課程設(shè)計(jì)-基于VHDL的三層電梯控制器的設(shè)計(jì)

1、 防盜報(bào)警器課程設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 張秀梅 學(xué)生姓名 蘇帥 學(xué) 號(hào) 1 專 業(yè) 物理系09級(jí)電子信息工程 教學(xué)單位 物理系 一、摘要 本設(shè)計(jì)運(yùn)用有限狀態(tài)機(jī)的方法，在結(jié)構(gòu)體最前端首先定義了十個(gè)狀態(tài)；然后在結(jié)構(gòu)體中設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)程，狀態(tài)機(jī)進(jìn)程作為主要進(jìn)程，信號(hào)燈控制進(jìn)程作輔助進(jìn)程。在狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中，電梯關(guān)門后根據(jù)信號(hào)燈的情況，來決定下一個(gè)狀態(tài)是上升、下降還是停止；在信號(hào)燈控制進(jìn)程中，而信號(hào)燈的熄滅是由狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中傳出clearup和cleardn信號(hào)來控制。 實(shí)現(xiàn)了三層電梯的基本功能，電梯的的運(yùn)行情況完全符合它的運(yùn)行規(guī)則，電梯的位置變化合情合理。二、設(shè)計(jì)的基本思路及其設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)本設(shè)計(jì)采用VHDL，源程序經(jīng)

2、A1tera公司的MAX+plus II軟件仿真。運(yùn)用有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)程相互配合，狀態(tài)機(jī)進(jìn)程作為主要進(jìn)程，信號(hào)燈控制進(jìn)程作為輔助進(jìn)程。電梯作為垂直方向的交通工具，在高層建筑和公共場所已成為不可或缺的設(shè)備。中國是全球最大的電梯市場，也具有最強(qiáng)的電梯生產(chǎn)能力，但由于缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和核心技術(shù)，自主品牌占市場的份額很少。隨著社會(huì)需求的變化，電梯朝著節(jié)能、環(huán)保及智能化方向發(fā)展。三、方案原理論述3.1 電梯控制器原理電梯控制器的功能模塊如圖3.1所示，包括主控制器、分控制器、樓層選擇器、狀態(tài)顯示器、譯碼器和樓層顯示器。乘客在電梯中選擇所要到達(dá)的樓層，通過主控制器的處理，電梯開始運(yùn)行，狀

3、態(tài)顯示器顯示電梯的運(yùn)行狀態(tài)，電梯所在樓層數(shù)通過譯碼器譯碼從而在樓層顯示器中顯示。分控制器把有效的請求傳給主控制器進(jìn)行處理，同時(shí)顯示電梯的運(yùn)行狀態(tài)和電梯所在樓層數(shù)。由于分控制器相對(duì)簡單很多，所以主控制器是核心部分。狀態(tài)顯示器主控制器樓層選擇器分控制器譯碼器樓層顯示器 圖3.1 電梯控制器原理圖3.2三層電梯控制器的設(shè)計(jì)思路電梯控制器設(shè)計(jì)兩個(gè)進(jìn)程相互配合，狀態(tài)機(jī)進(jìn)程作為主要進(jìn)程，信號(hào)燈控制進(jìn)程作為輔助進(jìn)程。根據(jù)電梯的實(shí)際工作情況，可以為狀態(tài)機(jī)設(shè)置十個(gè)狀態(tài)，它們分別是“電梯停在一層”“開門”“關(guān)門”“開門等待第一秒”“開門等待第二秒”“開門等待第三秒”“開門等待第四秒”“上升”“下降”和“停止”。由

4、于電梯每秒上升或下降一層，則可以用周期為1s的信號(hào)來作為電梯狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)時(shí)鐘。狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中的很多判斷條件是以信號(hào)燈控制進(jìn)程產(chǎn)生的信號(hào)燈信號(hào)為依據(jù)，而信號(hào)燈控制進(jìn)程中信號(hào)燈的熄滅又是由狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中傳出的信號(hào)來控制。三層電梯控制器的設(shè)計(jì)主要是對(duì)實(shí)體和結(jié)構(gòu)體的設(shè)計(jì)，它的VHDL描述模塊流程如圖3.2所示：元件庫的說明定義實(shí)體結(jié)構(gòu)體端口狀態(tài)機(jī)進(jìn)程信號(hào)燈控制進(jìn)程結(jié)束按鍵信號(hào)燈圖3.2 三層電梯控制器的VHDL描述模塊流程3.3結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)體中，首先說明了狀態(tài)機(jī)設(shè)置的十個(gè)狀態(tài)，分別是：電梯停在1層(stopon1)、開門(dooropen)、關(guān)門(doorclose)、開門等待第1秒(doorwai

