1、基于FPGA的電梯控制系統(tǒng)需求分析文檔第二小組2014年11月20日目錄1.引言51.1目的51.2背景51.3參考資料51.4術(shù)語62.任務(wù)概述92.1目標(biāo)92.2系統(tǒng)的特點103.假定和約束114.需求規(guī)定114.1.1軟件說明114.1.2外部界面需求121)用戶界面122)軟件界面124.2對功能的一般性規(guī)定124.3.1 電梯系統(tǒng)的實體關(guān)系圖124.3.2 電梯系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖134.3.2場景154.4.1輸入輸出要求151)引言152)輸入163)處理過程描述164.4.2功能性需求161)引言162)輸入173)處理過程描述174)輸出174.5數(shù)據(jù)管理能力要求（針對軟件系統(tǒng)）1

2、74.6 故障處理要求174.7其他專門要求175.運行環(huán)境規(guī)定185.1設(shè)備185.2支撐軟件181）操作系統(tǒng):windows操作系統(tǒng)。182）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。183）其他支撐軟件: 語言vhdl，Altera Quartus II 設(shè)計軟件.185.3接口185.4控制186.測試計劃186.1引言186.2目的186.3背景196.4試需求196.5分析各種信息196.6測試策略197.測試內(nèi)容207.1.1人力資源207.1.2系統(tǒng)資源217.1.3人員安排211)估計測試工作量212)創(chuàng)建工程調(diào)度表211.引言1.1目的運用FPGA來設(shè)計自動電梯控制系統(tǒng)設(shè)計，使電梯的運行環(huán)境簡潔，操

3、作方便，控制性能更好。1.2背景軟件系統(tǒng)的名稱:基于FPGA的十層電梯控制器的設(shè)計行業(yè)情況,隨著社會的發(fā)展，電梯作為一種垂直運輸?shù)慕煌üぞ?，已在人們生活中有著不可替代的地位。目前，中國電梯市場一直被日本企業(yè)（日立、三菱）壟斷，隨著近幾年房地產(chǎn)的持續(xù)升溫，電梯市場一直保持著旺盛的需求，并且有著巨大市場和發(fā)展?jié)摿臻g。本項目的任務(wù)提出者:余學(xué)義，王帥，練敏，趙家勝開發(fā)者: 余學(xué)義，王帥，練敏，趙家勝1.3參考資料1唐朔飛計算機(jī)組成原理第二版高等教育出版社，19992劉福奇Verilog HDL應(yīng)用程序設(shè)計電子工業(yè)出版社，20093金美華，宋萬杰，吳順君。FPGA中浮點乘法器的實現(xiàn)。4劉凌數(shù)字信號處

4、理的FPGA實現(xiàn)清華大學(xué)出版社2002。5崔云娟基于FPGA常用浮點運算電路的VHDL設(shè)計西安電子科技大學(xué)本科學(xué)位論文2004。6曠捷. 基于FPGA的單精度浮點數(shù)乘法器設(shè)計。武漢，2010.3.187周寧寧. 基于FPGA技術(shù)的浮點運算器設(shè)計與實現(xiàn)。2005.8徐洋.基于Verilog HDL的FPGA設(shè)計與工程應(yīng)用.人民郵電出版社.2009年10月.9云創(chuàng)工作室.Verilog HDL程序設(shè)計與實踐.人民郵電出版社.2009年02月.10張延偉.Verilog HDL程序設(shè)計實例詳解.人民郵電出版社.2008年04月.11華清遠(yuǎn)見嵌入式培訓(xùn)中心.FPGA應(yīng)用開發(fā)入門與典型實例.人民郵電出版

5、社.2008年07月.12楊躍.FPGA應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)技巧精粹.人民郵電出版社.2009年04月.13王傳新.FPGA設(shè)計基礎(chǔ).高等教育出版社.2007年09月.1.4術(shù)語EDA:EDA是電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation）縮寫，是90年代初從CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）、CAM（計算機(jī)輔助制造）、CAT（計算機(jī)輔助測試）和CAE（計算機(jī)輔助工程）的概念發(fā)展而來的。EDA技術(shù)是以計算機(jī)為工具，根據(jù)硬件描述語言HDL（ Hardware Description language）完成的設(shè)計文件，自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優(yōu)化、布局布線、仿真以及對于特定

