智能电梯控制器设计报告
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智能电梯控制器设计报告
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目录
一、 系统设计任务及需求分析 ............................................................................ 1
二、 系统概要设计.............................................................................................. 2
三、 系统详细设计.............................................................................................. 3
四、 系统的具体实施 .......................................................................................... 7
五、 系统测试和系统仿真 ................................................................................. 14
六、 系统的演示 ............................................................................................... 15
七、 课设的心得和体会..................................................................................... 17
八、 参考资料................................................................................................... 17
智能电梯控制器设计报告
学号：012004015602 电子信息工程0406班 彭令鹏
一、 系统设计任务及需求分析
系统的总体任务是用verilog编写出一个智能电梯控制器。要求该控制器器能实现普通电梯的大部分控制功能，并能将其下载到FPGA开发板上进行演示。
由总体任务出发，对电梯的一般运行规律进行认真的分析，不难得出该控制器应具有下面这些功能。
[1]. 具有好的交互性接口，能比较实时地响应用户的各项请求 。除顶层和底层外，每层电梯的入口都设有上下请求开关，顶层和底层分别只设有下降和上升的请求开关；电梯内部设有乘客到达层次的请求信号。
[2]. 电梯每1s上升或下降一层。
[3]. 电梯到达有停站请求的楼层后，经过1s后将门打开，开门指示灯亮，开门4s后，电梯门关闭，开门指示灯灭，电梯继续运行，直至执行完最后一个请求后停在当前层。
[4]. 能记忆电梯内外的所有请求信号，并按运行规则顺序响应各个请求，每个请求信号保持至北执行完后才被清除。
[5]. 实现这样的运行规则：当电梯处于上升模式时，只响应比电梯所在位置高的上楼请求信号和梯内乘客下电梯的请求，这些请求信号由下而上逐个执行，直到最后一个请求信号执行完毕。这时如果更高层有下楼请求，则直接开到有下楼请求的最高层接客，然后进入下降模式；如果是低层有请求信号，则下降至低012004015602 电子信息工程0406班 彭令鹏
第2页，共17页 层响应请求；如无任何请求，电梯则停在当前层。当电梯处于下降模式时，其运行规则与上升模式相反。
[6]. 电梯所处的状态，用户的请求信号都应能够比较实时地显示出来。
[7]. 如果时间和资源允许，还可加入其它一些功能，如电梯锁定禁止运行、超载报警、电梯上升下降的速度可调等等。
二、 系统概要设计
由需求分析可知，此系统要实现的功能不是特别的少，为避免开发的盲目性，也为了减少系统在调试、测试和维护的工作量，有必要对系统进行概要设计。
根据自顶向下的模块化设计思想，结合需求分析中提到的要实现的功能，对系统可进行如下的模块划分。
电梯要正常上升、下降并比较实时地响应用户的请求，这需要一个核心模块对其进行管理，我们称这个核心模块为主控制模块。主控制模块负责电梯的各项控制功能，包括电梯能够正常的上下运转，响应电梯内外的请求，与其它模块进行交互等等。
其次电梯要能给各楼层用户提供上下楼层的请求接口，给电梯内部的用户提供停靠某楼层的请求接口，而具体到我们的开发板，这些接口就是开发板上的按键。因此，为了实现上述的接口功能，我们需要一个按键处理模块来处理各种各样的按键请求。
再者，我们需要将电梯的当前状态，用户的请求信号等通过数码管或发光二极管显示出来。因此，我们也需要一个显示模块来负责输出显示。需要说明的是，因为该模块的主要工作就是各种请求信号或状态信号的码制变换，负责的是接口转换工作，因此，我将键盘处理模块与主控制模块之间的接口实现也放在这一模块。
最后，该系统还附加了超载报警的功能，因此需要一个超载报警模块来实现这一功能。
综合上面的分析结果，考虑到各模块间的关系，可得到整个电梯控制器的框图，如图1所示。
如图1所示，整个电梯控制器可分为主控制模块、按键处理模块、显示模块智能电梯控制器设计报告
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和超载报警等4个模块。主控制模块负责直接对电梯进行控制和管理，是控制器的核心部分，其实现复杂度是4个模块中最高的；按键处理模块和显示模块负责按键处理和显示处理，两者都为外部用户与内部主控制部分的交互提供了比较好的接口，而且两者的实现负责度相当，都略低于主控制模块；超载报警模块直接根据载重量判断是否超载，因此实现最简单。
