SOPCEDA综合课程设计报告 电梯控制器的设计

SOPC/EDA综合课程设计报告设计题目：电梯控制器的设计设计者：学号：班级：指导老师：完成时间：目录第一章引言 (1)1.1设计背景 (1)1.2设计基础 (1)1.2.1 EDA技术介绍 (1)1.2.2硬件描述语言（VHDL）介绍 (2)1.2.3 QuartusII软件介绍 (2)第二章电梯控制器的具体设计 (4)2.1设计目的 (4)2.2设计要求 (4)2.3设计思路 (4)第三章三层电梯控制器的综合设计(VHDL语言实现) (5)3.1分析判断 (5)3.1.1电梯运行规则 (5)3.1.2 程序流程分析 (9)3.2程序端口和寄存器说明 (9)3.3各模块设计说明 (10)3.4具体语句设计说明 (12)第四章三层电梯控制器调试、仿真和硬件测试 (13)4.1程序调试 (13)4.2程序波形仿真 (15)4.2.1波形输入建立 (15)4.2.2电梯运行情况仿真 (18)4.2.3电梯功能仿真 (20)4.3硬件测试 (21)4.3.1引脚锁定 (21)4.3.2硬件下载 (21)第五章课程设计总结 (22)5.1 设计功能实现情况 (22)5.2 设计心得 (22)5.3 课程总结 (22)参考文献 (22)程序附录 (23)第一章引言1.1设计背景近年来，随着我国房地产业的持续高速发展，高层建筑越来越多。

因此，一种能使人们快速、便捷地到达目的楼层的电梯便应运而生了。

分析近几年房地产业的发展趋势，特别是商品住宅的高速发展，将使住宅对电梯的需求量持续攀升。

人们对电梯安全性、高效性、舒适性的不断追求也推动了电梯技术的进步。

随着电梯技术的发展, 绿色化、低能耗、智能化、网络化、蓝牙技术的电梯成为一段时间内的发展趋势。

为保证人们能更安全、更快捷地到达目的楼层，实现人性化的功能，对电梯系统中的控制部分进行优化设计是非常必要。

因此这部分的设计也就成了在电梯设计领域里最为核心的技术。

为了实现电梯的智能化，可以采用许多方法。

它的智能化控制可以有以下几种形式：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，电子设计自动化（EDA）逐渐成为重要的设计手段，已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。

它是一种实现电子系统或电子产品自动化设计的技术，与电子技术、微电子技术的发展密切相关，并吸收了计算机科学领域的大多数最新研究成果，以高性能的计算机作为工作平台，促进了工程发展。

传统单片机设计的电梯控制外围电路复杂，性能不稳定，而采用EDA设计，却拥有电子系统小型化、低功耗、高可靠性、开发过程投资小、周期短等优点，而且还可以通过软件编程对硬件结构和工作方式进行重构，使得硬件设计如软件设计那般方便快捷。

本次设计就是应用EDA电子电路技术来设计电梯控制器，从而使用一片芯片就可以实现对电梯的控制的。

1.2设计基础EDA技术已成为现代电子设计技术的核心。

基于EDA技术上开发的实现三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语言进行程序的设计，在QuartusII软件上对程序进行编译、仿真。

在QuartusII平台上的开发具有编程软件具有采自易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等优点。

1.2.1 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。

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。

利用EDA技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点：1.用软件的方式设计硬件；2.用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；3.设计过程中可用有关软件进行各种仿真；4.系统可现场编程，在线升级；5.整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。

因此，EDA技术是现代电子设计的发展趋势。

1.2.2 硬件描述语言（VHDL）介绍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[3]。

它于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 Engineers）进一步发展并在1987年作为“IEEE 1076”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。

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（或称可是部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既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后，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。

1.2.3 QuartusII软件介绍Quartus II 是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。

Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。

具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。

Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。

对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。

此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。

Maxplus II 作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。

目前Altera已经停止了对Maxplus II 的更新支持，Quartus II 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。

Altera在Quartus II 中包含了许多诸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的设计辅助工具，集成了SOPC和HardCopy设计流程，并且继承了Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法。

最后则是测试芯片在系统中的实际运行性能。

其具体的流程图如图1所示。

图1 Quartus II设计流程该方法将问题的解决放在硬件组装之前，既简化了设计过程，又可以减少设备投资，缩短设计周期，增强设计者对设计过程的分析和制造的可控性。

第二章电梯控制器的具体设计2.1设计目的三层电梯广泛应用在大型的货运之中。

其使用便捷，货运周期短，效率高，成本低，对货运事业具有相当的经济价值。

在客运上，三层电梯虽然涉及楼层不高，应用范围不大，但就特殊而言，可以为一些上下楼层不方便的人们提供帮助，照顾这些特殊社会群体。

因此，在某种层面上说，三层电梯的设计也具有一定的社会价值。

2.2设计要求设计的三层电梯控制器实现如下功能：（1）电梯到达楼层时，能发出指示信号（数码管显示楼层号）；（2）能指示电梯的运行状态（上行或下行）；（3）电梯的门操作具有关门延时设置（当按下梯内关门按钮时立刻响应关门操作，否则延时固定时间后响应关门操作）；（4）正确响应各楼层的上行和下行请求（各楼层设置上行和下行选择按钮）。

独立设计完成VHDL代码的编写，利用Quartus II软件进行编译仿真，软件仿真结果正确（试验各楼层上行或下行请求的各种情况），使用实验室设备，将代码下载到实验板上进行硬件调试，功能正确。

通过对电梯控制系统的设计，掌握所学EDA课程的基本知识和对VHDL语言的综合设计应用。

通过课程设计，提高设计能力，提高分析解决实际问题的能力，并在设计中了解硬件编程的流程和思路，为以后工作和发挥技术打下基础。

2.3设计思路本次设计的电梯控制器采用状态机来实现，思路比较清晰。

可以将电梯的各个状态都看成一个独立的状态，如开门状态、关门状态、电梯在哪一层。

根据电梯的实际工作情况，可以把状态机设置七个工作状态，分别是“电梯停留在第一层”、“电梯停留在第二层”、“电梯停留在第三层”、“开门”、“关门或快速关门”、“运行过程计数并判断下一层” 、“判断各层是否有请求”。

各个状态之间的转换条件可由上面的设计要求所决定。

电梯每到一层，指示该楼层号，电梯从低层到高层时，输出上行状态，反之，输出下行状态，但在到达一层或三层时，上行下行状态都清零。

第三章三层电梯控制器的综合设计(VHDL语言实现) 3.1分析判断3.1.1电梯运行规则（1）请求信号分析：电梯的请求信号可分为梯内请求和梯外请求，如果从这个角度就很难去进行对电梯运行可能情况的分析，因为电梯的运行是根据梯外和梯内的请求信号、行程信号进行控制，而梯外和梯内的请求是随机且不能以有限的规则去对其进行说明的。

因此，很难对电梯的运行情况作出一个统一的分析。

出于这方面的考虑，本设计把电梯的请求信号划分为上升请求和下降请求。

电梯接收到请求信号后，响应并判断是上升请求信号就是下降请求信号，然后电梯向下或向上运行。

具体来说，就是当电梯所在楼层低于发出梯外请求的楼层或者低于梯内请求所要到达的目的楼层时，电梯必须在下一操作中作出上升运行。

这时的请求信号就是上升请求信号。

反之，则是下降请求信号。

如电梯在二层并上一次电梯运行是向上或是向下，接收到的是上升请求还是下降请求。