1、 本科毕业设计 （ 论文 ） 基于 FPGA 电梯控制系统的设计 王爽 燕 山 大 学 2012 年 6 月 本科毕业设计 （ 论文 ） 基于 FPGA 电梯控制系统的设计 学 院： 里仁学院电子工程系 专 业： 电子科学与技术 学生 姓名： 王爽 学 号： 081308061023 指导 教师： 常丹华 答辩 日期： 2012 年 6 月 17 日 燕山大学毕业设计 （ 论文 ） 任务书 学院：信息科学与工程学院 系级教学单位：光电子 学 号 081308061023 学生 姓名 王爽 专 业 班 级 电子科 学与技术 题 目 题目名称 基于 FPGA 的电梯控制系统设计 题目性质 工程技术
2、实验研究型 题目类型 1.毕业设计（ ） 2.论文（ ） 题目来源 科研课题 （ ） 生产实际 （ ） 自选题目 （ ） 主 要 内 容 利用 FPGA 完成四层电梯控制系统的设计。实现对电梯的智能控制，经仿真验证，完成所要求功能。 基 本 要 求 按要求完成四层电梯的设计 : 1.各层电梯内部信号：各楼层请求按键、开关门请求按键。外部信号：上升下降请求按键，所在楼层显示，电梯运行 状态显示。 2.能够存储请求信号，电梯上升 (下降 )过程中，根据电梯的运行状态，首先按方向优先、循环次序响应各请求。 3 电梯每秒升 (降 )一层楼。电梯到达有停站请求的楼层，经过 1 秒电梯门打开，开门指示灯亮
3、，开门 4 秒后，电梯门关闭 (开门指示灯灭 )，电梯继续进行，直至执行完最后一个请求信号后停留在当前层。电梯初始状态为一层开门状态。 4. 最终撰写毕业论文；并提交撰写论文综述；提交本科毕业设计（论文）开题报告；完成规定的外文翻译； 参考 资料 1 谢剑英 ,贾青 .微型计算机控制技术 2003 2 付家才 .EDA 原理与应用 2001 3 陈伯时 .电力拖动自动控制系统 1997 4 黄智伟 .FPGA 系统设计与实践 2005 周 次 第 1 2 周 第 3 6 周 第 7 10 周 第 11 14 周 第 15 16 周 应 完 成 的 内 容 准备阶段： 弄清课题要求，查阅文献 。
4、 设计阶段： 设计方案，完成必要的实验准备。 实现阶段： 实现电路和光路功能或电路设计。 论文撰写阶段： 撰写论文 论文评审及答辩： 制作 PPT答辩 指导教师：常丹华 职称： 教授 2012 年 3 月 1 日 系级教学单位审批： 年 月 日 摘要 I 摘要 本设计就是基于电子设计自动化（ Electronic Design Automation）技术中的甚高速集成电路硬件描述语言（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）语言所开发的 四 层电梯控制程序，实验调试平台是 Altera 公司的 MAX
5、+plus 软件。本程序具有 VHDL 语言设计里最为常用的三个模块：实体 entity，对控制器的实体（输入输出）端口进行定义；结构体 architecture，对控制器内部的信号端以及寄存器进行定义；进程执行单元 process，对控制器的所有输入输出端口、内部信号端口以及寄存器进行功能、行为描述。 通过程序调试及运行仿真，结果表明，本程序可以完成电梯运行所在楼层显 示、电梯运行方向指示、关门延时设置等。 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 电梯控制；程序设计； EDA； VHDL； MAX +plus 燕山大学本科生毕业设计（论文） II
6、 Abstract The lift ,as the modernized result ,are entered in our life in last century .This thesis designs the three-floor lift control on the basis of the electron basic on the electronic design automation(EDA) technologys the very high-speed integrated circuit hardware describe language(VHDL) ,it
7、is debugged in the Altera companys MAX +plus software as a platform in experiment .This procedure has commonly most used three pieces of module in language designs :the entity ,the architecture and the process . Through testing the connection of the EDA case ,realize the following main functions:The
8、 lifts floor shows,the lift operation direction shows;closes prolonging,etc This design USES modular programming, upgrade may realize the arbitrary multilayer elevator system, has the very strong adaptability and practical. Keywords lift control; programmer; EDA; VHDL; MAX +plus III 目 录 摘要 . I Abstr
9、act .II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景及意义 . 1 1.2 电梯的发展现状和未来发展 . 1 1.3 本文的结构安排 . 4 第 2 章 电梯控制系统的实现平台 . 5 2.1 EDA 技术的简介 . 5 2.1.1 EDA 的概述 . 5 2.1.2 EDA 的特点 . 6 2.1.3 EDA 的应用 . 6 2.2 FPGA 的简介 . 7 2.2.1 CPLD 与 FPGA 的关系 . 7 2.2.2 FPGA 的工作原理 . 8 2.2.3 FPGA 的基本特点 . 8 2.3 VHDL 语言的简介 . 9 2.3.1 VHDL 语言的发展 . 9 2.3.2 V
10、HDL 语言的特点 . 10 2.3.3 VHDL 语言的基本结构 . 11 2.4 本章小结 . 11 第 3 章 电梯控制系统的分析 . 13 3.1 电梯设计的具体 目的及控制要求 . 13 3.2 电梯控制器设计方案与思路 . 13 3.2.1 总体设计方案 . 13 3.2.2 四层电梯控制器的设计思 路 . 14 3.3 电梯运行流程图 . 16 3.4 本章小结 . 19 IV 第 4 章 电梯控制系统的实体设计与仿真 . 21 4.1 MAX+PLUS II 的介绍 . 21 4.2 电梯控制器的实体设计 . 22 4.2.1 电梯控制器的结构体设计 . 22 4.2.2 电梯
