EDA3層電梯的控制系統(tǒng)

一、設(shè)計要求：要求用FPGA設(shè)計實現(xiàn)一個3層電梯的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的要求如下：（1）電梯運行規(guī)則：當(dāng)電梯處在上升模式時，只響應(yīng)比電梯所在位置高的上樓請求，由下向上逐個執(zhí)行，直到最后一個上樓請求執(zhí)行完畢。如果高層有下樓請求，直接升到有下樓請求的最高樓層，然后進(jìn)入下降模式。當(dāng)電梯處在下降模式時，工作方式與上升模式相反。設(shè)電梯共有3層，每秒上升或下降一層。（2）電梯初始狀態(tài)為一層，處在開門狀態(tài)，開門指示燈亮。（3）一層電梯入口處設(shè)有上樓請求開關(guān)，二層電梯入口處設(shè)有上、下樓請求開關(guān)，三層電梯入口處設(shè)有下樓請求開關(guān)，電梯內(nèi)部設(shè)有乘客到達(dá)樓層的停站請求開關(guān)及其顯示。（4）設(shè)置電梯所處位置指示及電梯上升或下降指示。(5)電梯到達(dá)有停站請求的樓層后，電梯門打開，開門指示燈亮。開門4s后，電梯門開關(guān)閉，開門指示燈滅，電梯繼續(xù)運行，直至執(zhí)行完最后一請求信號后停在當(dāng)前層。（6）電梯控制系統(tǒng)能記憶電梯內(nèi)外的請求信號，并按照電梯運行規(guī)則工作，每個請求信號執(zhí)行完畢后隨即清除。一、設(shè)計方案和論證1.控制器的設(shè)計方案控制器的功能模塊如圖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，電梯開始運行，狀態(tài)顯示器顯示電梯的運行狀態(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，同時顯示電梯的運行狀態(tài)和電梯所在樓層數(shù)。由于分控制器相對簡單很多，所以主控制器是核心部分。2.三層電梯控制器的設(shè)計思路電梯控制器采用狀態(tài)機來實現(xiàn)，思路比較清晰。可以將電梯等待的每秒鐘以及開門、關(guān)門都看成一個獨立的狀態(tài)。由于電梯又是每秒上升或下降一層，所以就可以通過一個統(tǒng)一的1秒為周期的時鐘來觸發(fā)狀態(tài)機。根據(jù)電梯的實際工作情況，可以把狀態(tài)機設(shè)置10個狀態(tài)，分別是“電梯停留在第1層”、“開門”、“關(guān)門”、“開門等待第1秒”、“開門等待第2秒”、“開門等待第3秒”、“開門等待第4秒”、“上升”、“下降”和“停止?fàn)顟B(tài)”。各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件可由上面的設(shè)計要求所決定。二、三層電梯控制器的綜合設(shè)計2.三層電梯控制器的實體設(shè)計首先考慮輸入端口，一個異步復(fù)位端口reset，用于在系統(tǒng)不正常時回到初始狀態(tài)；在電梯外部，必須有升降請求端口，一層是最低層，不需要有下降請求，三層是最高層，不需要有上升請求，二層則上升、下降請求端口都有；在電梯的內(nèi)部，應(yīng)該設(shè)有各層停留的請求端口：一個電梯時鐘輸入端口，該輸入時鐘以1秒為周期，用于驅(qū)動電梯的升降及開門關(guān)門等動作；另有一個按鍵時鐘輸入端口，時鐘頻率比電梯時鐘高。其次是輸出端口，有升降請求信號以后，就得有一個輸出端口來指示請求是否被響應(yīng)，有請求信號以后，該輸出端口輸出邏輯‘l’。被響應(yīng)以后則恢復(fù)邏輯‘O’；同樣，在電梯內(nèi)部也應(yīng)該有這樣的輸出端口來顯示各層停留是否被響應(yīng)；在電梯外部，需要一個端口來指示電梯現(xiàn)在所處的位置；電梯開門關(guān)門的狀態(tài)也能用一個輸出端口來指示；為了觀察電梯的運行是否正確，可以設(shè)置一個輸出端口來指示電梯的升降狀態(tài)。2.三層電梯控制器的結(jié)構(gòu)體設(shè)計首先說明一下狀態(tài)。狀態(tài)機設(shè)置了lO個狀態(tài)，分別是電梯停留在l層(stoponl)、開門(dooropen)、關(guān)門(doorclose)、開門等待第1秒(doorwaitl)、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)。