目录
绪论 (2)
第一章系统总体设计 (3)
第二章设计方案 (5)
2.1 电梯控制方式的选择 (5)
2.2 模块的设计 (7)
第三章设计流程图 (10)
3.1 系统状态流程图 (10)
3.2 电梯控制器的VHDL描述 (11)
第四章VHDL语言分析 (12)
4.1 端口的描述 (12)
4.2 进程的描述 (14)
4.3 数码管显示描述 (15)
4.4 电梯信号的请求描述 (18)
第五章系统仿真/硬件测试 (20)
5.1 系统仿真具体如下 (20)
5.2 系统仿真结果如下 (23)
5.3 硬件配置 (24)
5.4 硬件测试结果 (25)
结束语 (28)
参考文献 (29)
附录 (30)
模式5的电路图 (36)
绪论
20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。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。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA 软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。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版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA 的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。
硬件描述语言HDL是EDA技术的重要组成部分，常见的HDL 主要有VHDL、Verilog HDL、ABEL、AHDL、System Verilog和SystemC。其中VHDL、Verilog HDL在现在的EDA设计中使用最多，并且我们学习的是VHDL的编程方法和实用技术。
VHDL的英文全名是VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language,由IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers）进一步发展，并在1987年作为“IEEE标准1076”公布。从此VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。
本课程设计使用软件为max+plusⅡ、QuartusⅡ，设计一个电梯控制器，硬件通过ALTERA公司的ACEX1K系列的EP1K30TC144-3芯片来实现。软件通过VHDL语言来实现。
第一章系统总体设计
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。
电梯的微机化控制主要有以下几种形式：① PLC控制；②单板机控制；③单片机控制；④单微机控制；⑤多微机控制；⑥人工智能控制。随着EDA技术的快速发展，CPLD/FPGA已广泛应用于电子设计与控制的各个方面。本设计就是使用一片
CPLD/FPGA来实现对电梯的控制的。
课设要求如下：
（1）设计一个三层楼房自动电梯控制器，用八个 LED显示电梯行进过程；
（2）并有数码管显示电梯当前所在楼层位置；
（3）每层电梯入口处设有请求按钮开关，请求按钮按下则相应楼层的LED 亮；
（4）能把设计文件进行仿真并下载到实验箱实现功能验证。我现在设计的电梯满足如下几点：
（1）设计一个6层楼的电梯控制器。
（2）该控制器可控制电梯完成6层楼的载客服而且遵循方向优先原则，并能响应提前关门延时关门，并具有超载报警和故障报警；
（3）同时指示电梯运行情况和电梯内外请求信息。
第二章设计方案
2.1 电梯控制方式的选择
我们从电梯的控制方式中选择用哪种控制方式更方便，具体如下：
电梯的控制方式：
（1）内部请求优先控制方式。
（2）单向层层停控制方式。
（3）方向优先控制方式。
1.内部请求优先控制方式
内部请求优先控制方式类似于出租车的工作方式，先将车上的人送至目的地，再去载客。作为通用型电梯应该服务于大多数人，必须考虑电梯对内、外请求的响应率P：
Pin = 100%;
Pout = 0~100%;
在内部请求优先控制方式中，当电梯外部人的请求和电梯内部人的请求冲突时，外部人的请求信号可能被长时间忽略，因而它不能作为通用型电梯的设计方案。