6、目標(biāo)芯片的適配編譯和編程下載等工作。典型的EDA工具中必須包含兩個特殊的軟件包，即綜合器和適配器。綜合器的功能就是將設(shè)計者在EDA平臺上完成的針對某個系統(tǒng)項目的HDL、原理圖或狀態(tài)圖形描述，針對給定的硬件系統(tǒng)組件，進(jìn)行編譯、優(yōu)化、轉(zhuǎn)換和綜合，最終獲得我們欲實現(xiàn)功能的描述文件。綜合器在工作前，必須給定所要實現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)參數(shù)，它的功能就是將軟件描述與給定的硬件結(jié)構(gòu)用一定的方式聯(lián)系起來。也就是說，綜合器是軟件描述與硬件實現(xiàn)的一座橋梁。綜合過程就是將電路的高級語言描述轉(zhuǎn)換低級的、可與目標(biāo)器件FPGA/CPLD相映射的網(wǎng)表文件。 FPGA: FPGA（FieldProgrammable Gate Arr

7、ay），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。FPGA的基本特點：1.采用FPGA設(shè)計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。2.FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。3.FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和IO引腳。4.FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。5.FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量

8、系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。QuartusII

9、:Altera Quartus II 設(shè)計軟件提供完整的多平臺設(shè)計環(huán)境，能夠直接滿足特定設(shè)計需要，為可編程芯片系統(tǒng)(SOPC) 提供全面的設(shè)計環(huán)境。DE2開發(fā)板: ED2是Altera公司針對大學(xué)教學(xué)及研究機(jī)構(gòu)推出的FPGA多媒體開發(fā)平臺。DE2為用戶提供了豐富的外設(shè)及多媒體特性，并具有靈活而可靠的外圍接口設(shè)計。DE2能幫助使用者迅速理解和掌握實時多媒體工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的技巧，并提供系統(tǒng)設(shè)計的驗證。DE2平臺的設(shè)計和制造完全按照工業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，可靠性很高。ED2開發(fā)板2.任務(wù)概述2.1目標(biāo)設(shè)計一個10層樓的自動電梯控制器，該控制器可控制電梯完成10層樓的載客服務(wù)而遵循方向優(yōu)先原則，能響應(yīng)提前關(guān)門

10、延時關(guān)門，并具有超載報警和故障報警。該設(shè)計是一個基于FPGA的自動升降電梯控制系統(tǒng)。它的設(shè)計是采用VHDL硬件描述語言使用EDA技術(shù)在Quartus II軟件平臺上設(shè)計完成的，調(diào)試并且時序仿真通過后再下載到開發(fā)板上調(diào)試通過。這個系統(tǒng)分為4個模塊：外部數(shù)據(jù)采集模塊、信號存儲模塊、中央處理控制模塊、信號顯示模塊。中央處理模塊采用狀態(tài)機(jī)的方式來完成的。電梯的運行和停止過程包括8個狀態(tài)：上升、下降、停止、開門、關(guān)門、等待、超載以及故障。其中上升和下降過程又分別包含1到10樓六個子狀態(tài)。通過不同條件的改變來控制狀態(tài)之間的變換。這些條件的改變是通過對一些輸入輸出和寄存器信號的變化來完成的。這些信號包括每個

11、樓層的上升、下降、樓層請求、運動方向顯示、樓層顯示等信號。所以設(shè)計了數(shù)據(jù)采集和存儲模塊來采集并存儲這些信號。信號顯示模塊的設(shè)計體現(xiàn)在電梯每進(jìn)入一種狀態(tài)就會有相應(yīng)的輸出和顯示。即設(shè)計一個基于FPGA的十層樓電梯控制系統(tǒng)，實現(xiàn)上升、下降、開門、等待關(guān)門、關(guān)門、超載報警、故障報警、休眠等功能，完成電梯系統(tǒng)控制功能。并通過仿真結(jié)果驗證其正確性。2.2系統(tǒng)的特點1采用FPGA設(shè)計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。2FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。3FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和IO引腳。4FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。5F

