I第1章緒論1.1研究依據(jù)及內(nèi)容21世紀來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，其中專用集成電路設計技術(shù)和電子設計自動化技術(shù)發(fā)展尤為迅速，這改變了傳統(tǒng)的電路設計方法，使這數(shù)字系統(tǒng)設計有了根本性的變化REF_Ref15482\r\h[1]。在EDA技術(shù)尚未突破之前，所設計的電路中使用的集成電路很多，電路功能復雜，不方便發(fā)現(xiàn)問題，不容易擴展設計功能REF_Ref17445\r\h[2]。如果設計的是FPGA/CPLD的電子系統(tǒng)，那么這樣不僅可以克服傳統(tǒng)電子系統(tǒng)不容易擴展、不方便發(fā)現(xiàn)問題的缺點，而且能使電子系統(tǒng)穩(wěn)定性與抗干擾性更好。利用FPGA/CPLD開發(fā)的電梯控制器方便維護，電路設計調(diào)試周期較傳統(tǒng)設計方法更短，所以也更受設計者與開發(fā)者的青睞，F(xiàn)PGA/CPLD已經(jīng)成為電梯控制系統(tǒng)設計中最常用的設計方法。由于各種現(xiàn)實原因，我接觸不到實實在在的一部電梯實物來檢驗電梯控制器的功能。且本人的論文課題即為《基于FPGA的電梯控制器的設計與實現(xiàn)》，我要做的就是利用睿智FPGA開發(fā)板和Altera公司開發(fā)的QuartusII軟件設計并模擬實現(xiàn)電梯控制器的各種功能。我要研究和實現(xiàn)的內(nèi)容如下：（1）了解當前各種電梯的機械組成結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的系統(tǒng)組成部分，以及目前電梯電梯在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。（2）學習FPGA開發(fā)的有關(guān)知識，并將所學的理論知識融合到實際開發(fā)實踐中。（3）規(guī)劃好控制器、模擬電梯、信號輸入以及狀態(tài)顯示四個模塊的功能，且四個模塊的功能合乎邏輯。（4）通過電子設計實現(xiàn)各個模塊的功能，在EDA仿真軟件環(huán)境QuartusII中編譯、調(diào)試和綜合各個模塊代碼，得到系統(tǒng)功能的時序仿真圖形，能夠分析時序仿真圖形所代表的含義。（5）利用FPGA開發(fā)板自帶的專用下載線纜將寫好的程序下載到FPGA開發(fā)板，實現(xiàn)所設計的模塊功能。1.2研究意義本次論文對我們來說極具意義，設計一款電梯控制器并實現(xiàn)其基本功能為本次，可以提高我們的設計與實踐能力，這種能力對于互聯(lián)網(wǎng)公司員工尤為重要。隨著EDA技術(shù)和可編程邏輯電路的發(fā)展，邏輯電路設計和嵌入式系統(tǒng)設計中傳統(tǒng)的標準邏輯器使用頻率逐漸減少，以FPGA/CPLD為代表的可編程邏輯器件使用頻率增加。本次設計的電梯控制器有高集成度、響應快、低功耗的的特點，設計時無需使用各種功能的分立邏輯元件，所有所設計程序模塊都可以集成在一個FPGA開發(fā)芯片上。1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀某個國家或地區(qū)的城市化和現(xiàn)代化水平與諸多因素密切相關(guān)，其中電梯制造業(yè)發(fā)展情況能夠較好的反應城市化水平REF_Ref30729\r\h[5]。隨著國家經(jīng)濟發(fā)展水平的提升，電子科學技術(shù)也日漸繁榮，建筑物的高度的增長與技術(shù)發(fā)展的的增長速度呈正相關(guān)REF_Ref30860\r\h[6]。電梯系統(tǒng)作為建筑物的一部分，扮演者重要的運輸者角色。它承擔著高層運輸用重要的交通系統(tǒng)運輸者角色，它主要利用于高層建筑或礦井采礦。隨著電子信息科技的發(fā)展和計算機科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電梯成為計算機、照明、發(fā)動機、電梯等綜合產(chǎn)業(yè)。世界上所有產(chǎn)品的快速發(fā)展都是在人們的生產(chǎn)生活催化下加速的。20世紀90年代，世界經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，電梯行業(yè)也在迅速發(fā)展，讓人類的生活變得快捷簡單，它還是代表人類進步的產(chǎn)品。電梯行業(yè)的發(fā)展，側(cè)面體現(xiàn)了人類社會的進步和發(fā)展狀況。目前大部分海外電梯公司正從直流電梯的制造和開發(fā)轉(zhuǎn)向交流電梯的生產(chǎn)開發(fā)。