电梯控制器设计(终结版)

河南机电高等专科学校《可编程逻辑器件原理与应用》

课程设计报告

电梯控制器的设计

专业班级：医电131

学号：130411116

姓名：徐长伟

时间：2015年6月

成绩：

电梯控制器的设计

医电XX级X班 XXX 任课老师：石新峰

摘要：随着社会的发展，电梯的使用越来越普遍，已从原来只在商业大厦、宾馆使用，过渡到在办公楼、居民楼等场所使用，并且对电梯功能的要求也不断提高，相应地其控制方式也在不停地发生变化。对于电梯的控制，传统的方法是使用继电器—接触器控制系统进行控制，随着技术的不断发展，微型计算机在电梯控制上的应用日益广泛，现在已进入全微机化控制的时代。随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大，电梯生产已成为我国一门极具前景的新兴产业。

针对我国电梯行业的现状，本设计以电子设计自动化EDA技术中的高速集成电路硬件描述语言VHDL编写6层电梯控制程序，实验平台为Altera公司的QuartusII程序。

关键词：电梯控制、EDA、VHDL、QuartusII

目录

一、概述 (3)

1.1方案确定 (3)

1.2设计依据 (3)

二、设计要求 (5)

三、总体构思 (6)

3.1构思 (6)

3.2总体设计 (6)

四、硬件电路设计 (7)

4.1模块电路图 (7)

4.2模块设计分析 (9)

五、软件设计 (10)

六、下载及调试................................................................................... 错误！未定义书签。

七、总结与展望 (14)

参考文献 (14)

附件程序 (14)

一、概述

人和土地资源短缺的矛盾日趋激化，我国地少人多的国情，注定了我们必须合理解决人与土地的矛盾。兴建高层建筑是其中的有效措施之一，随之楼层电梯业便应运而生。随着我国城镇化程度的加大，电梯市场越来越繁华，人们对电梯的要求越来越高。如何更安全、更快捷地到达目的楼层，也就成为了人们对电梯的最为根本的要求。因此，本设计就六层电梯控制器设计为例，结合EDA技术，对电梯控制进行设计。

1.1方案确定

目前用电梯控制的方案有三种：EDA技术在电梯控制的应用、单片机技术在电梯控制的应用、PLC技术在电梯控制的应用。

EDA技术不是某一学科的分支，或某种新的技能技术，它是一们综合性学科，融合多学科于一体，打破了软件和硬件间的壁垒，使计算机的软件与硬件实现、设计效率和产品性能合二为一，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。VHDL具有与具体硬件电路无关和设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力，并在语言易读性和层次化结构化设计方面，表现了强大的生命力和应用潜力。EDA使得设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA 软件来完成对系统硬件功能的实现。正因EDA在设计控制系统中的这些特点，在电梯控制电路上采用EDA技术进行开发，越来越受到人们的重视。

对于符合市场需求的大规模系统，要达到高效、高速完成，必须有多人甚至多个开发组共同并行工作才能实现。对于用EDA技术完成的一个确定的设计，可以利用相应的工具平台进来逻辑综合和优化，完成设计任务。基于EDA技术的VHDL语言对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。这为电子设计的入门者提供了便捷的帮助。相信在不远的将来，我国相关的专业技术人员使用EDA技术进行工程设计，就像现在使用计算器一样，虽然大部分人不能开办集成电路制造厂，但是却能快速、经济地制造（设计）自己的专用集成电路或集成电子系统。

所以本设计采用EDA技术实现对电梯的控制。

1.2设计依据

现代电子设计技术的核心是EDA技术。基于EDA技术开发的实现六层电梯自

动控制与目前主流的利用可编程逻辑控制器实现电梯控制紧密相连。硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分，VHDL是作为电子设计主流硬件的描述语言。使用VHDL语言进行程序设计，在QuartusII软件上对程序进行编译、仿真。在QuartusII平台上开发具有易学易懂、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等优点。

1.2.1 EDA

EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（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。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。

