automation ) is an electronic design automation, with programmable logic device PLD as the carrier, to the computer as the working platform,

5、with the EDA tool software, with HDL hardware description language for the electronic system function description, to the electronic system design for the application of direction of electronic design automation, has become the electronic the system designer to complete the important tool of electro

6、nic system design. This article from the modern information society status, the need and the future development trend of starting, on the EDA currently very popular electronic design technology in the core technology - VHDL ( very high speed hardware description language ) language is studied to exp

7、lore. This article describes the VHDL language and the basic characteristics, discusses the VHDL language in EDA advantages, introduces the VHDL language based on the10 elevator controller design, and the integrated circuit simulation. The design using EDA technology to design the10 elevator control

8、ler, the controller to follow the direction of the principle of priority, providing passenger service floor users and directs the operation of elevators. The design of the VHDL language digital circuit design method and VHDL language in digital circuit design simulation plays an important role, has

9、given the elevator controller timing simulation waveform. The simulation results show that the VHDL language applied in digital circuit simulation is feasible. Key words: Elevator; EDA; VHDL language; elevator control; simulation. 毕业论文 文客久久 目录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 EDA 的概述及简介 . 2 1.2 本设计使用的硬件描述语言

10、VHDL . 4 1.2.1 VHDL 简介 . 4 1.2.2 VHDL 语言开发 . 5 1.3 本设计使用 SOPC 简介 . 6 第 2 章 电梯控制器的系统设计 . 9 2.1 全自动电梯发展概况 . 9 2.2 电梯设计的要求 . 9 2.3 电梯控制器系统组成及模块设计 . 10 2.3.1 系统组成 . 10 2.3.2 模块设计 . 10 2.4 电梯控制器系统的功能设计 . 10 2.4.1 主控制器的功能 . 10 2.4.2 分控制器的功能 . 11 2.4.3 电梯控制器的有效请求原则 . 11 2.5 电梯控制器系统设计 . 11 第 3 章 电梯控制器的语言实现

11、. 12 3.1 底层模块 . 12 3.1.1 电梯控制计时模块实现电路图及仿真波形 . 12 3.1.2 分控制器模块实现电路图及仿真波形 . 14 3.2 顶层模块 . 15 3.3 电梯控制器程序总体实现及仿真 . 18 第 4 章 下载到 SOPC 板实现联调 . 20 4.1 SOPC 开发板的设置和引脚锁定 . 20 4.2 SignaltapII 编译与最终成果展示 . 22 结论 . 25 致谢 . 26 参考文献 . 27 毕业论文 文客久久 附录 . 28 毕业论文 文客久久 前言 一般传统的电梯控制器是由单片机设 计的，这样设计出来的控制器不仅电路复杂，而且有时还性能不

12、稳。考虑到这些缺点，本次设计选用了 FPGA 来设计电梯控制器。这样设计出来的电梯控制器是以 FPGA 为核心模块的。本次设计选用 VHDL 语言来描述各模块的功能，在Quartus 软件上进行编译调试和综合仿真，得到电梯控制器的功能仿真波形和时序仿真波形。将 SOPC 开发板与电脑连接在一起，将设计文件下载到芯片中，得到 SOPC 开发板的成果图波形。 毕业论文 文客久久 第 1 章 绪论 1.1 EDA 的概述及简介 EDA 技术不是孤 立发展的，它的发展是与计算机、集成电路、电子系统设计的发展紧密联系，同时进行的。到目前为止，短短的几十年， EDA 就得到了快速的发展。 EDA 技术有三

13、个发展阶段： 20 世纪 70 年代，称为 CAD 阶段 (Computer Assist Design,计算机辅助设计 )； 20 世纪 80 年代，称为 CAE 阶段 (Computer Assist Engineering Design,计算机辅助工程设计 )； 20 世纪 90 年代 ,才正式称为 EDA 阶段 (Electronic Design Automation，电子设计自动化 )。 现在已经是 21 世纪， EDA 更不会停止发展的脚步。不久的将来， EDA 技术将会突破电子设计领域的范畴，进入到其他领域，开拓出更多新的功能。随着 VHDL 语言自顶向下这一设计理念的确立与发

14、展，软硬核功能库的建立和基于 EDA的 SOC(单片系统 )设计技术的发展，未来，设计和规划电子系统将不再只有电子系统设计师能做了，将有越来越多的人能掌握到这个技术了。有专家认为， EDA 技术将在 21 世纪得到快速发展，并且 EDA 技术将对 21 世纪产生重大影响。 由于 EDA 技术是一门迅速发展的新技术，它所涉及到的东西非常多，所以对于究竟什 么是 EDA 目前还没有形成比较统一的看法。有人认为， EDA 技术可以分为广义的 EDA 技术和狭义的 EDA 技术。广义的 EDA 技术，就是在狭义的 EDA 技术的基础上，还包括了计算机辅助分析CAA 技术 (如 PSPICE， EWB，