國內(nèi)外的日常的低層建筑中，液壓式電梯逐漸被廣泛使用，而低層建筑中的小的私人電梯也是電梯設備的新部分。電梯今后有向技術(shù)優(yōu)化、環(huán)境友好、低電力、智能型網(wǎng)絡運營的發(fā)展傾向，這會讓我們的生產(chǎn)生活更加便利。近些年以來，我國出現(xiàn)了一股熱，不少老舊小區(qū)開始擴建電梯，電梯房建設規(guī)模也在不斷擴大；基于此背景，電梯的需求逐年增加，各種情境下對電梯質(zhì)量的要求越來越高。隨著我國科學技術(shù)水平的提升，電梯產(chǎn)業(yè)也在持續(xù)發(fā)展，電梯技術(shù)正在不斷得到更新與創(chuàng)新。在高速電梯的研究與設計中，永久磁鐵型的非重力電機技術(shù)得到了有效的整合。如果這種技術(shù)可以用于當初的高層建筑的電梯中，那么會減少噪音和使用成本。隨著我國科學技術(shù)的進步，相應的技術(shù)將會與我們的生活密不可分，就像我初中時剛接觸手機一樣，我根本未曾設想今天2021年的手機如此神奇；我們現(xiàn)在也不能準確的預料到多年以后的電梯能發(fā)展到什么水平，但是我可以肯定的是：電梯系統(tǒng)一定能網(wǎng)更好的方向發(fā)展。

第2章課題設計依據(jù)2.1電梯控制模塊設計依據(jù)2.1.1FPGA簡介與開發(fā)板的選擇FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列的簡稱，全稱為FieldProgrammableGateArray。它是在PAL、GAL與CPLD的基礎上開發(fā)的是一種半導體IC，使用FPGA可以改變設備內(nèi)部的大部分的電子功能；在印刷電路板組裝過程中，甚至在設備“現(xiàn)場”交付給客戶后，設計工程師都可以對器進行更改。FPGA給很多電子設備的設計者帶來了好處，如對于飛機導航與駕駛員輔助設計者與維護人員來說，極大地減少了他們的設計與維護的工作量并提高了設計與維護效率。21世紀以來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、媒體處理和5G等概念的興起，F(xiàn)PGA開發(fā)成為一個熱門行業(yè)，F(xiàn)PGA在這些熱門領(lǐng)域得到了廣泛的應用。FPGA開發(fā)的本質(zhì)是硬件開發(fā)。用硬件語言描述所需功能，用集成工具合成電路，然后在FPGA中布局電路，最后生成可運行的比特率文件。在選擇哪種類型的邏輯器件時可以從性價比和學習資源方面考慮，但是最重要的還是考慮邏輯器件的芯片引腳、邏輯單元、內(nèi)置存儲器、功耗、封裝形式等因素。其次要注意的一點是，如果設計的系統(tǒng)要求方便升級且易于擴展，那么在設計中應該有意識地保留一些邏輯資源以供備用。最后，我們在系統(tǒng)研發(fā)時最好選擇易于升級、引腳兼容性好的邏輯器件。根據(jù)設計者對設計品的要求，你可以初步選擇一個理想的邏輯設備。選擇FPGA后，根據(jù)邏輯裝置本身的特性選擇電力管理裝置、存儲和配置信息單元等器件。綜上所述，本設計使用的開發(fā)板如圖2.1所示，為睿智FPGA2.0開發(fā)板，使用的核心處理器是Altera’sCycloni中的FQ3D9R319D9。選擇睿智FPGA2.0開發(fā)板的部分理由如下：睿智FPGA2.0開發(fā)板是一款較老的開發(fā)板，學習資源較多，可以幫助我們更順利地完成設計；睿智FPGA2.0.開發(fā)板的核心板與接口板分離，核心板雖小，但元件齊全，上面有的元件有FPGA和各類存儲器、用戶擴展PACK和按鍵、LED和電源插座等；睿智FPGA開發(fā)板的的核心板的用戶擴展PACK可以使其可以獨立使用而無需接口板連接，因此核心板有了良好的擴展性的優(yōu)點；睿智FPGA開發(fā)板的的接口板集成了一些經(jīng)典常用的外圍接口，沒有任何跳線設置，所以實驗操作起來也更加方便。圖2.1睿智FPGA開發(fā)板2.1.2軟件語言的選擇此次設計所采用的語言為VerilogHDL語言，這種語言能夠很好的幫我們實現(xiàn)電梯控制器的各個模塊的邏輯設計。使用Veri1ogHDL語言進行設計，可以說明數(shù)字邏輯電路設計的功能，并借助EDA工具模擬您所使用的技術(shù)語言，并將其整合到門等級電路中，使用FPGA邏輯裝置提供必要功能。相比其他硬件描述語言，Veri1ogHDL語言的特點是使用方便，能用簡潔的VerilogHDL語句描述復雜邏輯設計，為當今最常用最流行的硬件描述語言之一。Ver1logHDL是行為描述和結(jié)構(gòu)描述的語言，它可以描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的操作。為了構(gòu)建說明系統(tǒng)功能所需的功能邏輯電路的硬件邏輯模型，可以直接調(diào)用語言和組件。