11、主 控制模块 . 24 4.2.3 电梯译码器模块 . 26 4.2.4 电梯数据选择器模块 . 26 4.2.5 电梯分频器模块 . 27 4.3 电梯控制器的仿真实验 . 28 4.3.1 电梯主控制模块仿真 . 28 4.3.2 电梯译码器模块仿真 . 31 4.3.3 电梯数据选择器模块仿真 . 31 4.3.4 电梯分频器模块仿真 . 32 4.4 本章小结 . 33 结论 . 35 参考文献 . 37 致谢 . 39 附录 1 . 41 附录 2 . 47 附录 3 . 53 附录 4 . 59 附录 5 . 73 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 及意义
12、随高层楼宇的增加，电梯越来越多的走进了人们的生活，对人们的生活的影响越来越大。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一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、运行要全面认识和掌握，才能做到对电梯的正确使用、管理及维护。根据我国
13、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 1。 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 2。 1.2 电梯的发展现状和未来发展 一 、 国内外发展状况 在经济不断发展，科学技术日新月异的今天，
14、楼的高度已和经济发展同样的速度成长起来。作为 建筑 的中枢神经，电梯起着不可或缺的作用，电梯作为建筑物内的主要运输工具，像其他的交通工具一样，已经成为我们日常生活的一 个不可缺少的组成部分。一个国家的电梯需求总量，主要受其经济增长速度、城市化水平、人口密度及数量、国家产业结构等综合因素的影响。在全球经济持续低迷的情况下，我国国民经济仍然以较高的速度持续增长，燕山大学本科生毕业设计（论文） 2 城市化水平不断提高。这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣景象，我国已经成为全球最大的电梯市场。上世纪 80 年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大。总趋势是上升的，目自口进入了 “
15、第三次浪潮 ”， 2004 年总产量超过了 8 万台，而且目前还没有减速的迹象。从1949 年建国以来全国共生产安装了 6l万多台电梯。 尽管如此，我国的电梯远未达到饱和的程度。全世界平均 1000 人有 l台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加 70 万台。到那时候，全国在用电梯将达到 130 万台，每年仅报废更新就需要 6 万台。到 2005 年，中国电梯的年产量达到 13 5万台，与 1980 年相比， 25 年增长了 59 倍，产量每年平均增长 17 8。 2005年安装验收电梯 124465 台，截至 05 年底，我国的在用电梯总数已达 651794台 6。如此庞大的市场需求为我
16、国电梯行业的发展创造了广阔的舞台 ! 我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。兴旺的电梯市场吸引了全 世界所有的知名电梯 公司 ，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、同本三菱、日立、东芝、富士达等 13 家大型外商投资公司在国内的市场份额达到了 74 ”。先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。苏州江南、山东百斯特、浙江巨人、上海华立、昌华、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液压电梯等一批优秀的电梯 品牌 看清了自己的定位与出路。目前国内市场需要的电梯产品，我国电梯行业几乎全部可以生产，不但大量替代了进口，而且有一定的出口。国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高 9。
17、自 1985 年我国参加了国 际标准化组织 ISO TCl78 以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。标准的高起点使我国电梯行业在技术上居于有利地位。许多新技术和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国际上也是刚刚出现，我国就有许多企业可以生产了。国产电梯以其高质量，低成本的优势赢得了越来越多的国内外客户，为逐步进入国际市场创造了有利条件。 中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置，每年销售量己达 l万台左右，约占亚洲市场的 1/50，一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献 10。 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
18、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。 第 1 章 绪论 3 世界上有名的几家电梯公司，诸如：美国奥的斯公司、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，奥的斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业 13。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 小型电梯将成走电梯家族中新的组成部分。 二、研究主要成果 电梯控制是属于机电一体化研究领域，它涉及到多个方面，包括 :机械工程 、电子技术、电力电子技术、电机与拖动理论、自动控制理论、电力拖动自动控制系统、微机技术和土建工程等多个科学领域
19、。 100 多年来，我国电梯行业的发展经历以下几个阶段 :对进口电梯的销售、安装、维护阶段 (1900-1949 年 )，这一阶段我国电梯拥有数量仅约 1100多台 ;独立自主、艰苦研制、生产阶段 (1950-1979 年 )，这一阶段我国共生产安装电梯约 1 万台 ;建立三资企业，行业快速发展阶段 (自 1980 年至今 )，这一阶段我国共生产安装电梯约 40 万台。目前，我国已经成为世界最大的新装电梯市场和最大的电梯生产国。并 且还有着巨大市场和发展潜力空间。2002 年，中国电梯行业电梯年产量首次突破 6 万台。中国电梯行业自改革开放以来第三次发展浪潮正在掀起。第一次出现在 1986-1
20、988 年，当时适逢我国高层建筑业的大规模浪潮的第一次兴起。第二次出现在 1995-1997 年。应该说，随着我国经济的增长，电梯市场一直保持着旺盛的需求。其次表现在企业的规模效益逐步展现。随着我国经济平稳持续的发展，尤其是住宅产业作为国民经济新增长点的提出，为电梯业的发展提供了良好的机遇。今后几年，我国将年建住宅 3. 5 亿平方米，公建项目 1.2 亿平方米。随着 城市向大型化、高层化的发展，我国每年将需要电梯在 40000 台以上。如此大的市场需求，将是电梯业再创辉煌的最好契机 14。 三、发展趋势 电梯产业将走向信息化、网络化的道路。电梯控制系统如何与网络技术相结合将是未来电梯设计的主流趋势。在 21 世纪的今天如何提供用户满意产品和服务已成为关系到各企业生死存亡问题。电梯上网能确保为客户提供更优质全程的服务。在将来各大品牌厂家为了生存和发展都会在公共网络系