15、 MATLAB 等 )，印刷电路板计算机辅助设计 PCB-CAD 技术 (如 PROTEL，ORCAD 等 )。但是 CAA 技术和 PCB-CAD 技术并没有具备逻辑综合和逻辑适配的功能，因此它们并不能真正意义上的被称为 EDA 技术。所以对于广义的 EDA 技术更加合适的称呼是现代电子设计技术。而狭义的 EDA 技术就非常明确了，就 是指以大规模可编程逻辑器件作为设计载体，以硬件描述语言作为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统作为设计工具的一项技术。它能通过相关的开发软件（如 Quartus 软件），自动完成许多工作，比如用软件方式设计的电子系

16、统到硬件系统的逻辑化简、逻辑编译、逻辑分割、逻辑布局布线、逻辑仿真、逻辑综合和优化，直至对于所选的特定目标芯片的编程下载、逻辑映射、适配编译等，最终形成了集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术，或称为 IES/ASIC 自动设计技术。 利用 EDA技术 (特指 IES/ASIC自动设计技术 )来对电子系统进行设计，具有以下几个特点：可以用软件的方式去设计硬件，使硬件设计的操作容易很多； 相关的开发软件可以自动完成由用软件的方式设计的系统到硬件系统的转变，简单方便； 设计的过程中可以用相关软件进行各种仿真，可以快速知道仿真结果，便于修改； 系统可以现场编程，在线升级； 整个系统可以集成在一个芯片

17、上，这样做不仅使体积大大减小，便于携带，而且降低了功耗低，并大幅提高了可靠性； 从以前的组合设计转向真正的自由设计； 这样设计提高效率，使移植性更好； 这种技术非常 适合团体分工合作。因此， EDA 技术就是现代电子设计未来的发展走向了。 学习 EDA 技术要系统地掌握以下四方面的内容，括号里的内容为本次设计所用的：实验开发系统（ SOPC 开发板）；软件开发工具（ Quartus 9.1 软件）；硬件描述语言（ VHDL语言）；大规模可编程逻辑器件（ FPGA）。实验开发系统就是一个工具，它能利用 EDA 技术毕业论文 文客久久 进行电子系统设计的下载和硬件验证。软件开发工具就是利用 EDA

18、 技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具，它可以自动完成很多工作，如编译调试仿真等。硬件描述语言就是利用 EDA 技术进行电子系统设计的主要表达方式。大规模可编程逻辑器件就是一种利用 EDA技术进行电子系统设计时的载体。 下面简单介绍一下 EDA 技术的主要内容。可编程逻辑器件 (简称 PLD， Programmable Logic Devices)是一种由用户编程来实现某种逻辑功能的新型的逻辑器件。目前主要使用的有 CPLD和 FPGA 两种器件。 CPLD 是复杂可编程逻辑器件（ Complex Programmable Logic Devices）的简称， FPGA 是现场可编程门

19、阵列（ Field Programmable Gate Array）的简称。如今， FPGA和 CPLD 器件的应用已经非常广泛。它们也将随着 EDA 技术的发展而成为电子设计领域的重要角色。尤其是 FPGA 的发展尤为迅速，现在已经超越 CPLD，迈入成熟期。主要是因为其规模较大，大大拓展了可编程逻辑器件 PLD 应用领域。 CPLD（ Complex Programmable Logic Devices，复杂可编程逻辑器件）在结构上主要有三个部分：可编程内部连线，可编程输入 /输出单元和可编程逻辑宏单元。 FPGA（ Field Programmable Gate Array，现场可编程门

20、阵 列） 在结构上主要有三个部分：可编程连线，可编程输入 /输出单元和可编程逻辑单元。 FPGA 和 CPLD 的最明显特点就是速度快，可靠性高和集成度高。它的时钟延时可以小至ns（纳秒）级。所以在超高速应用领域和实时测控方面的应用前景非常广阔。在高可靠应用领域，如果设计正确，就不会存在类似于 MCU 的复位不可靠和 PC 的可能跑飞等问题。 FPGA 和CPLD 的可靠性高还表现在几乎可以将整个系统下载到同一个芯片中，从而使体积缩小，方便屏蔽和管理，这也是集成度高的重要表现。 对于一个开发项目，究竟是选择 FPGA 还是选择 CPLD 呢 ? 主要还是要看开发项目本身的需要。如果逻辑设计、