Veri1ogHDL模型的這些抽象的級別共有以下五種：系統(tǒng)級(system)、算法級(algorithm)、RTL級(RegisterTransferLevel)、門級(gate-level)和開關(guān)級(switch-level)五類REF_Ref24328\r\h[24]。如果設計內(nèi)容比較復雜，那么可以設計多個VerilogHDL子功能模塊，并由此組成其完整的硬件描述語言模型。如果這些功能子模塊非常復雜，那么又可以由幾個子模塊組成功能子模塊，其中有些功能單元需要集成到具體的硬件電路中，而有些功能單元不需要集成，只需要有一些激勵信號即可。2.1.3仿真軟件的選擇選一個合適的仿真軟件可以讓我們在進行設計系統(tǒng)時少走好多彎路，因此我選擇了Altera公司開發(fā)的QuartusII軟件，這是一款比較全面的PLD/FPGA開發(fā)軟件，具有很多優(yōu)點，其支持的設計輸入形式比較全面，比如支持VHDL，VerilogHDL、AHDL與設計的原理圖。作為一款仿真軟件，其內(nèi)嵌的各種仿真功能都可以在綜合仿真器中進行，特別贊的一點是，QuartusII軟件中包含的第三方EDA工具接口足以應付大多數(shù)應用情景。QuartusII軟件提供完整開發(fā)環(huán)境，其中也包括整個FPGA設計階段的解決方案，如果能夠有效利用軟件，可以達到事半功倍的效果。第3章電梯控制器的設計3.1電梯控制器總體設計本次的畢業(yè)論文的課題是設計基于FPGA的電梯控制器設計與實現(xiàn)?？刂破鞑捎玫暮诵奶幚砥魇荈Q3D9R319D9，F(xiàn)Q3D9R319D9是Altera公司開發(fā)的CycloneII系芯片之一，其系統(tǒng)時鐘是20兆赫茲；EDA仿真軟件也為Altera公司開發(fā)的QuartusII軟件；使用的FPGA開發(fā)板為睿智FPGA開發(fā)板。本次設計主要是從以下4個模塊的設計考慮的：電梯控制、虛擬電梯、信號輸入和狀態(tài)顯示，這四個模塊的功能設計好了，本次設計的電梯控制器也就基本上能夠?qū)崿F(xiàn)其所需的功能。FPGA控制模塊是控制器的主題與核心部分，其功能相當于人類的大腦，它又包含了按鍵消抖處理、解析與樓層判斷、運行狀態(tài)機、升降與開關(guān)門控制、樓層信息與狀態(tài)顯示、超重報警等部分REF_Ref21477\r\h[23]；為了更好更直觀的顯示電梯控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)與模式，需要利用之前所學的電子信息相關(guān)知識設計模擬電路板，借助按鈕或者信號輸入的方式，利用LED燈來直觀地模擬電梯的運行狀態(tài)。此外，由于現(xiàn)實原因本人接觸不到實實在在的一部電梯實物來檢驗電梯控制器的功能，所以需要設計虛擬電梯。3.2電梯控制器的設計要求此次論文的主要設計任務與要求是實現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)最基本的功能，能夠響應電梯內(nèi)外的所有關(guān)鍵請求。主要設計邏輯和思路如下：（1）按照電梯運行方向優(yōu)先的原則依次響應各種指令，如電梯箱內(nèi)外的請求指令和調(diào)用指令.（2）電梯控制系統(tǒng)可以根據(jù)指令要求自行判斷運行方向的功能。比如上下行信號同時響應，電梯會先響應同方向指令，然后繼續(xù)響應響應另一方向運行指令。（3）在呼出控制開關(guān)裝置中，初始樓層只有一個上行開關(guān)按鈕，電梯門開關(guān)由該裝置控制，按下上行按鈕，控制電梯運行到達設定樓層；中間樓層的外箱呼叫系統(tǒng)都有向上按鈕和向下按鈕控制上下，電梯頂層只有向下按鈕進行控制。（4）電梯顯示模塊必須有LED燈直觀反映電梯運行情況。當電梯依次在某一樓層通過時，相應樓層的LED燈點亮；當?shù)竭_所指定的樓層時，LED燈依次亮滅，代表電梯的開啟和關(guān)閉狀態(tài)。(5)如果無指令，電梯將在系統(tǒng)設定的時間內(nèi)自動關(guān)門，返回等待狀態(tài)。（6）此外，電梯能根據(jù)傳感器接收的重量數(shù)據(jù)，發(fā)出超重警報等。本次設計需設置不同工作狀態(tài)來描述電梯的運行方式，工作狀態(tài)在論文第四章具體分析。第4章電梯控制器的實現(xiàn)4.1電梯控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本次設計的控制器的設計主要是從四個方面考慮的：虛擬電梯、控制器、信號輸入與顯示，因此從這四個方面設計了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖4.1電梯控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由電梯控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖我們可以得知整個系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部分為FPGA電梯控制模塊，F(xiàn)PGA電梯控制模塊設計好了，基本上就事半功倍了。