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毕业论文-基于EDA技术的电梯控制器实现与仿真.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.88M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘要 在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电子技术得到了迅速的发展， 电梯已经成为城市物质文明的一种标志。在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。 随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大，电梯生产已成为我国一门极具前 景的新兴产业。 针对我国电梯业现状，本设计以电子设计自动化（Electronic Design Automation） 技术中的高速集成电路硬件描述语言（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Descrisioon Language）编写六层电梯控制程序，实验调试平台是 Altera 公司的 QuartusII 软件。此程序具有 VHDL 语言设计里最为常用的三个模块：实体 entity，结构体 architecture， 进程执行单元 process。通过程序调试及运行仿真，结果表明，本程序可以完成：电梯运行 所在楼层指示、电梯运行方向指示、关门延时设置、看门狗报警、超载报警、故障报警等。 本设计对更高层的电梯控制设计具有一定的拓展性。 关键词：电梯控制；程序设计；EDA；VHDL；QuartusII 0
    1 前言 1.1 问题的提出 人和土地资源短缺的矛盾日趋激化，我国地少人多的国情，注定了我们必须 合理解决人与土地的矛盾。兴建高层建筑是其中的有效措施之一，随之楼层电梯 业便应运而生。随着我国城镇化程度的加大，电梯市场越来越繁华，人们对电梯 的要求越来越高。如何更安全、更快捷地到达目的楼层，也就成为了人们对电梯 的最为根本的要求。因此，本设计就六层电梯控制器设计为例，结合 EDA 技术， 对电梯控制器进行设计。 1.2 设计的目的 针对我国楼层层数的基本水平，本设计希望通过简单的六层电梯控制器的设 计，为广大电梯设计者提供一个基础。针对目前中小型电梯所能实现的功能，本 控制器虚拟实现以下功能： （1） 指示电梯所在楼层； （2） 电梯基本运行； （3） 关门延时设置； （4） 提前关门设置； （5） 看门狗设置； （6） 超载报警； （7） 故障报警。 1.3 课题的主要工作 利用 VHDL 语言编程实现六层电梯控制器各个模块的功能，并用 QuartusII 对本文进行设计，讨论六层电梯控制器设计的思路、示意图、结构图、流程图及 程序仿真图。将设计在 EDA 工具 QuartusII 下进行时序仿真，得到仿真结果，验 证六层电梯控制器设计的正确性。 2 总体方案的确定 2.1 PLC 技术在电梯控制的应用 由当初的继电器逻辑控制电路到今天广为应用的可编程逻辑控制器及微机 控制系统，电梯控制的发展经历了相当一段历程。为了实现电梯的控制，过去大 多是采用继电器逻辑电路，这种逻辑控制方式具有原理简单、直观的特点，但通 1
    用性较差，对不同的楼层和不同的控制方式，其原理图、接线图等必须重新制作， 且控制系统由许多继电器触点组成，接线复杂、故障率高。因此，它逐渐被可靠 性高、通用性强的可编程序控制器及微机控制系统所代替。 由 PLC 或微机实现继电器的逻辑控制功能，具有较大的灵活性，不同的控制 方式可用相同的硬件，只是软件各不相同。只要把按钮、限位开关、光电开关、 无触点行程开关等电器元件作为输入信号，而把制动器、接触器等功率输出元件 接到输出端，就算完成了接线任务。通常，电梯功能、层数变化时，无需增减继 电器和大量的电路。PLC 是一种用于自动控制的专用微机，实质上属于微机控制 方式。PLC 在设计和制造上采取了许多抗干扰措施，输入输出均有光电隔离。能 在较恶劣的各种环境里工作、可靠性高，适合于安全性要求较高的电梯控制。PLC 将 CPU、存储器、I/O 接口等做成一体，使用方便，扩展容易。具有继电器系统 的直观、易懂、易学，应用操作和调试方便等优势。因此，目前在国产电梯及中 低档的客梯广泛应用了 PLC 控制系统，特别适用在用电梯的技术改造。 电梯既是一种特殊的起重运输设备，具有完善的机械专用结构，又是一种比 较复杂的机电一体化的大型工业产品，具有复杂的电气控制系统。就电梯的控制 方法而言，目前国产电梯广泛采用可编程控制器技术的智能化控制。