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版图的整个过程在计算机上自动处理完成。

1.2.2 VHDL

VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）语言于1983年由美国国防部发起创建，由电工和电子工程师协会（the institute of electrical and electronics engineer）进一步发展并在1987年作为“IEEE1076”发布。从此，VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。

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具有与具体硬件电路无关和设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力，并在语言易读性和层次化结构化设计方面，表现了强大的生命力和应用潜力。

应用VHDL进行系统设计具有：功能强大、可移植性、独立性、可操作性、灵活性等特点。

一个完整的VHDL程序是以下五部分组成的：库（LIBRARY）、程序包（PACKAGE）、实体（ENTITY）、构造体（ARCHITECTUR）、电路的具体描述配置

（CONFIGURATION）。

1.2.3 QuartusII

Altera公司的QuartusII软件提供了可编程片上系统（SOPC）设计的一个综合开发环境。Quartus II 开发工具人机界面友好、易于使用、性能优良，并自带编译、仿真功能。QuartusII软件支持VHDL和Verilog硬件描述语言的设计输入、基于图形的设计输入方式以及集成系统级设计工具。QuartusII软件可以将设计、综合、布局和布线以及系统的验证全部都整合到一个无缝的环境之中，其中也包括和第三方EDA工具的接口。QuartusII设计软件根据设计者需要提供了一个完整的多平台开发环境，它包含整个FPGA和CPLD设计阶段的解决方案。

在实际应用设计中，对程序原理性及可执行性的验证主要集中在程序修改阶段，尤其在处理的数据复杂、繁多时，Quartus II自带的波形输入仿真就很难实现程序的验证，而且输出的数据不能方便的以波形图示直观的呈现，给程序设计者在校验程序阶段带来了很多的不便。再有，在很多数字电路设计中，考虑成本的问题，FPGA实现的往往是设计的核心部分，而很多的外围电路如A/D转换器、D/A转换器等仍然使用传统的接口芯片来实现。而QuartusII 设计只是针对数字信号，并不支持模拟量的输入。而仅仅为了便于程序的验证而用FPGA实现这些外围电路，不但会大大延长程序的开发周期，更会增大开发的成本。而MATLAB 具有强大的运算功能，可以容易的实现A/D、D/A转换等外围电路功能，并能以波形形式将结果直观地呈现，极大地方便了程序设计人员设计应用系统。

二、设计要求

使用FPGA完场6层的电梯控制系统。可以使用状态机实现。要求指示电梯所在楼层位置等其他必要的信号。通过仿真结果验证其正确性，并在开发板上进行硬件测试。

电梯运行规则：上升时,响应比当前位置高的上楼要求，由下往上逐个执行；如果楼层有下楼请求，直接升到由此请求的最高层，然后进入下降模式。进入下降模式后，只响应比当前位置低的下楼请求，由上到下逐个执行。每1秒上升或者下降1层。有信号灯指示电梯处于上升或者下降状态，并有数码管显示电梯到达层数。每一层有信号灯指示该层电梯门状态，有两个按键分别响应上升或下降的求。每一层电梯内部有乘客到达楼层的停站请求开关及其显示。电梯到达有停站请求的楼层后，电梯门打开，指示灯亮，4秒后电梯门关闭，指示灯灭，直

至执行完。最后停在发出最后一个请求的楼层。电梯的初始位置为一层，处于开门状态。

三、总体构思

3.1构思

除了顶层和底层外，各楼层均设有上下请求开关，顶层和底层分别设有下降和上升请求开关，电梯内设有乘客到达层次的请求开关。电梯每1s上升或下降一层，电梯到达有停站请求的楼层后，经过1s后电梯门打开，开门指示灯亮，开门5s后电梯指示灯灭，电梯继续运行，直至运行完最后一个请求后停靠在当前层。