系統(tǒng)硬件的核心功能有按鍵消抖、分析與樓層判斷、上下行與開門關(guān)門控制、LED狀態(tài)顯示以及超重報警。為了實現(xiàn)電梯控制器的功能模擬，我設計了虛擬電梯模塊，它是主要用于電梯門開關(guān)操作的虛擬電梯升降機。虛擬電梯升降機借助按鈕輸入電梯操作指令，利用LED燈來直觀地模擬電梯的運行狀態(tài)。如圖4.2所示，為此次設計的電梯控制器硬件結(jié)構(gòu)圖。FPGA控制模塊是控制器的主題與核心部分，其功能相當于人類的大腦，它又包含了按鍵消抖處理、解析與樓層判斷、運行狀態(tài)機、升降與開關(guān)門控制、樓層信息與狀態(tài)顯示、超重報警等部分REF_Ref21477\r\h[23]；為了更好更直觀的顯示電梯控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)與模式，需要利用之前所學的電子信息相關(guān)知識設計模擬電路板，借助按鈕或者信號輸入的方式，利用LED燈來直觀地模擬電梯的運行狀態(tài)。此外，由于現(xiàn)實原因本人接觸不到實實在在的一部電梯實物來檢驗電梯控制器的功能，所以需要設計虛擬電梯。圖4.2硬件結(jié)構(gòu)設計圖4.2電梯控制器模塊FPGA控制模塊作為控制器的關(guān)鍵部分，包括了按鍵消抖處理、解析、樓層判斷、運行狀態(tài)機、上下行控制、開關(guān)門控制、狀態(tài)顯示、超重報警等部分REF_Ref21477\r\h[23]。本小節(jié)將重點分析圖4.3所示控制器的三個子模塊。圖4.3電梯控制器輸入輸出信號圖4.2.1按鍵消抖處理功能與接口說明：該模塊的接口輸入信號有：reset_n（復位操作指令信號），clk（時鐘脈沖信號），up_key[1：0]（上升操作信號），down_key[2：0]（下降操作信號），inside_key[3：0]（電梯轎廂樓層選擇請求信號），輸出信號：up_key_in[1：0]（上升判斷信號），down_key_in[2：0]（下降判斷信號），inside-_key_in[3：0]（樓層請求信號）。模塊端口信號定義：up-_key（1：0）表示外呼系統(tǒng)中的兩個升序命令按鈕，up-_key[0]接收二層操作信號，up-_key[1]接收三層操作信號；down-_key[2：0〕代表外呼系統(tǒng)中的三個下降操作信號，down-_key[0〕接收二層操作根據(jù)clk表示的時鐘脈沖信號；Resetn代表復位操作指令信號；Down_key[0]是二層操作信號，down_key[1]接收三層操作信號，down_key[2]接收四層操作信號；Inside_key[3:0]表示電梯轎廂樓層選擇請求信號，inside_key[0]接收一樓選擇信號，inside_key[1]接收二樓選擇信號，inside_key[2]接收三樓選擇信號，inside-_key[3]接收四樓選擇信號。Up-_key_in[1：0〕接收上升判斷信號；down_key_in[2：0〕接收下降判斷信號；Inside_key_in[3:0]接收樓層請求信號。該模塊功能如下：此部分添加了D觸發(fā)器，可以消掉按鈕按下時產(chǎn)生的干擾，這樣一來，電梯內(nèi)外的每個按鈕指令信號可以正確的傳入控制器。圖4.4按鍵請求消抖處理4.2.2解析模塊模塊功能與接口說明：A:：uart_tx（數(shù)據(jù)發(fā)送指令信號）、cIk（時鐘脈沖信號）、uart_rx（數(shù)據(jù)接收指令信號）為解析模塊接口的輸入信號以及輸出信號。B：模塊端口信號定義：uart_tx接收數(shù)據(jù)發(fā)送指令，clk接收時鐘脈沖，uart_rx接收數(shù)據(jù)接收指令。C：模塊功能如下：電梯初始位置接收到的數(shù)據(jù)信號指令，需匹配庫中的數(shù)據(jù)信息記錄。若在庫中匹配到相關(guān)信息記錄，則將設置的樓層信號發(fā)送至樓層判斷模塊；如果沒有配到相關(guān)信息記錄，則不會發(fā)送開門信號。4.2.3判斷模塊功能與接口說明:A：該模塊的接口輸入信號有：reset_n（復位操作指令信號），cIk（時鐘脈沖信號），up_key_in[1：0]（上升判斷信號），down_key_in[2：0]（下降判斷信號），inside_key_in[3：0]（樓層請求信號），floor_in[3：0]（電梯正在四樓的反饋信號）。