21、ASIC 设计，或单片系统设计规模较大，则大多数采用 FPGA。而对于规模普通，且产量不是很大的产品项目，则通常使用 CPLD 比较好。另外，由于 FPGA 掉电后会丢失原有的逻辑信息，所以在实际应用中必须要为 FPGA 芯片配置一个专用 ROM。 在 EDA 技术中，常用的硬件描述语言有 VHDL、 Verilog 和 ABEL 语言。由于本次设计使用的是 VHDL 语言，后面会单独列一章详细介绍，这里只作简单介绍。 VHDL 起源于美国国防部的VHSIC， Verilog 起源于集成电路的设计， ABEL 则起源于可编程逻辑器件的设计。下面来比较这三种语言。 在设计要求上， Verilog

22、 和 ABEL 语言进行电子系统设计时需要了解电路的结构细节，设计者需要做大量的工作。而 VHDL 进行电子系统设计时，设计者可以不了解电路的结构细节，所做的工作比较少； 在逻辑描述层次时，一般的硬件描述语言可以在三个层次上进行电路描述，这三种层次由高到低分别为门电路级， RTL 级和行为级。 Verilog 语言和 ABEL 语言是一种较低级的描述语言，比较适用于 RTL 级和门电路级的描述，最适用于描述门级电路。而 VHDL 语言是一种高级描述语 言，适用于行为级和 RTL 级的描述，最适用于描述电路的行为。 在做综合过程时，这三种语言中任何一种语言的源程序，如果要被布线器或者适配器所接受

23、，则都要最终转换成门电路级。因此， Verilog 语言和 ABEL 语言源程序的综合过程就比较简单了，只要经过 RTL 级门电路级的转化就可以，易于控制电路资源。而 VHDL 语言源程序的综合就比较复杂，通常要经过行为级 RTL 级门电路级的转化， VHDL 几乎不能直接控制门电路的生成。 毕业论文 文客久久 这三种语言对综合器的要求也各有不同。 Verilog 和 ABEL 对综合器性能的要求比较低。而 VHDL 描述语言层次较高，不易控制底层电路，因而对综合器性能的要求比较高。 在 EDA 工具的支持方面，支持 VHDL 和 Verilog 的 EDA 工具很多，但支持 ABEL 的综合

24、器仅仅 Dataio 一家。 在语言的国际化程度上， VHDL 和 Verilog 已经成为了 IEEE 标准，而 ABEL 正在朝着国际化标准努力。有专家认为，在新世纪中， VHDL 与 Verilog 语言将承担几乎全部的数字系统设计任务。 由于所选用的 EDA 工具软件的某些性能受局限或不够好，所以在基于 EDA 技术的实际开发设计中，为了使自己的设计整体性能达到最佳，往往需要使用 第三方工具。目前业界最流行的第三方 EDA 工具有仿真功能最强大的 ModelSim 和逻辑综合性能最好的 Synplify。但是本次设计均未用到，所以不再详细介绍。 随着 EDA 技术的深入发展和 EDA

25、技术的软硬件性能价格比的不断提高， EDA 技术的应用将向深度和广度两个方面发展。根据基于 EDA 技术所开发的产品中的最终主要硬件构成来区分， EDA 技术的应用发展将主要表现为以下六种形式： FPGA /CPLD 系统，“ FPGA /CPLD +MCU”系统，“ FPGA /CPLD +专用 DSP 处理器”系统，基于 FPGA 实现的 SOC 片上系统，基于 FPGA 实现的现代 DSP 系统和基于 FPGA 实现的嵌入式系统。朝 FPGA /CPLD 系统方向发展就是使用 EDA技术开发 FPGA /CPLD，使自行开发的 FPGA /CPLD 作为电子系统、控制系统、信息处理系统的

26、主体。朝“ FPGA /CPLD +MCU”系统方向发展就是使用 EDA 技术与单片机相接结合，使自行开发的 CPLD/FPGA+MCU 作为电子系统、控制系统、信息处理系统的主体。朝“ FPGA /CPLD +专用 DSP处理器”系统方向发展就是将 EDA技术与 DSP专用处理器配合使用，使自行开发的“ FPGA / CPLD +专用 DSP 处理器”，构成一个数字信号处理系统的整体。基于 FPGA 实现的 SOC 片上系统就是使用超大规模的 FPGA实现的单一芯片系统，它里面包含 1个或几个嵌入式 CPU或 DSP,能够实现复杂的系统功能。基于 FPGA 实现的现代 DSP 系统就是基于