以上是我们所应实现的基本功能。通过分析以及参考图书馆的有关书籍，参照一些网上的程序，最后总结出了电梯正常运行的七个状态：上升、下降、上升的过程中途停止、下降的过程中途停止、开门、关门、等待状态。电梯在上述七个状态间的转移是通过三段式状态机来实现的，各状态间的转移大体与生活中的电梯运转一致，有如下的基本原则:

方向为第一优先准则，电梯在运转时先响应同方向上的请求，只有当同方向上的请求响应完后，才能转而响应不同方向上的请求。

初始化状态为1楼等待门是关闭的。

3.2总体设计

这里采用了七个状态实现了有限状态机。

图3-2 电梯状态转换图

以上是两种基本的电梯状态转换图：

黑线：WAIT TO UP TO UPSTOP TO OPENDOOR TO CLOSEDOOR TO WAIT

粉红线：WAIT TO DOWN TO DOWNSTOP TO OPENDOOR TO CLOSEDOOR TO WAIT

四、硬件电路设计

4.1模块电路图

4.1.1电梯主控制器模块

图4-1-1 电梯控制模块

端口说明：call_down_2,

call_down_3, call_down_4, call_down_5, call_down_6则分别为2-6楼的下行请求信号；request_1, request_2, request_3, request_4, request_5, request_6则分别为电梯内部的停靠1-6楼的请求。

上述各端口均为有请求时，输入为高电平,否则为低电平;clk分别为状态转移时钟，reset为复位信号。

Output Port:

PosOut输出当前电梯所在的楼层,DoorFlag为开门标志,UpDnFlag为电梯上下标志，LiftState输出当前电梯的状态.

PosOut取值可

6'b000001,6'b000010,6'b000100,6'001000,6'b010000,6'b100000分别代表电梯处在1,2,3,4,5,6楼。这样编码的话,有利于后面的比较判断。

DoorFlag取值可为1'b0,1'b1,分别代表当前门是关闭和当前门是打开的。UpDnFlag取值可为2'b00,2'b01,2'b10,分别代表当前电梯是上升的，下降的和静止的。

LiftState7'b0000001,7'b0000010,7'b0000100,7'b0001000,7'b0010000,7'b01 00000,7'b1000000,分别表示电梯处于等待模式、上升模式、下降模式、上升停止，下降停止、开门和关门等7个状态。

4.1.2分频模块

图4-1-2分频模块

端口说明：

Input ports:cp_50M;

output ports:cp_1;

4.1.3 电梯状态仲裁器

图4-1-3状态仲裁器

端口说明：

Input ports：elevator_state，count_in；

Outputports：open_enable, stop_enable, up_enable, down_enable, close_enable；

4.1.4 LCD驱动模块

图4-1-4驱动模块

端口说明：

Input ports:input open_enable, stop_enable, up_enable, down_enable, close_enable；

input CLOCK_50; // 50 MHz

input KEY;

output ports:

inout [7:0] LCD_DATA; // LCD Data bus 8 bits

output LCD_ON; // LCD Power ON/OFF

output LCD_BLON; // LCD Back Light ON/OFF

output LCD_RW; // LCD Read/Write Select, 0 = Write, 1 = Read output LCD_EN; // LCD Enable

output LCD_RS; // LCD Command/DataSelect, 0= Command, 1 = Data 4.2模块设计分析

4.2.1电梯主控制器模块

此段智能电梯控制器由三个重要部分组成的。

1．信号并置部分：完成对5路向上请求、5路向下请求、6路内部请求的信号并置，化繁为简。

2．三段式有限状态机部分：在有请求的情况下，电梯控制器还要根据电梯

的当前状态和当前的楼层去判断电梯的下一步该如何运作。

3．计数器部分：完成电梯的开门、关门的时间管理。

4.2.2分频模块

这段分频器完成对50Mhz的1分频操作。采用传统的“一半就翻转”的计数技巧。

4.2.3电梯状态仲裁器

完成电梯信号到LCD控制的信号转换。其中也采用了“电梯主控制器”中的信号并置的思想。这一点可以在我的程序中十分清楚的看到，在此我不再赘述。

4.2.4 LCD驱动模块

这个模块我是采用“拿来主义”的。因为是DE2板子提供的源程序，所以编写起来还算比较轻松。就只加了一个“根据不同的输入产生不同的输出”的模块。中途还遇到了字符型液晶不能更新的问题，不过在同学的帮助下，最终还是解决了。