該模塊的接口輸出信號有：up_request（上升請求信號），up_done（上升完成信號），down_request（下降請求信號），down_done（下降完成信號）。B：模塊功能如下：判斷模塊主要功能是對輸入信息進行判斷，如當前樓層信息，請求樓層信息，傳遞判斷結(jié)果至下一步并驅(qū)動電梯完成所需的操作，所以說判斷模塊是電梯控制器控制電梯正常工作的重要保障。圖4.5樓層判斷模塊4.2.4運行狀態(tài)機功能與接口說明：A：該模塊的接口輸入信號：open_done（開門成功信號），close_done（關(guān)門成功信號），floor_in[3：0]（停止樓層反饋信號），time_up（超時信號），over_weight_in（電梯內(nèi)重量信號），輸出信號：up_ctrl（上升反饋信號），down_ctrl（下降反饋信號），open_ctr（開門信號）l，close_ctrl（關(guān)門信號），over_weight（超重信號），light_ctrl（照明信號）。B：模塊端口信號定義：floor_in[3：0〕接收停止樓層反饋信號：floor_in[0]接收停在一樓反饋信號，floorin[1〕接收停在二樓反饋信號，floorin[2〕接收停在三樓反饋信號；floor_in[3〕接收停在四樓反饋信號。Open-_done輸出開門成功信息；close_done輸出關(guān)門成功信息；time_up輸出超時信號；over_weight_in接收電梯內(nèi)重量信號。Up-_ctrl輸出上升反饋信號；down-_ctrl輸出下降反饋信號；open_ctrl輸出開門信息；close-_ctrl輸出關(guān)門信息。0ver-_weight輸出超重信號；light_ctrl輸出照明信號。模塊功能為接收各種反饋信號，將各種反饋信號傳送到相應的模塊，運行狀態(tài)機模塊控制并完成各種操作如：電梯上升下降、電梯門開門關(guān)門、顯示當前樓層信息、電梯超重報警等。4.3FPGA虛擬電梯模塊前面雖然詳細介紹介紹了電梯控制系統(tǒng)的各個組成部分，但是由于各種現(xiàn)實原因，我接觸不到實實在在的一部電梯實物來檢驗電梯控制器的功能。且本人的論文課題即為《基于FPGA的電梯控制器的設計與實現(xiàn)》，我要做的就是利用睿智FPGA開發(fā)板和Altera公司開發(fā)的QuartusII軟件設計并模擬實現(xiàn)電梯控制器的各種功能。于是我設計了如圖4.6所示的虛擬電梯模塊，這樣就模擬了電梯控制器對電梯的控制，并且能夠達到設計要求。為了使電梯控制器正常平穩(wěn)的工作，這個虛擬電梯模塊是在在核心板內(nèi)部利用寄存器實現(xiàn)的，虛擬電梯模塊主要模擬了電梯的運行和電梯門的開關(guān)，并將接收到的電梯運行情況和開關(guān)門情況反饋到電梯控制器，并等待下一步操作。圖4.6電梯控制器仿真結(jié)構(gòu)圖模塊端口的定義及其輸入輸出的信息：up_ctrl接收虛擬電梯上升信息；down_ctrl接收虛擬電梯下降信息；open_ctrl接收虛擬電梯開門信息；close_ctrl接收虛擬電梯關(guān)門信息；floor_in[3：0〕輸出停止樓層反饋信號，floor_in[0〕輸出停在一樓反饋信號，floor_in[1〕輸出停在二樓反饋信號，floor_in[2〕輸出停在三樓反饋信號；floor_in[3〕輸出停在四樓反饋信號；open_done輸出虛擬電梯開門成功信息；closedone輸出虛擬電梯開門成功信息；timeup輸出超時信息也即達到系統(tǒng)設定好的開門關(guān)門的時間間隔。4.4信號輸入模塊本小節(jié)主要介紹信號輸入模塊，此模塊主要的信號來源為電梯內(nèi)外的各個按鈕，所以此模塊的輸入信號即由電梯內(nèi)外的各個按鈕的按鍵輸入信號組成。具體實現(xiàn)過程如下：將外部按鍵信號轉(zhuǎn)換為電梯運行控制的外部請求信息，將電梯內(nèi)部按鍵信號輸出為電梯控制模塊的上行下行信息，通過電梯樓層信號自動清除下一步操作無關(guān)信號如電梯內(nèi)外按鍵操作信號。本系統(tǒng)有9個按鍵輸入信號按鈕，外層系統(tǒng)有5個按鈕，內(nèi)層系統(tǒng)有4個按鈕。按鍵分布與日常生活中的電梯相似，頂樓和一樓分別為外層系統(tǒng)的下降和上升按鈕，中間樓層既有上升按鈕又有下降按鈕；內(nèi)層系統(tǒng)為代表樓層的按鈕。此次設計主要為實現(xiàn)電梯的一般控制，用到的也只是模擬電梯模塊，故未像日常生活中電梯一般設置故障報警電話按鈕。系統(tǒng)還設置了LED燈來反應電梯的工作狀態(tài)，若電梯控制器正常工作，LED燈亮，反之熄滅。按鍵輸入信號模塊示意圖表明，當電梯樓層處于開始狀態(tài)時，如果某一層按鍵處于未按下的關(guān)閉狀態(tài)時，所有信號輸出的電平均高。如果按下某個鍵，信號由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，低電平自動存放至寄存器中。