由于这种控 制属于随机控制，各种输入信号之间、输出信号之间以及输入信号和输出信号之 间互相关联，逻辑关系处理起来非常复杂，这就给 PLC 编程带来很大难度。从这 种意义上来说，PLC 编程水平的高低就决定电梯运行状态的好坏，因此 PLC 应用 在电梯控制中的编程技术就成为控制电梯运行的关键技术。 PLC 充分利用了微型计算机的原理和技术，具有很强的逻辑处理能力，在电 梯运行控制中发挥了重要作用。由于电梯在运行过程中各种输入信号是随机出现 的，即信号的出现具有不确定性，同时信号需要自锁保持、互锁保存、优先级排 队、数据比较等，因此信号之间就存在复杂的逻辑关系。所以在电梯的运行控制 中，PLC 的编程工作主要是针对各种信号进行逻辑判断和处理。 2.2 单片机技术在电梯控制的应用 单片机体积小，处理速度快，价格低廉，功能强大，是合适的控制系统。对 电梯的控制主要是选层、启层、换速、平层、停车等几个环节，其中以选层环节 最为复杂。与通常的电器控制相比，单片机系统不需要通过“选层器”并且配备 2
    以大量的中间继电器作为选层电路的控制设备，避免了设备多，检修困难，运行 维护不便，造价成本高。应用微机控制可以取消选层器和大量中间继电器。而且 应用单片机控制又相当于应用其他微机减少了外围设备的接口芯片，增强了可靠 性。 2.3 EDA 技术在电梯控制的应用 EDA 技术不是某一学科的分支，或某种新的技能技术，它是一们综合性学科， 融合多学科于一体，打破了软件和硬件间的壁垒，使计算机的软件与硬件实现、 设计效率和产品性能合二为一，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。 VHDL 具有与具体硬件电路无关和设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行 为描述和系统描述的能力，并在语言易读性和层次化结构化设计方面，表现了强 大的生命力和应用潜力。EDA 使得设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和 EDA 软件来完成对系统硬件功能的实现。正因 EDA 在设计控制系统中的这些特点，在 电梯控制电路上采用 EDA 技术进行开发，越来越受到人们的重视。 2.4 方案选择 对于符合市场需求的大规模系统，要达到高效、高速完成，必须有多人甚至 多个开发组共同并行工作才能实现。对于用 EDA 技术完成的一个确定的设计，可 以利用相应的工具平台进来逻辑综合和优化，完成设计任务。基于 EDA 技术的 VHDL 语言对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必 管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。这为电子设计的入门 者提供了便捷的帮助。相信在不远的将来，我国相关的专业技术人员使用 EDA 技 术进行工程设计，就像现在使用计算器一样，虽然大部分人不能开办集成电路制 造厂，但是却能快速、经济地制造（设计）自己的专用集成电路或集成电子系统。 综上比较，本设计采用 EDA 技术实现对电梯的控制。 3
    3 设计的基础依据 现代电子设计技术的核心是 EDA 技术。基于 EDA 技术开发的实现六层电梯自 动控制与目前主流的利用可编程逻辑控制器实现电梯控制紧密相连。硬件描述语 言是 EDA 技术的重要组成部分，VHDL 是作为电子设计主流硬件的描述语言。使 用 VHDL 语言进行程序设计，在 QuartusII 软件上对程序进行编译、仿真。在 QuartusII 平台上开发具有易学易懂、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定 可靠等优点。 3.1 EDA 技术介绍 EDA 是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在 20 世纪 90 年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助 测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。 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 版图的整个过程在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， 4