4.2.5数码管译码模块、数码管时间译码模块

以上两个模块一起讲比较合适，它们都是采用了同样的译码原则，只不过条件不一样而已。我们可以针对不同的输入根据自己的意愿把它译成同样的数码显示。

六、下载及调试

1.当电梯处于初始状态时，电梯在高层有向下的请求时：

图6-1初始态

2． LCD的显示由于数据太多，所以单独显示如下：

图6-2-1显示it is static..

随后会显示it is static..

图6-3-2 显示door is rising..

以上的字符发送到液晶显示模块之后，可以显示“door is rising..”随后会显示：

图6-2-3显示it is static..

可以显示“ it is static.. ”

图6-2-4显示door is opening..

以上的字符发送到液晶显示模块之后，可以显示“ door is opening.. ”

随后会显示：

图6-2-5显示it is closing..

以上的字符发送到液晶显示模块之后，可以显示“ it is closing.. ”

最后会显示下列字符，电梯重新回到初始等待状态：

图6-2-6显示it is static..

以上可以显示“ it is static.. ”

说明：由于LCD显示波形会占用比较多的空间，所以以上仅以在高层有向下的请求为例来说明，电梯的状态完全可以通过LCD来正确地显示出来。鉴于此，下面的波形将不展示LCD显示部分的波形图。

3.当电梯停在6楼处于等待状态时，在1楼和2楼同时有向上的请求时：

图6-3等待状态

4.当电梯停在1楼处于等待状态时，在6楼和5楼同时有向下的请求时：

图6-4等待状态

5.当电梯停在6楼时，有在5楼的向下的请求时，电梯应该先到五楼，电梯内部请求到1楼，如果电梯在下降的过程中，有在2楼的向上的请求时，电梯应该先

响应内部请求，然后响应外部请求：

图6-5状态响应

七、总结与展望

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。

参考文献

[1] 王伟.Verilog HDL 程序设计与应用.人民邮电出版社

[2] 夏宇闻数字系统设计：Verilog实现.高等教育出版社

[3] 王金明.数字系统设计与Verilog HDL.电子工业出版社

[4] 李彦宏.百度

附件程序

电梯主控制器模块

module elevator_controller(

//input ports:

cp_50M,clk,reset,forbid,

call_up_1,call_up_2, call_up_3, call_up_4, call_up_5,

call_down_2, call_down_3, call_down_4, call_down_5,call_down_6, request_1, request_2, request_3, request_4, request_5, request_6,

//output ports:

out,LiftState,over_alarm,count_out,count);

//output ports:

output [6:0]out;//输出楼层

output [6:0] LiftState;//输出电梯状态

output over_alarm;//出错

output [6:0]count_out;//计数器输出，便于我控制开关门的状态显示

output [2:0]count;//计数器

//input ports:

input cp_50M;

input clk,reset,call_up_1,call_up_2,call_up_3,call_up_4,call_up_5, call_down_2,call_down_3,call_down_4,call_down_5,call_down_6,

request_1,request_2,request_3,request_4,request_5,request_6;

input forbid;

wire over_alarm;

wire [6:0]out;

wire [6:0]count_out;

reg [5:0]pos,PosOut;

reg [2:0] count; reg DoorFlag;

reg [1:0] UpDnFlag;

reg [6:0] LiftState,NextState;

wire real_clk;

reg [5:0] up_all,down_all,request_all;

parameter WAIT=7'b0000001, UP=7'b0000010, DOWN=7'b0000100, UPSTOP=7'b0001000, DOWNSTOP=7'b0010000, OPENDOOR=7'b0100000, CLOSEDOOR=7'b1000000;

