《EDA技术》项目设计报告
题目：基于FPGA的六层电梯控制器
学 院：电子与信息工程学院 专 业：电子信息科学与技术 姓 名： X X X 班 级： 14电信本（2）班 学 号： 140919022 指导老师： X X X
二〇一六年十二月
1、 绪论 -------------------------------- 错误！未定义书签。 1.1电梯控制器的发展现状 ------------- 错误！未定义书签。 1.2本次设计的主要内容 --------------- 错误！未定义书签。 1.3设计原理与思路 ------------------- 错误！未定义书签。 1.4硬件设计 ------------------------ 错误！未定义书签。 1.5软件设计 ------------------------ 错误！未定义书签。 2、 FPGA 硬件结构知识 ------------------- 错误！未定义书签。 2.1 FPGA 概述 ----------------------- 错误！未定义书签。 2.2 FPGA 体系结构 ------------------- 错误！未定义书签。 2.3 FPGA 常用芯片介绍 --------------- 错误！未定义书签。 3、VHDL 硬件描述语言 -------------------- 错误！未定义书签。 3.1 VHDL 语言特点 ------------------- 错误！未定义书签。 3.2 状态机的VHDL 实现 --------------- 错误！未定义书签。 4、电梯控制器的工作原理 ----------------- 错误！未定义书签。 5、电梯控制系统的设计内容 --------------- 错误！未定义书签。 5.1 时钟分频模块 -------------------- 错误！未定义书签。 5.2 按键处理模块 -------------------- 错误！未定义书签。 5.3 电梯运行控制模块 ---------------- 错误！未定义书签。 5.4 数码管显示模块 ------------------ 错误！未定义书签。 5.5 电梯超重控制可行性分析 ---------- 错误！未定义书签。 6、 电梯控制器顶层图形 ------------------ 错误！未定义书签。 7、 总结 -------------------------------- 错误！未定义书签。
1、绪论
1.1电梯控制器的发展现状
国家规定超过六楼以上的楼层必须按要求安装电梯，而且随着超高层建筑的出现，电梯的应用越来越来广泛了，与此同时，对电梯的要求也越来越高了。目前，电梯的设计、工艺不断提高，电梯的品种也逐渐增多，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新：手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等；多台电梯还出现了并联控制、智能群控；双层轿箱电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势，变速式自动人行道扶梯大大节省了行人的时间；不同外形的电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。
电梯的结构分为：四大空间，八大系统；四大空间：机房部分、井道及地坑部分、轿厢部分、层站部分；八大系统：曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统；电梯的功能结构决定电梯的八大应用技术：
1) 全数字识别乘客技术（所有乘客进入电梯前进行识别，其中包括眼球识别、指纹识别）
2) 数字智能型安全控制技术（通过乘客识别系统或者IC 卡以及数码监控设备，拒绝外来人员进入）
3) 第四代无机房电梯技术（主机必须与导轨和轿厢分离，完全没有共振共鸣，速度可以达到2.0M/S 以上，最高可以使用在30 层以上。）
4) 双向安全保护技术（双向安全钳、双向限速器，在欧洲必须使用，中国正在被普遍使用）
5) 快速安装技术（改变过去的电梯安装方法，能够快速组装） 6) 节能技术（采用节能技术，使电梯更节约能源） 7) 数字监控技术（完全采用计算机进行电梯监控与控制）
8) 无线远程控制及报警装置（当电梯产生故障时，电梯可以通过无线装置给手机发送故障信息，并通过手机发送信号对电梯进行简单控制。）