    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。 3.2 VHDL 语言介绍 VHDL （ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）语言于 1983 年由美国国防部发起创建，由电工和电子工程师协会（the institute of electrical and electronics engineer）进一步发展并在 1987 年作为“IEEE1076”发布。从此，VHDL 成为硬件描述语言的业界标准之一。 VHDL 作为一个规范语言和建模语言，具有很强的电路描述和建模能力，能 从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了 设计效率和可靠性。VHDL 具有与具体硬件电路无关和设计平台无关的特性，并 且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力，并在语言易读性和层次化结构化 设计方面，表现了强大的生命力和应用潜力。 3.2.1 VHDL 的特点 应用 VHDL 进行系统设计，有以下几方面的特点： （一）功能强大：VHDL 具有功能强大的语言结构。它可以用明确的代码描述复 杂的控制逻辑设计。并且具有多层次的设计描述功能，支持设计库和可重复使用 的元件生成。VHDL 是一种设计、仿真和综合的标准硬件描述语言。 （二）可移植性：VHDL 语言是一个标准语言，其设计描述可以为不同的 EDA 工 具支持。它可以从一个仿真工具移植到另一个仿真工具，从一个综合工具移植到 另一个综合工具，从一个工作平台移植到另一个工作平台。此外，通过更换库再 重新综合很容易移植为 ASIC 设计。 （三）独立性：VHDL 的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关。设计者可 以不懂硬件的结构，也不必管最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设 计。程序设计的硬件目标器件有广阔的选择范围，可以是各系列的 CPLD、FPGA 及各种门阵列器件。 5
    （四）可操作性：由于 VHDL 具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于已完 成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变端口类属参量或函数，就能轻易 地改变设计的规模和结构。 （五）灵活性：VHDL 最初是作为一种仿真标准格式出现的，有着丰富的仿真语 句和库函数。使其在任何大系统的设计中，随时可对设计进行仿真模拟。所以， 即使在远离门级的高层次（即使设计尚未完成时），设计者就能够对整个工程设 计的结构和功能的可行性进行查验，并做出决策。 3.2.2 VHDL 的设计步骤 采用 VHDL 的系统设计，一般有以下 6 个步骤。 1）要求的功能模块划分； 2）VHDL 的设计描述（设计输入）； 3）代码仿真模拟（前仿真）； 4）计综合、优化和布局布线； 5）布局布线后的仿真模拟（后仿真）； 6）设计的实现（下载到目标器件）。 3.2.3 VHDL 语言编程格式 （1）一个完整的 VHDL 程序是以下五部分组成的： 库（LIBRARY）：储存预先已经写好的程序和数据的集合。 程序包（PACKAGE）：声明在设计中将用到的常数、数据类型、元件及 子程序。 实体（ENTITY）：声明到其他实体或其他设计的接口，即定义本定义的 输入输出端口。 构造体（ARCHITECTUR）：定义实体的实现。 6
    电路的具体描述配置（CONFIGURATION）：一个实体可以有多个构造体， 可以通过配置来为实体选择其中一个构造体。 （2）实体 实体（ENTITY）是 VHDL 设计中最其本的组成部分之一（另一个是结构 体），VHDL 表达的所有设计均与实体有关。实体类似于原理图中的一个部 件符号，它并不描述设计的具体功能，只是定义所需的全部输入/输出信号。 实体格式如下： ENTITY 实体名 IS [GENERIC（常数名：数据类型[：设定值]）] 类属说明 PORT 端口说明 （端口信号名 1： 模式 类型；端口信号名 2： 模式 类型；端口信号 名 3： 模式 类型；端口信号名 4： 模式 类型）； 行 实 语 TYPE 语句或常量定义 体申明 并 句 实体语句 END 实体名； （3）结构体 所有能被仿真的实体都由结构体（ARCHITECTURE）描述，即结构体描述 实体的结构或行为，一个实体可以有多个结构体，每个结构体分别代表该 实体功能的不同实现方案。 结构体格式： ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS [定义语句（元件例化）；] BEGIN 并行处理语句； END 结构体名； 7
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