parameter FLOOR1=6'b000001, FLOOR2=6'b000010, FLOOR3=6'b000100, FLOOR4=6'b001000, FLOOR5=6'b010000, FLOOR6=6'b100000;

parameter TRUE=1'b1, FALSE=1'b0;

parameter OPEN=1'b1, CLOSED=1'b0;

parameter UPFLAG=2'b01,DNFLAG=2'b10,STATIC=2'b00;

assign real_clk=(clk&(~forbid));

always @(call_up_1 or call_up_2 or call_up_3 or call_up_4 or call_up_5) up_all={1'b0, call_up_5, call_up_4, call_up_3, call_up_2, call_up_1};

always @(call_down_2 or call_down_3 or call_down_4 or call_down_5 or call_down_6)

down_all={call_down_6, call_down_5, call_down_4, call_down_3, call_down_2, 1'b0};

always @(request_1 or request_2 or request_3 or request_4 or request_5 or request_6)

request_all={request_6, request_5, request_4, request_3, request_2, request_1};

always @(posedge real_clk or posedge reset)

if(reset)

count<=0;

else if((NextState==OPENDOOR)&&(count<5))

count<=count+1;

else

count<=0;

display_decode h1(cp_50M,PosOut,out,over_alarm);

display_decode_count h2(cp_50M,count,count_out);

always @(posedge real_clk or posedge reset)

if(reset)

begin

LiftState<=WAIT;

end

else

LiftState<=NextState;

always @(LiftState or up_all or down_all or request_all or pos or count

or UpDnFlag)

case(LiftState)

WAIT:

begin

if(request_all>0)

begin

if((request_all&pos)>0)

NextState=OPENDOOR;

else if(request_all>pos)

NextState=UP;

else

NextState=DOWN;

end

else if((up_all&pos)||(down_all&pos))

begin

NextState=OPENDOOR;

end

elseif((up_all>pos)||(down_all>pos))

NextState=UP;

elseif(up_all||down_all)

NextState=DOWN;

else

NextState=WAIT;

end

UP:

begin

if((request_all&pos)||(up_all&pos))

NextState=UPSTOP;

elseif((request_all>pos)||(up_all>pos))

NextState=UP;

else if(down_all>0)

begin

if((down_all>pos)&&((down_all^pos)>pos))

NextState=UP;

elseif((down_all&pos)||(pos

NextState=UPSTOP;

elseif((down_all&pos)&&(pos==FLOOR6))

NextState=DOWNSTOP;

else NextState=DOWN;

end

else if(request_all||up_all) //只有当前楼层之

//的停靠或上升请求否

NextState=DOWN;

else

NextState=WAIT;//无任何请求，转为WAIT模式

end

//DOWN的状态转移请参见UP的状态转移

DOWN:

begin

if((request_all&pos)||(down_all&pos))

NextState=DOWNSTOP;

elseif(((request_all&FLOOR1)

((request_all&FLOOR2)

((request_all&FLOOR3)

((request_all&FLOOR4)

((request_all&FLOOR5)

((request_all&FLOOR6)

NextState=DOWN;

else if(((down_all&FLOOR1)

((down_all&FLOOR2)

((down_all&FLOOR3)

((down_all&FLOOR4)

((down_all&FLOOR5)

((down_all&FLOOR6)

NextState=DOWN;

else if(up_all>0)

begin

if(((up_all&FLOOR1)

((up_all&FLOOR2)

((up_all&FLOOR3)

((up_all&FLOOR4)

((up_all&FLOOR5)

((up_all&FLOOR6)

else if((up_all&pos)&&(pos>FLOOR1))

NextState=DOWNSTOP;

else if((up_all&pos)&&(pos==FLOOR1))

NextState=UPSTOP;

else

NextState=UP;

end

else if(request_all||down_all)

NextState=UP;

else

NextState=WAIT;

end

UPSTOP:

begin

NextState=OPENDOOR;//停靠1时钟周期后开门