按键处理模块主控制模块显示模块超载报警模块图 1-系统框图
三、 系统详细设计
遵循自顶向下逐步细化的设计思想，我们将在概要设计的基础上，根据板上所能提供的资源，做出系统的详细设计。
主控制模块
如前所述，主控制模块的功能就是实现对电梯进行正确的控制，使电梯能正确的运转，并能以最优平均性能响应用户的请求。分析一下电梯的具体工作工程，易知电梯在正常工作时，其实就仅仅是在其有限的几个工作状态之间进行转移而已。鉴于这一点，我们决定用状态机来实现主控制模块部分的功能。
根据电梯的实际工作流程，我们可将电梯分为WAIT、UP、DOWN、UPSTOP、DOWNSTOP、OPENDOOR和CLOSEDOOR等七个状态。这七个状态间的转移关系如图2012004015602 电子信息工程0406班 彭令鹏
第4页，共17页 所示。
首先有必要简要介绍一下图2中各个状态的含义。WAIT是指电梯停靠在某一层，等待用户请求的状态；UP是指电梯处于上升的状态；DOWN是指电梯处于下降状态；UPSTOP是指电梯在上升的过程中停靠在某一层时所处的状态；DOWNSTOP是指电梯在下降的过程中停靠在某一层时所处的状态；OPENDOOR是指电梯开门时所处的状态；CLOSEDOOR是指电梯关门时所处的状态。
UPSTOP模式UP模式DOWN模式OPENDOOR模式DOWNSTOP模式CLOSEDDOOR模式WAIT模式图 2-主控制模块中的状态转移图
从图2中我们可以看出，各种状态间存在着比较复杂的转移关系，那么在满足什么样的条件下这些转移才能进行呢？这是我们接下来要讨论的问题。
在讨论这个问题之前，我们先讨论一下电梯对各种请求的响应策略。本课程设计中所采取的响应策略是以方向优先为第一准则,然后在这个前提下，优先响应电梯内部的请求，然后是电梯外部的上楼请求，最后是电梯外部的下楼请求。整个响应策略可这样来理解。 智能电梯控制器设计报告
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“方向优先”，是指当电梯处于上升模式时，只响应比电梯所在位置高的上楼请求信号和梯内乘客下电梯的请求，这些请求信号由下而上逐个执行，直到最后一个请求信号执行完毕。这时如果更高层有下楼请求，则直接开到有下楼请求的最高层接客，然后进入下降模式；如果是低层有请求信号，则下降至低层响应请求；如无任何请求，电梯则停在当前层。当电梯处于下降模式时，其运行规则与上升模式相反。
“在方向优先的前提下，优先响应电梯内部的请求，然后是电梯外部的上楼请求，最后是电梯外部的下楼请求”，是指当电梯处于WAIT模式时，当其同时受到多个请求而被激发时，进入哪个状态，依次由内部请求，外部上楼请求和外部下楼请求决定。
接下来我们讨论状态间的各步转移分别需满足什么条件。
当电梯处于WAIT模式时，按照响应策略，下一状态有这么几种可能：如果有当前层的停靠请求，或有当前层的上升请求，或无当前层和当前层之上的上升和停靠请求却有当前层的下降请求，则下一状态为OPENDOOR；在前面条件没满足的前提下，如果有当前层之上的上升或停靠或下降的请求，则下一状态为UP；在前面的条件都没满足的前提下，如果有且只有当前楼层之下的下降请求，则下一状态为DOWN；如果无任何请求，下一状态仍为WAIT。
当电梯处于其他模式，其状态转移根据响应策略，相应地推导出来，此处不予累述。
按键处理模块
如前说述，按键模块是用来处理各种按键请求的模块。因为开发板上只有8个按键，而我做的这个4层电梯控制器所需的输入信号远远超过了8个，分别是1-3楼的上楼请求信号，2-4楼的下楼请求信号，停靠1-4楼的内部停靠请求，超载输入信号，复位信号。因此按键必须复用，本课程设计采取的复用方法如下。
1. 1-4号按键分别负责用户1-4楼的上下请求，每按这些键一次，相应键的键值加1模3，0代表无请求信号，1代表有上升请求，2代表有下降请求，当confirm为TRUE时，使能将相应的键值送出。
2. 号键负责用户的停靠请求，与按键1-4类似，每按此键一次，其键值加012004015602 电子信息工程0406班 彭令鹏
第6页，共17页 1模5，键值为0代表无停靠请求，键值为1-4分别代表有停靠1-4楼的请求
3. 6号键负责超载输入（相当于实际中的压力传感器），每按此键一次，其键值加1模16（限定重量的最大量为16）代表归一化的重量当量。
4. 7号键为复位键
5. 8号键为确认键，每按此键一次，其键值加1模2，相应地confirm由0-1-0如此循环变化，只有当confirm为1时，各请求信号才能输出（更详细的控制过程请参看附件中的相关源代码(KeyProcess部分)。
接下来要说明的是按键复用的处理细节，主要有如下几点。
1. 同一按键在不同时刻送出的信号类型是由其当前的键值决定的，正如上面的复用用方法中的1提到的一样，1-4号键键值为0时，表示无请求信号，键值为1代表相应的楼层有上升的请求，键值为2时代表相应的楼层有下降的请求，其它键的复用与此类似。
2. 8号confirm键的作用。Confirm键的作用是在适当的时刻发出一个请求脉冲。它的实现机制是这样的：在程序中给confirm键设定了一个键值变量，confirm键没被按下一次，这个键值就加1模2 （即在0和1间循环）；当键值为1时，处理模块将与请求信号相对应的输出端口均置为高电平，而当键值为0时，处理模块将所有输出端口都置为低电平。这样当用户有请求信号时，连续两次按下k8键后，模块可对外输出一个高电平的请求脉冲，这个脉冲可用来提供一个与其它模块连接的触发型接口。