2.单向层层停控制方式
单向层层停控制方式等同于火车的运行方式，遇站即停止、开门。这种方案的优点在于“面面俱到”，可以保证所有人的请求都能得到响应。然而这样对电梯的效率产生消极影响：不必要的等待消耗了大量时间，而且电梯的运作与用户的请求无关，当无
请求时电梯也照常跑空车，就浪费了大量电能。对用户而言，此种控制方式的请求响应时间也不是很快。因而这不是理想的方案。
3.方向优先控制方式
方向优先控制是指电梯运行到某一楼层时先考虑这一楼层是否有请求：有，则停止；无，则继续前进。停下后再启动时，①考虑前方——上方、或下方是否有请求:有，则继续前进；无，则停止；②检测后方是否有请求，有请求则转向运行，无请求则维持停止状态。这种运作方式下，电梯对用户的请求响应率为100%，且响应的时间较短。假设：电梯每两层间的运行时间为ΔT ,楼层数为6, 在每层楼的停止时间为t, 如果每层楼都有请求,则这种控制方式的效率和上面的单向每层停等控制方式的效率一样, 然而, 当不是每层楼都有请求 (假定为只有第6层有请求输入) 时,上面的方式2(设为A方式)的响应时间:
T=5*(ΔT + t )
而方向优先控制方式(设为B方式)对同一请求的响应时间
T1=5*ΔT
即效率比
ηb/ηa = 1 + t /ΔT
方向优先控制方式的效率远大于单向层层停等控制方式的效率。而且，方向优先控制方式下，电梯在维持停止状态的时候可以进入省电模式，又能节省大量电能，
综合比较，本设计选择方向优先控制方式。
2.2 系统的组成框图如下
2.2 模块的设计
我们设计系统中包括如下几个模块：
（1）外部数据高速采集模块。
（2）信号存储模块。
（3）基于FPGA 的中央处理模块。
（4）信号的输出、显示模块。
FPGA
系统时
楼层请
关门中 分频器 中央处理器
超载
故障清 信号 存储 电梯升、降、 门开、关、 楼层显示 请求信号 超载、故障 状态存
提前关
1、外部数据高速采集模块
对外部信号采集、处理要求电梯控制器：
（1）外部请求信号的实时、准确采集。
（2）准确、实时的捕捉楼层到达信号。
（3）有效的防止楼层到达信号、外部请求信号的误判。
控制器采用FPGA作为系统控制的核心，系统时钟频率是32.0000MHz，完全可以满足实时采集数据的要求。由于电路中毛刺现象的存在，信号的纯净度降低，单个的毛刺往往被误作为系统状态转换的触发信号，严重影响电梯的正常工作。可以采用多次检测的方法解决这个问题，对一个信号进行多次采样以保证信号的可信度。外部请求信号的输入形式为按键输入，到达楼层信号来自光敏传感器，关门中断信号及超载信号则产生于压力传感器。键盘、光敏外部输入接口电路未设计。
2、信号存储模块设计
电梯控制器的请求输入信号有18个（电梯外有6个上升请求和6个下降请求的用户输入断口，电梯内有6个请求用户输入断口），由于系统对内、外请求没有设置优先级，各楼层的内、外请求信号被采集后可先进行运算，再存到存储器内。电梯运行过程中，由于用户的请求信号的输入是离散的，而且系统对请求的响应也是离散的，因此请求信号的存储要求新的请求信号不能覆盖原来的请求信号，只有响应动作完成后才能清除存储器内对应的请求信号位。
3、基于FPGA的中央处理模块
中央数据处理模块是系统的核心，通过对存储的数据（含请求、到达楼层等信号）进行比较、判断以驱动系统状态的流转。
电梯工作过程中共有９种状态：等待、上升、下降、开门、关门、停止、休眠、超载报警以及故障报警状态。一般情况下，电梯工作起始点是第一层，起始状态是等待状态，启动条件是收到上升请求。
超载状态时电梯关门动作取消，同时发出警报，直到警报被清除；故障时电梯不执行关门动作，同时发出警报，直到警报被清除（看门狗信号有效的条件是一层楼连续发生关门中断情况超过3次）。本系统由请求信号启动，运行中每检测到一个到达楼层信号，就将信号存储器的请求信号和楼层状态信号进行比较，再参考原方向信号来决定是否停止，转向等动作。
4、信号的输出、显示模块
本系统的输出信号有两种：一种是电机的升降控制信号（两位）和开门/关门控制信号；另一种是面向用户的提示信号（含楼层显示、方向显示、已接受请求显示等）。电机的控制信号一般需要两位，本系统中电机有3种工作状态：正转、反转和停转状态。两位控制信号作为一个三路开关的选通信号，此三路开关选用模拟电子开关。系统的显示输出包括数码管楼层显示、数码管请求信号显示和表征运动方向的箭头形指示灯的开关信号。