5、t1)、開門等待第2秒(doorwait2)、開門等待第3秒(doorwait3)、開門等待第4秒(doorwait4)、上升(up)、下降(down)和停止(stop)。在結(jié)構(gòu)體最前端用如下的定義語句，來定義狀態(tài)機(jī)。type lift_state is(stopon1,dooropen,doorclose,doorwait1,doorwait2,doorwait3,doorwait4,up,down,stop); 接著描述電梯內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)體中設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)程，一個(gè)狀態(tài)機(jī)進(jìn)程（ctrlift），它是以reset和liftclk作為敏感信號(hào)，控制電梯的狀態(tài)轉(zhuǎn)移；另外一個(gè)是信號(hào)燈控制進(jìn)程（c

6、trlight），它是以reset和buttonclk作為敏感信號(hào)，控制寄存信號(hào)的邏輯值。在狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中，電梯關(guān)門后根據(jù)信號(hào)燈的情況，來決定下一個(gè)狀態(tài)是上升、下降還是停止；在信號(hào)燈控制進(jìn)程中，由于使用了專門的頻率較高的按鍵時(shí)鐘，所以使得按鍵的靈敏度大，但是時(shí)鐘頻率不能過高，否則容易使按鍵過于靈敏，而信號(hào)燈的熄滅是由狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中傳出clearup和cleardn信號(hào)來控制。四、仿真設(shè)計(jì)分析4.1 VHDL源代碼語法的簡單說明（1）本程序設(shè)計(jì)調(diào)用了ieee庫，ieee庫是VHDL設(shè)計(jì)中最為常用的庫，它包含有ieee標(biāo)準(zhǔn)的程序包和其他一些支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的程序包。本設(shè)計(jì)采用std-logic-1164、

7、std-logic-unsigned、std-logic-arith程序包。（2）以關(guān)鍵詞entity引導(dǎo)，end entity threelift結(jié)尾的部分是程序的實(shí)體部分。VHDL的實(shí)體描述了電路器件的外部情況，本設(shè)計(jì)定義了關(guān)于三層電梯控制器用到的各類時(shí)鐘、異步復(fù)位按鍵、信號(hào)燈指示端口、電梯的請求端口。它描述了端口模式主要有in、buffer、out，以及各端口信號(hào)的數(shù)據(jù)類型主要有std-logic、std-logic-vector、integer。（3）以關(guān)鍵詞architecture引導(dǎo)，end architecture one結(jié)尾的語句部分是結(jié)構(gòu)體部分，結(jié)構(gòu)體描述電路器件的內(nèi)部邏輯功

8、能。4.2 波形仿真在波形仿真中，根據(jù)實(shí)際，我們有必要做一些假設(shè)，即是：（1）外部請求上升的乘客，進(jìn)入電梯后一定是按更高層的停站按鈕；（2）外部請求下降的乘客，進(jìn)入電梯后一定是按更低層的停站按鈕；（3）如果有乘客進(jìn)入電梯，則一定有停站請求；（4）同一時(shí)刻有很多人按鍵的概率很小，所以我們認(rèn)為請求信號(hào)都有一定的先后順序。設(shè)定仿真時(shí)間長度為60s，liftclk信號(hào)為周期1s的時(shí)鐘信號(hào),buttonclk信號(hào)為周期0.1s的時(shí)鐘信號(hào)。doorlight信號(hào)邏輯1表示開門，邏輯0表示關(guān)門。udsig信號(hào)為邏輯1表示電梯處在上升模式，邏輯0表示處在下降模式。fuplight,fdnlight,stopl

9、ight是三位二進(jìn)制向量，波形圖中的1代表“001”，表示一層有請求，2代表“010”，表示二層有請求，4代表“100”，表示三層有請求。圖4.1所示的波形是在一層有上升請求的仿真波形，在reset信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)脈沖時(shí)，電梯回復(fù)初始狀態(tài)，即stopon1狀態(tài)，然后等待4s，關(guān)門檢測沒有請求信號(hào)，于是電梯此時(shí)停在一層。當(dāng)電梯時(shí)鐘上升沿檢測到一層上升請求信號(hào)fuplight(1)為1時(shí)，電梯開門，fuplight(1)清零，等待4s，關(guān)門檢測到二層停站請求，于是電梯上升到二層停止，開門stoplight(2)清零，position信號(hào)由1變?yōu)?，電梯最終停在二層。 圖4.1 有上升請求的仿真波形 圖

