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1、基于EDA技术的电梯控制器实现与仿真六层电梯控制器的设计一、设计目的针对我国楼层层数的基本水平,本着一理通,百理明的原则,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。二总体方案的确定 1.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
2、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.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
3、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
4、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
5、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,极提高了电路设计的效率和可操作性,
6、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。3.2 VHDL语言介绍VHDLVery High Speed Integrated Circuit Har
7、dware 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,
8、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
9、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围,可以是各系列的CPLD、FPGA及各种门阵列器件。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 V
10、HDL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；2VHDL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。电路的具体描述配置CONFIGURATION：一个实体可
11、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ISGENERIC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；TYPE语句或常量定义实体申明并行语句实体语句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
12、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；3.2.4 用VHDL语言对FPGA和CPLD器件进行开发时出现的毛刺问题的处理在EDA环境中,毛刺是系统设计是否成功的关键。毛刺竞争 冒险现象是长期困绕电子工程师的问题之一。由于毛刺的存在,使的系统存在许多不稳定因素,经常会造成对脉冲上下沿敏感的电路产生误动作。毛刺主要是由门电路延时及路径延时造成的,采用传统设计方法时,毛刺必须在硬件测试时才有机会发现。但在现代数字系统设计时,通过EDA软件,完全可
13、以找出毛刺产生的原因及产生的位置,并且非常准确和接近实际情况。 目前常使用三种方法消除毛刺,它们分别为延时法、选通法和修改逻辑设计法。其中,修改逻辑设计能从根本上消除毛刺,但该方法要求使用者掌握电路的工作状态及其转换,有时需要多路输出,使用起来有一定的复杂性。三程序设计及调试3.1算法分析3.1.1 电梯运行规则1请求信号分析：电梯的请求信号分为梯请求和梯外请求,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和梯外的请求信号、行程信号进行控制的,而梯和梯外的请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
14、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,都必须作预操作。使电梯进入预上升状态的请求信号就是上升请求信号。具体来说,就是当电梯所在楼层低于发出请求的楼层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。2电梯处于各楼层时的运行情况：处于一楼时,电梯只可能接收到上升的请求信号。此时,电梯就进入预上升状态,准备作上升运行。如果电梯没有接收到请求信号,电梯则在一楼待机。处于二楼到五楼时,电梯可能出现三种情况：电梯没有接收到请求信号,电梯返回一楼待机；电梯收到上升请求信号,进入预上升状态；电梯受到下降请求信号,进入预
15、下降状态。处于六楼时,电梯只可能接收到下降的请求信号。此时,电梯就进入预下降状态,准备作下降运行。如果电梯没有接收到请求信号,电梯则返回一楼待机。对上述电梯的运行情况进行汇总,可以得到如图2的电梯运行状态图。在电梯运行过程中,存在一个如何处理信号优先的问题。电梯实际上是一个人机交互式的控制系统,单纯用顺序优先或逻辑优先是不能满足控制要求的,因此,控制系统采用随机逻辑方式控制去解决信号优先的问题。即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础,根据随机的输入信号,以及电梯的相应状态时的控制电梯的运行。本设计采用以下规则:电梯以前一状态为基准,即前一状态为上升,则操作完所以上升请求再操作下降请求；前一状态为下降,则反之。3对电梯开门、关门、报警等部信号处理分析。其流程图如图3所示。当电梯接收到请求信号后,将以随机逻辑控制的方式到达发出请求的楼层。开门使能信号促使电梯开门载客,