27、SOPC（ a System on a Programmable Chip）技术、 EDA 技术与 FPGA 技术实现方式的现代 DSP 系统。基于 FPGA 实现的嵌入式系统就是使用 FPGA /CPLD 实现的专用计算机应用系统，它里面有嵌入式处理器，能满足对象系统要 求实现的特定功能，能够嵌入到宿主系统。 1.2 本设计使用的硬件描述语言 VHDL 1.2.1 VHDL 简介 EDA技术的重要组成部分之一就是硬件描述语言 ,而 VHDL语言是电子设计的主流硬件描述语言。 VHDL 的英文全名是 VHSIC（ Very-High-Speed Integrated Circuit） Hard

28、ware Description Language。在 20 世纪 80 年代中期，美国国防部资助的项目 VHSIC 开发出了 VHDL这一产品。 1987 年底，国际标准化组织 IEEE（ IEEE STD 1076_1987） 确认了 VHDL 语言。自IEEE 公布了 VHDL 的标准版本 (IEEE 1076)之后， EDA 公司相继推出了自己的 VHDL 设计环境，或者宣布了自己的设计工具可以和 VHDL 接口。此后， VHDL 在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原来的非标准硬件语言。 1993 年， IEEE 对 VHDL 进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展

29、了 VHDL 的内容，公布了型板本的 VHDL，即 IEEE 1076-1993 版本。如今， VHDL 作为 IEEE 的工业标准化硬件描述语言，得到了众多 EDA 技术用户的支持。在电子工程领域 ， VHDL 已成为事实上的通用硬件描述语言。 毕业论文 文客久久 VHDL 主要 是 用 来 描述数字系统的结构，行为，功能和接口。 VHDL 除了含有许多具有硬件特征的语句外， 它的 语言形式和描述风格与句法 和 一般的计算机高级语言 是非常相似的 。 VHDL的程序结构 的 特点是将一项工程设计 （ 或称 为 设计实体 ，设计实体 可以是一个元件， 也可以是 一个电路模块或 者 一个系统）分

30、成外部和内部 两部分 ， 外部又可称为可视部分，内部又可称为不可视部分。这就 涉及 了 实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后， 只要它的 内部开发完成，其他的设计就可以直接调用这 个实体。这种将设计实体分成内 部外部 的概念是 VHDL 系统设计的基本点。 运 用 VHDL 语言 进行工程设计 具有多方面的优点： VHDL 具有 丰富的仿真语句和库函数，这就 使得 所做的设计系统的功能可行性 在设计 的 早期就 被 能查验 出来 ，随时可 以 对设计进行仿真模拟 ，可以快速找出错误所在，进行修改 。 VHDL 相比较 其他的硬件描述语言 ， 具有更强 大 的行为描述能

31、力 。这就 决定了 它 成为系统设计领域最 好 的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 VHDL对设计的描述具有相对独立性 。 设计者可以 进行独立的设计， 不 必 懂硬件的结构， 也不用管最终设计实现的目标器件是什么。 VHDL 语句 强大 的行为描述能力和程序结构 ，不仅 支持大规模设计的分解 ，而且还支持 已有设计的再利用。 这非常 符合市场需求的大规模系统 能够 高效，高速完成 的要求。 对于用 VHDL 完成的一个确定的设计，可以利用 EDA 工具进行 逻辑仿真， 逻辑综合和优化，并自动的把 VHDL 描述设计转变成门

32、级网表。 VHDL 的出现就是为了能够适应电子系统设计的日益复杂性。 VHDL 在语法和风格上与现代的高级编程语言（如 C 语言）非常相似。但是， VHDL 描 述的毕竟是硬件，因此它包含了许多硬件特有的结构。如今 VHDL 已被广泛应用于电路仿真，电路设计的文档记录和描述设计的综合逻辑。 1.2.2 VHDL 语言开发 编写 VHDL 语言一般有以下几个规则：语句结构描述中方括号“ ”内的内容为可选内容。 VHDL 的编译器和综合器对程序文字的大小写是不加区分的。程序中如果要用注释，文字前必须用双横线“ -”。在 VHDL 程序的任何一行中，双横线“ -”后的文字都不参加综合仿真，颜色显示为绿色。为了使程序的阅读和调试都能顺利进行，在写程序时，最好使用同一格式，同一层次 的对齐，低层次的比高层次的缩进两个字符。为了使一个 VHDL 源程序文件能够适应各 EDA 开发软件上的使用要求，建议各个源程序文件的命名都与实体名一致。 一个 VHDL 设计主要有大于等于一个 VHDL 文件构成，每一个文件中主要包含了以下三个部分中的一部分或者全部：程序包（ Package），实体（ Entity）和结构体（ Architecture）。 它们各自的作用如图 1 所示：