12、PGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片

13、FPGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。電梯控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下：3.假定和約束如果時間允許的話開發(fā)時間為三個月。4.需求規(guī)定4.1.1軟件說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖乘客通過按動每層樓的按鈕或者電梯內(nèi)的控制面板來與電梯系統(tǒng)進(jìn)行交互。一般來說，電梯停在樓宇的底層(第0層)。如果乘客進(jìn)入電梯并按了去第n層的按鈕，電梯將升向第n層。當(dāng)電梯到達(dá)所請求的樓層的時候(也就是說第n層)，它將打開門M秒鐘，然后關(guān)上門。電梯變成閑置。如圖：電梯控制系統(tǒng)的分析類圖4.1.2外部界面需求1)用戶界面1.乘客操作界面上下樓請求按鈕,1- n層的樓層按鈕,關(guān)門按鈕，開門按鈕,報警按鈕上下樓請求按鈕,1- n層的樓層按鈕

14、,關(guān)門按鈕，開門按鈕,報警按鈕查看源代碼,修改源代碼。2)軟件界面本電梯控制系統(tǒng)為普通用戶，因此界面應(yīng)該簡單明了，避免為了追求華麗而影響界面的整潔與清晰，對于按鈕的操作應(yīng)盡可能的方便，精確度高，可以滿足用戶的平時習(xí)慣。4.2對功能的一般性規(guī)定聲音提示，包括：統(tǒng)一的錯誤聲音提示，到達(dá)樓層的聲音提示，電梯故障聲音提示。畫面提示，包括：電梯休眠狀態(tài)，電梯正常工作狀態(tài)，電梯故障。該電梯控制系統(tǒng)處于24小時工作狀態(tài)，如有遇到故障需要維修，則電梯控制系統(tǒng)會顯示畫面提示。4.3.1 電梯系統(tǒng)的實體關(guān)系圖4.3.2 電梯系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖 電梯控制器數(shù)據(jù)流圖4.3.2場景例如：乘客在樓的底層進(jìn)入電梯等待室。他按動

15、向上按鈕并等待電梯到達(dá)。當(dāng)電梯到達(dá)的時候，電梯打開，他進(jìn)入電梯并按動電梯內(nèi)部控制面板上的第10層按鈕。電梯關(guān)閉并向上升起直至到達(dá)第10層。電梯打開，乘客走出電梯。電梯等待片刻(6秒鐘)，關(guān)閉然后再次向下到達(dá)底層。電梯將呆在底層等待與其他用戶交互。4.4.1輸入輸出要求1)引言為了滿足用戶的上樓或下樓請求，用戶正確到達(dá)目的樓層，系統(tǒng)通過響應(yīng)用戶的請求指令，進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)來控制電梯的上下運動。2)輸入用戶通過電梯內(nèi)部的按鈕1-n層的數(shù)字按鈕、向上或向下請求的按鈕3)處理過程描述系統(tǒng)獲得多用戶的請求后，將指令傳遞到應(yīng)用接口，在系統(tǒng)的規(guī)定時間段里，如果沒有特殊（開門、關(guān)門按鈕）,電梯門則自動關(guān)閉，然后將

16、獲得的請求經(jīng)過優(yōu)先處理得到當(dāng)前電梯所要去的首目的樓層，結(jié)合電梯當(dāng)前的樓層判斷出電梯要做向上還是向下運動，進(jìn)而將指令給上下運動控制系統(tǒng)，從而驅(qū)動電梯上下運動來實現(xiàn)上下樓的目的，當(dāng)電梯到達(dá)該樓層后，按鈕燈熄滅。如果電梯已到達(dá)該樓層，或者電梯正在沿所請求的方向運動，或者遇到有沖突的請求時，按鈕燈滅，在遇到有沖突的情況下，如果兩層同時發(fā)出請求，則只能取消其中一個請求，決定服務(wù)優(yōu)先次序的算法應(yīng)該盡量減少兩個請求的等待時間。4)輸出電梯的運行結(jié)果即為輸出結(jié)果，在到達(dá)該樓層后電梯自動開啟，自動開啟后在系統(tǒng)的規(guī)定等待時間段里，如果沒有特殊請求，電梯門則自動關(guān)閉，如果電梯的運行結(jié)果出錯，則需要通知管理員，維護(hù)人