本次设计主要是控制电梯的运行模式和状态，对信号进行处理的模块，重点在对响应的信号进行处理，并将处理结果反馈给对应功能的控制端口，实现对电
梯运行的全面控制。
1.2本次设计的主要内容
随着可编程逻辑电路和EDA 技术的发展，在逻辑电路设计和嵌入式系统设计方面，以CPLD/FPGA 为代表的可编程逻辑器件已经逐步代替了传统的标准逻辑器件；本次设计的电梯控制器所有的程序可以集成在一个FPGA 开发芯片上面，不用在用其他功能的分立逻辑元件，达到集成度高、响应快、功耗低的特点。
本次设计是基于 FPGA 的电梯控制器的研究，是电梯控制的核心技术，通过电梯控制器可以对电梯运行模式和状态进行全面的控制，这也是次设计的研究重要性；电梯的层数为6 层，本次设计采用模块化设计，主要分为四大模块：时钟分频模块、按键处理模块、电梯运行控制模块、数码管显示模块。
由于 FPGA 技术近些年来蓬勃发展，而且在很多领域已经应用的十分成熟，用FPGA 可以实现对电梯精确、实时性控制，而且用于FPGA 开发的芯片都是一些微处理器芯片，便于集成和智能化设计，而且大大缩短了开发周期。
1.3设计原理与思路
本次设计是实现 6 层电梯的运行控制，当在某一楼层按下上升或者下降请求按钮时，控制器响应该请求并控制电梯前往该楼层，当到达该楼层时电梯开门，当进入电梯后，电梯关门，此时按下要到达的楼层按钮，控制器响应该请求并控制电梯前往该楼层，当到达前往楼层后，电梯开门，走出电梯，然后关门......，就这样往复的实现电梯的控制功能。电梯运行时遵循如下规则：当电梯处于上升模式时，只响应比电梯所在位置高的上楼信号，由下至上依次执行；直到最后一个上楼请求执行完毕，如有更高层有下楼请求时，则直接升到有下降请求的最高楼，然后进入下降模式，电梯处于下降模式时，则与上升相反。
电梯的输入信号主要包括外部输入信号和内部输入信号；对于电梯外部输入信号：每一层电梯门外都有上升请求和下降请求按钮，其中一楼电梯门外只有上升请求按钮，六楼电梯门外只有下降请求按钮。对于电梯内部输入信号主要有：6 个前往楼层的按钮、提前关门按钮、延时关门按钮、电梯异常按钮。
电梯输出信号也主要包括外部输出信号和内部输出信号；对于电梯外部输出信号包括上升请求按钮和下降按钮指示信号、电梯当前所在楼层指示信号、电梯运行方向指示信号。电梯内部输出信号包括6 个前往楼层按钮指示信号、超重
等警告指示信号、电梯当前所在楼层指示信号、电梯运行方面指示信号。
1.4硬件设计
本次设计主要是通过 Altera 公司生产的CycloneIII这一款芯片进行功能的实现，CycloneIII 器件采用TSMC90nm 低K 绝缘材料工艺技术，这种技术结合Altera 低成本的设计方式，使之能够在更低的成本下制造出更大容量的器件。这种新的器件比第一代Cyclone 产品具有两倍多的I/O 引脚，且对可编程逻辑的存储块和其它特性进行了最优的组合，具有许多新的增强特性。
CycloneIII 器件包含了许多新的特性，如嵌入存储器、嵌入乘法器、PLL 和低成本的封装，这些都为诸如视频显示、数字电视(DTV)、机顶盒(STB)、DVD 播放器、DSL调制解调器、家用网关和中低端路由器等批量应用进行了优化。在EDA 设计的开发板上面，支持SOPC 片上可编程，在CycloneIII 芯片旁边外围有按键模块、液晶显示模块、LED 指示灯等，通过QuartusⅡ平台将硬件描述语言下载至该芯片中，然后进行程序的调试、运行并进行功能的实现。
1.5软件设计
Altera 的FPGA 设计主要采用两种标准语言：VHDL/Verilog HDL。其中VerilogHDL 出现早，运用广泛，而且比较简单，在NIOS 项目里运用较多；而VHDL 语言功能强大，语句相对要复杂一些，所以对于现在一些复杂的可编程项目多采用VHDL语言编写。
VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description
Language）主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分、端口)和内部（或称不可视部分），涉及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，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个 实体。如下图4-1 是VHDL 的层次模型：
基于FPGA的六层电梯控制器