按鍵閉合瞬間，可能會出現(xiàn)以下問題：瞬時電壓過大，導致按鈕燒毀；不穩(wěn)定的觸電導致信號不清晰。解決辦法如下：需要增加上拉電阻，分壓按鈕瞬時電壓防止按鈕燒毀；按鈕電路還需采用D觸發(fā)器，D觸發(fā)器用于按鍵消抖，它可以驅(qū)動每個脈沖信號消除不清晰信號。通過D觸發(fā)器的處理，當組合鍵不穩(wěn)定時，也可以輸出清晰的按鍵信號。4.5狀態(tài)顯示模塊在虛擬電梯模塊中，電梯正常運行的各種狀態(tài)都是在FPGA中進行的。為了直觀地反映電梯控制器的運行狀態(tài)，設計了一個狀態(tài)顯示模塊，可以通過LED燈亮滅反映電梯控制器的運行狀態(tài)。模塊端口信號定義及端口接收的信息：up_ctrl接收上升信息；down_ctrl接收下降信息；open-ctrl接收開門的信息；close-ctrl接收關(guān)門信息；light_ctrl接收照明信息；over_weight接收超載信息。本小節(jié)設計的狀態(tài)顯示模塊跟前一小節(jié)設計的按鍵輸入組合到一起，也就成立此次設計的演示電路板部分。狀態(tài)顯示模塊如圖4.7所示，進行設計時同樣要設置分壓電阻，防止LED燈被擊穿電壓破壞而達不到顯示效果。圖4.7狀態(tài)顯示模塊4.6運行狀態(tài)流程圖一般來說，進行系統(tǒng)的設計最基本的任務就是理解系統(tǒng)流程并設計好運行流程圖。本次設計的關(guān)鍵任務是FPGA電梯控制器的運行狀態(tài)流程圖的設計。設計一個合乎邏輯的流程圖可以加深我們對本次系統(tǒng)設計的理解，也可以幫助讀者迅速理解所設計的系統(tǒng)的運行流程。同日常生活所用的電梯系統(tǒng)類似，所以本次設計的六種狀態(tài)也是以常生活所用的電梯系統(tǒng)為藍本，其運行流程具體包括以下幾個狀態(tài)：上行下行、開門關(guān)門、延遲等待等。系統(tǒng)復位后（restn=1），進入空閑狀態(tài)（Idle/000）?？臻e狀態(tài)下up，down，open，close四個電位都為0（此點在運行時序圖中可以體現(xiàn)）。在有向上請求條件下，電梯上升（UP/010）；在向上達到匹配樓層條件下，電梯停止進入等待（STOP/001）；在剛到匹配樓層條件下，電梯開門（OPEN/011）；在開門成功條件下，開門延時（DELAY/100），等待人員進入；在計時結(jié)束條件下，電梯關(guān)門（CLOSE/101）；關(guān)門成功且電梯此未收到請求，在電梯關(guān)門成功條件下，電梯停止運行（STOP/001）；在有向下請求的條件下，電梯下降，其他過程與相關(guān)運行的情況相同。圖4.8電梯狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表3.1電梯轉(zhuǎn)換條件狀態(tài)機模塊端口引腳的定義及其輸入輸出信號：reset_n接收復位信、clk接收時鐘脈沖、open_done接收開門完畢反饋信息、close_done接收關(guān)門完畢反饋信息、time_up接收延時信息。up_ctrl輸出電梯上升信息、open_ctrl輸出電梯開門信息、down_ctrl輸出電梯下降信息、close_ctrl輸出電梯關(guān)門信息。statement_output[2：0]輸出電梯操作的7種狀態(tài)，其參數(shù)分別為IDLE_status=4'd000、STOP_status=4'd001、UP_status=4'd010、OPEN_status=4'd011、DELAY_status=4'd100、CLOSE_status=4'd101、DOWN_status=4'd110。圖4.9狀態(tài)機端口信號引腳圖4.7FPGA核心板引腳定義電梯警報LED引腳定義如下：let-position_distributionPIN_61＝ALARM樓層LED引腳定義如下：let-position_distributionPIN_39＝LEVEL_LED[0]let-position_distributionPIN_38＝LEVEL_LED[1]let-position_distributionPIN_41＝LEVEL_LED[2]let-position_distributionPIN_43＝LEVEL_LED[3]電梯開關(guān)門所對應的LED引腳定義如下：let-position_distributionPIN_51＝OCD_LED[0]let-position_distributionPIN_50＝OCD_LED[1]let-position_distributionPIN_53＝OCD_LED[2]set-location-assignmentPIN_55＝OCD_LED[3]電梯內(nèi)部4個樓層按鈕引腳定