17、員進(jìn)行檢查和維護(hù)。4.4.2功能性需求1)引言為了解決用戶在上下樓之前出現(xiàn)的忙碌狀態(tài)的時候，能體現(xiàn)出該系統(tǒng)的人性化，用戶可以通過按下延遲控制按鈕來延遲電梯的自動關(guān)門或按下提前關(guān)門控制按鈕提前電梯的自動關(guān)門時間。2)輸入按鈕的選擇相當(dāng)于輸入。3)處理過程描述在多用戶使用電梯的時候，即系統(tǒng)接到多個請求后，或系統(tǒng)在接到一個請求后又接到別的請求。系統(tǒng)將當(dāng)前的首目的樓層與新的樓層請求相比較，根據(jù)減少請求間的等待時間為原則判斷哪個請求優(yōu)先，從而系統(tǒng)響應(yīng)優(yōu)先請求，即將優(yōu)先的請求更新為電梯新的首目的樓層，如果中途再遇到新請求，則做一樣的處理。4)輸出電梯的運行結(jié)果即為輸出結(jié)果，如果電梯的運行結(jié)果錯誤，則需要通

18、知管理人員，維護(hù)人員進(jìn)行檢查和維護(hù)。4.5數(shù)據(jù)管理能力要求（針對軟件系統(tǒng)）說明需要管理的文卷和記錄的個數(shù)、表和文卷的大小規(guī)模，要按可預(yù)見的增長對數(shù)據(jù)及其分量的存儲作出估算。4.6 故障處理要求列出可能的軟件、硬件故障以應(yīng)對各項性而言所產(chǎn)生的后果和對故障處理的要求。4.7其他專門要求如用戶對安全保密的要求，包括信息加密、信息認(rèn)證（確定穿過系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的信息沒有被修改）方面的要求。對使用方便的要求，對可維護(hù)性、可補(bǔ)充性、易讀性、可靠性、運行環(huán)境可轉(zhuǎn)換性的特殊要求等。5.運行環(huán)境規(guī)定5.1設(shè)備硬件平臺:PC機(jī)一臺，Altera DE0,50M，27M晶振各一個，支持外部時鐘，80針帶保護(hù)電路的外接IO

19、。存儲芯片有： 512-KB SRAM，8-Mbyte SDRAM，4-Mbyte Flash memory。5.2支撐軟件1）操作系統(tǒng):windows操作系統(tǒng)。2）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。3）其他支撐軟件: 語言vhdl，Altera Quartus II 設(shè)計軟件.5.3接口通用串行總線USB控制模塊以及A、B型接口，SD Card接口，IrDA紅外模塊。10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)絡(luò)適配器，RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口， PS/2鍵盤接口。5.4控制說明控制該產(chǎn)品的運行的方法和控制信號，并說明這些控制信號的來源。6.測試計劃6.1引言6.2目的說明本項目測試目的、預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)。 6.3背景說明本項目測試的背景。列出編寫本報告及測試整個過程中所要參考的文件、資料。相關(guān)文件列表文檔已創(chuàng)建（是/否）版本/日期需求詳述是2014.11.01功能詳述是2014.11.01項目計劃是2014.11.10設(shè)計詳述是2014.11.166.4試需求6.5分析各種信息反復(fù)檢查并理解各種信息，和用戶交流，理解他們的要求?？梢园凑找韵虏襟E執(zhí)行： 1確定軟件提供的主要商業(yè)任務(wù)。2對每個商業(yè)任務(wù)，確定完成該任務(wù)所要進(jìn)行的交易。3確定從數(shù)據(jù)庫信息引出的計算結(jié)果。4對于對時間有要求的交易，確定所要的時間和條件。這些條件包括數(shù)據(jù)庫大