10、4.2所示的波形是三層有下降請求的波形，當(dāng)電梯在一層關(guān)門后，檢測到fdnlight為“100”，則上升到三層，開門等待4s，關(guān)門檢測到stoplight為1，于是電梯下降到一層，最終停在一層。 圖4.2 有下降請求的仿真波形圖4.3所示的波形是二層和三層都有下降請求的仿真波形，當(dāng)電梯在一層關(guān)門后，檢測到fdnlight為“110”，則直接上升到三層，開門后fdnlight(3)清零，等待4s后，關(guān)門下降到二層停止，開門后fdnlight(2)和stoplight(2)清零，再下降到一層。 圖4.3 有多個(gè)下降請求的仿真波形 圖4.4所示的波形為有多個(gè)停站請求的仿真波形，電梯在一層關(guān)門后，檢測到

11、stoplight為“110”，則上升至二層停止開門，stoplight(2)清零，等待4s后關(guān)門，繼續(xù)上升至三層，開門后stoplight(3)清零，乘客下站后電梯最終停在三層。 圖4.4 有多個(gè)停站請求的仿真波形圖4.5所示，當(dāng)只有二層有下降請求時(shí)，電梯上升至二層，然后下降，顯然正確。 圖4.5 只有二層有下降請求時(shí)的仿真波形圖4.6所示，二層同時(shí)有上升和下降請求,電梯上升至二層，門打開等待4s，關(guān)門后檢測到stoplight(3)和fdnlight(2)都為1，它會(huì)先上升至三層，再下降至二層，待有下降請求的乘客上電梯后，最后下降至一層。4.6 同時(shí)有上升和下降請求的仿真波形從前面所有的仿

12、真波形來看，電梯的的運(yùn)行情況完全符合它的運(yùn)行規(guī)則，電梯的位置變化合情合理。五、本電路的實(shí)際應(yīng)用三層電梯控制器的設(shè)計(jì)很簡單，但在實(shí)際應(yīng)用中，電梯往往不止三層，因此考慮設(shè)計(jì)的擴(kuò)展性十分重要。本設(shè)計(jì)在信號(hào)定義時(shí)就使用了二進(jìn)制向量，而非整數(shù)，并且使用狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，因此擴(kuò)展性較好。如果要實(shí)現(xiàn)n層電梯的控制，首先要在實(shí)體的端口定義中添加相應(yīng)的增加樓層的上身、下降和停站請求端口，而指示燈只要把其數(shù)組寬度由3 downto 1改為n downto 1 就可以了。在電梯的關(guān)門狀態(tài)中，應(yīng)把position=3改為position=n，關(guān)鍵是修改position=2的部分，如果按照原方法把每層羅列，則隨著樓層的

13、增加，程序會(huì)非常復(fù)雜，所以得尋求各中間層的共性。解決方法是，首先定義一個(gè)全局向量abc為std_logic_vector(n downto 1)，abc的賦值為abc1,others=0)。在電梯的上升模式時(shí)，如果有本層請求信號(hào)，則電梯開門；如果沒有任何請求信號(hào)，則電梯停在當(dāng)前層；否則用stoplight和fuplight與全局變量abc作比較，如果stoplight或fuplight比abc大，則說明更高層還有上升或停站請求，電梯需繼續(xù)上升；如果abc更大，則用abc與fdnlight作比較，如果fdnlight更大，則說明更高層有下降請求，電梯繼續(xù)上升，否則電梯下降。電梯處在下降模式時(shí)，同

14、原理分析判定下一狀態(tài)。這樣可以大大簡化程序，但要注意的是abc向量作為判斷依據(jù)，需實(shí)時(shí)更新，可以單獨(dú)寫一個(gè)進(jìn)程，觸發(fā)時(shí)鐘周期要設(shè)置得很小。在電梯的上升狀態(tài)和開門狀態(tài)中，把3改為n，在信號(hào)燈控制進(jìn)程中加入其它按鍵觸發(fā)指示燈的語句六、總結(jié)和設(shè)計(jì)心得體會(huì)在本學(xué)期做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我學(xué)習(xí)了VHDL語言的基本語法，熟悉了MAX+plus II的VHDL文本設(shè)計(jì)流程全過程，掌握了三層電梯控制器的設(shè)計(jì)方法，及它的仿真和硬件測試。經(jīng)過多次改進(jìn)，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三層電梯的基本功能，電梯的的運(yùn)行情況完全符合它的運(yùn)行規(guī)則，電梯的位置變化合情合理。本次三層電梯控制器的設(shè)計(jì)采用VHDL語言，源程序經(jīng)MAX+plus II軟件仿真，目標(biāo)器件選用CPLD器件。本設(shè)計(jì)代碼具有良好的可讀性和可移植性，運(yùn)用了有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，使得它靈