義如下：let-position_distributionPIN_56＝INSIDE_BUTTON[0]let-position_distributionPIN_57＝INSIDE_BUTTON[1]let-position_distributionPIN_58＝INSIDE_BUTTON[2]let-position_distributionPIN_59＝INSIDE_BUTTON[3]RISE-KEY引腳定義如下：let-position_distributionPIN_45＝RISE_KEY[1]let-position_distributionPIN_49＝RISE_KEY[0]FALL-KEY引腳定義如下：let-position_distributionPIN_44＝FALL_KEY[0]let-position_distributionPIN_46＝FALL_KEY[1]let-position_distributionPIN_44＝FALL_KEY[2]

第5章電梯控制系統(tǒng)結(jié)果仿真5.1電梯控制系統(tǒng)頂層模塊圖本次設計我所使用的設計語言為硬件描述語言Verilog-HDL語言，編程方法為模塊化編程。在設計系統(tǒng)的過程中，本人了解系了統(tǒng)流程并設計好運行流程圖，因此仿真程序的綜合分析、布線產(chǎn)生的電路基本上沒有邏輯錯誤。圖5.1電梯控制系統(tǒng)頂層模塊圖根據(jù)仿真產(chǎn)生的虛擬電梯控制器系統(tǒng)頂層模塊圖如上圖5.1所示，我將解釋說明頂層模塊三個部分的功能。左邊部分為設計的按鍵，有4個樓層按鈕，以及開門關(guān)門按鈕，通過這部分電梯可以接收到操作命令；中間部分主要處理按鈕的指令信號；右邊部分為電梯狀態(tài)機，根據(jù)前一模塊輸出的升降、開關(guān)門、停止和延時信息，控制電梯進行相應的運行操作。圖5.2虛擬電梯控制系統(tǒng)上層模塊圖通過模擬生成的虛擬電梯控制系統(tǒng)的最上層模塊圖如上圖5.2所示，我將解釋說明虛擬電梯頂層模塊三個部分的功能。左邊部分為模擬的電梯開門關(guān)門，如果某時刻正停在某一樓層，如果此時有乘客在一樓按上升按鈕、二樓三樓按升降按鈕、或者在頂樓按下降按鈕，那么輸入的高低電平信號，會轉(zhuǎn)化成此模塊的輸入信號，并進行虛擬開門關(guān)門；中間部分為FPGA控制器，它是FPGA控制系統(tǒng)的核心部分，可以處理電梯的各種運行狀態(tài)，在未設計FPGA控制器模塊的情況下，電梯系統(tǒng)不能處理各種指令；右邊部分為虛擬樓層，主要進行虛擬上下運行，輸出的信息可以進入LED模塊，并通過LED燈亮滅反應上行下行的狀態(tài)。系統(tǒng)頂層運行模塊的運行狀態(tài)流程包括：STOP（空閑狀態(tài)狀態(tài)），IDLE（空閑狀態(tài)），DOWN（下降），OPEN（電梯開門），UP（上升），CLOSE（電梯關(guān)門），DELAY（延時狀態(tài)）七個狀態(tài)。5.2系統(tǒng)仿真結(jié)果本小節(jié)主要分析系統(tǒng)仿真結(jié)果。本小節(jié)的四個基本時序圖是在QuartusII軟件中編寫代碼并運行仿真代碼得到的，具體操作時用的是AS模式。通過分析時序圖，可以較為直觀的認識電梯的運行狀態(tài)。以下四個時序圖分別為上升功能、下降功能、升降同步請求和升降異步請求的的仿真結(jié)果，其他電梯運行狀態(tài)和沖突都由上升、下降、升降同步請求和升降異步請求這四種基本狀態(tài)組成。圖5.4上升功能仿真時序圖圖5.4為上升功能仿真，它體現(xiàn)了電梯從一樓上升到四樓的運行過程。A時刻之前，電梯在一樓停著且為未運行未收到任何指令的狀態(tài)，如果在500ns時刻，給電梯一個操作指令，也就是按下4樓按鈕，電梯對應的4樓按鈕輸出inside_key[3]信息，電梯接收到上升信息（up_ctrl），此時電梯停止樓層反饋信號floor_in[3：0]在電梯上升過程中，到達二樓時由0001變?yōu)?010，到達三樓時由0010變?yōu)?100，到達四樓時由0100變?yōu)?000。停止樓層反饋信號0001中，“1”位于二進制數(shù)0001的右邊第一位，代表電梯位于一樓；停止樓層反饋信號0010中，“1”位于二進制數(shù)0010的右邊第二位，代表電梯位于二樓；停止樓層反饋信號0100中，“1”位于二進制數(shù)0100的右邊第三位，代表電梯位于三樓；停止樓層反饋信號1000中，“1”位于二進制數(shù)1000的右邊第四位，代表電梯位于四樓。電梯內(nèi)停止樓層反饋信號floor_in[3：0]變?yōu)?000時，時序圖出現(xiàn)一個脈沖，上升完成信號up_done出現(xiàn)，意味著電梯上升操作完成。電梯同時收到開門信息open_ctrl并打開電梯門，緊接著完成開門動作并反饋虛擬電梯開門成功信號open_done。一段時間后出現(xiàn)超時信號time_up，系統(tǒng)收到關(guān)門信息close_ctrl，電梯門關(guān)閉瞬間出現(xiàn)虛擬電梯關(guān)門成功信號close_done，此時電梯已經(jīng)完成關(guān)門操作，進入等待狀態(tài)。至此，電梯成功完成一樓到四樓的整套操作。圖5.5下降功能仿真時序圖圖5.5為下降功能仿真，它體現(xiàn)了電梯從四樓下降到一樓的運行過程。A時刻之前，為時序圖的初始狀態(tài)，電梯在四樓停著。此時按下電梯內(nèi)的按鈕1，inside_key[0]，電梯接收到下降信息（down_ctr），此時電梯停止樓層反饋信號floor_in[3：0]在電梯下降過程中，到達三樓時由1000變?yōu)?100，到達二樓時由0100變?yōu)?010，到達四樓時由0010變?yōu)?001。停止樓層反饋信號0001中，“1”位于二進制數(shù)0001的右邊第一位，代表電梯位于一樓，電梯位于其他樓層的反饋信號同此方法理解。，電梯停止樓層反饋信號floor_in[3：0]變?yōu)?001時，時序圖出現(xiàn)一個脈沖，下降完成信號down_done出現(xiàn)，意味著電梯下降操作完成。電梯同時收到開門信息open_ctrl并打開電梯門，緊接著完成開門動作并反饋虛擬電梯開門成功信號open_done。一段時間后出現(xiàn)超時信號time_up，系統(tǒng)收到關(guān)門信息close_ctrl，電梯門關(guān)閉瞬間出現(xiàn)虛擬電梯關(guān)門成功信號close_done，此時電梯已經(jīng)完成關(guān)門操作，進入等待狀態(tài)。至此，電梯成功完成四樓到一樓的整套操作。圖5.6升降同步請求仿真時序圖圖5.6為電梯上升過程中同時收到一樓上升請求和四樓下降請求時的時序圖。在圖5.4上升功能仿真時序圖中能得知上升過程中inside_key[3：0]一直為0000，其中四個“0”代表每個樓層都未按樓層按鈕。圖5.6中TimeA之前電梯上升，到二樓時inside_key[3：0]由0000變?yōu)?001，這代表一樓四樓同時發(fā)出指令，這種情況下，電梯先處理上升指令后處理下降指令。電梯停止樓層反饋信號floor_in[3：0]變?yōu)?000時，時序圖出現(xiàn)一個脈沖，上升完成信號up_done出現(xiàn)，意味著電梯上升操作完成。電梯同時收到開門信息open_ctrl并打開電梯門，緊接著完成開門動作并反饋虛擬電梯開門成功信號open_done。一段時間后出現(xiàn)超時信號time_up，系統(tǒng)收到關(guān)門信息close_ctrl，電梯門關(guān)閉瞬間出現(xiàn)虛擬電梯關(guān)門成功信號close_done，此時電梯已經(jīng)完成關(guān)門操作。緊接著，電梯才響應一樓的下降指令down_request，到達一樓以后，完成一樓的上升操作。圖5.7升降異步請求仿真時序圖圖5.7為電梯下降過程中同時收到一樓上升請求和四樓下降請求時的時序圖。圖5.7中TimeA之前電梯停在四樓，TimeA時刻收到三樓下降信號并下降到三樓。三樓按下下降按鈕，電梯下降。下降過程又收到一樓四樓的請求，這種情況下，電梯會先到一樓，再到四樓。據(jù)體運行情況與上升仿真和下降仿真類似，在此便不重復闡述。5.3電梯運行狀態(tài)闡述當電梯處于一樓，電梯接收信號以后只能上升；電梯位于二樓，電梯接收信號以后既能上升又能下降；當電梯處于最高一樓，電梯接收信號以后只能下降。當電梯接收的信號指令沖突時除了上升下降狀態(tài)，電梯還有以下運行狀態(tài)：開門關(guān)門狀態(tài)、延時等待狀態(tài)。

結(jié)論本次論文設計了基于FPGA的電梯控制器，實現(xiàn)了電梯控制器所具備的功各種基本能。本次設計采用了工程設計中常用的模塊化設計方法，采用Altrera公司CyclioneII系芯片。系統(tǒng)功能用硬件描述語言Verilog-HDL實現(xiàn)，系統(tǒng)最主要的模塊是控制器、其輸入信號是由信號輸入模塊的按鈕輸入，輔助控制器完成控制的模塊有虛擬電梯以及LED樓層顯示模塊。電梯運行的原則為方向優(yōu)先的原則，舉個例子來說來說就是：電梯處于上升狀態(tài)，四樓和一樓同時發(fā)出指令，控制器先響應四樓指令，再響應一樓指令，直到所有請求響應完成，通過先后響應，電梯不僅能減少一部分冗余操作，而且能減少因指令沖突可能帶來的不安全因素。經(jīng)過測試，電梯控制器能夠完成各種控制操作，達到了功能要求和設計目標。仿真結(jié)果證明，各種復雜沖突狀態(tài)均由四個基本運行狀態(tài)組成，因此本次設計的控制器能夠控制電梯完成基本操作以及各種控制操作。由于本人才疏學淺，系統(tǒng)里邊