在實體說明定義完端口之后，在結(jié)構(gòu)體architecture和begin之間需要有如下的定義語句，來定義狀態(tài)機。TYPElift_stateIS(stoponl，dooropen，doorclose，doorwaitl，doorwait2，doorwait3，door。wait4，up，down，stop)：SIGNALmylift：lift_state：在結(jié)構(gòu)體中，設(shè)計了倆個進(jìn)程互相配合，一個是狀態(tài)機進(jìn)程作為主要進(jìn)程，另外一個是信號燈控制進(jìn)程作為輔助進(jìn)程。狀態(tài)機進(jìn)程中的很多判斷條件是以信號燈進(jìn)程產(chǎn)生的信號燈信號為依據(jù)的，而信號燈進(jìn)程中信號燈的熄滅又是由狀態(tài)機進(jìn)程中傳出的clearup和cleardn信號來控制。在狀態(tài)機進(jìn)程中，在電梯的上升狀態(tài)中，通過對信號燈的判斷，決定下一個狀態(tài)是繼續(xù)上升還是停止；在電梯下降狀態(tài)中，也是通過對信號燈的判斷，決定下一個狀態(tài)是繼續(xù)下降還是停止；在電梯停止?fàn)顟B(tài)中，判斷是最復(fù)雜的，通過對信號的判斷，決定電梯是上升、下降還是停止。在信號燈控制進(jìn)程中，由于使用了專門的頻率較高的按鍵時鐘，所以使得按鍵的靈敏度增大，但是時鐘頻率不能過高，否則容易使按鍵過于靈敏。按鍵后產(chǎn)生的點亮的信號燈(邏輯值為‘1’)用于作為狀態(tài)機進(jìn)程中的判斷條件，而clearup和cleardn信號為邏輯‘l’使得相應(yīng)的信號燈熄滅。3．三層電梯控制器VHDL設(shè)計三層電梯控制器的VHDL描述模塊流程如圖2所示。三層電梯控制器的源代碼(見附錄)可知：(1)本程序設(shè)計調(diào)用了IEEE庫，IEEE庫是VHDL設(shè)計中最為常用的庫，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)計采用了STD_LOGIC_1164、STD_LOGIC_ARITH、STD_LOGIC_UNSIGNED程序包。(2)以關(guān)鍵詞ENTITY引導(dǎo)，ENDENTITYthreeflift結(jié)尾的語句部分，稱為實體。VHDL的實體描述了電路器件的外部情況及各信號端口的基本性質(zhì)。本設(shè)計定義了關(guān)于三層電梯控制器用到的各類時鐘、異步復(fù)位按鍵、信號燈指示、電梯的請求。端口模式主要就是IN、BUFFER、OUT端口。及定義了各端口信號的數(shù)據(jù)類型，主要是STD_LOGIC(標(biāo)準(zhǔn)邏輯位數(shù)據(jù)類型)、INTEGER(整數(shù)類型)、STD_LOGIC_VECTOR(標(biāo)準(zhǔn)邏輯矢量數(shù)據(jù)類型)。這些都滿足上面調(diào)用的IEEE庫中的程序包。(3)以關(guān)鍵詞ARCHITECTURE引導(dǎo)，ENDARCHITECTUREa結(jié)尾的語句部分，稱為結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)體負(fù)責(zé)描述電路器件的內(nèi)部邏輯功能或電路結(jié)構(gòu)。本設(shè)計定義了lO個狀態(tài)。描述了在三層電梯中出現(xiàn)的各種可能的情況作為控制電梯的主要進(jìn)程。信號燈控制作為輔助進(jìn)程。4.三層電梯控制器的模塊三、三層電梯控制器的仿真模塊模塊(一)：圖4所示仿真的是在第二層電梯外部有上升請求，也就是f2upbuttton信號的一個脈沖，可以看到電梯從一層上升到二層，position信號由1變到2，doorlight信號‘1’表示開門，‘0’表示關(guān)門。當(dāng)乘客進(jìn)入電梯以后，在電梯內(nèi)部要求上升到第三層，也就是stop3button產(chǎn)生一個脈沖，電梯上升到第3層，開門4秒以后關(guān)門，停留在第三層，position最后的值為3。在仿真圖中看不到buttonclk，只顯示為一條黑色的線，是因為采用了頻率較大的時鐘。再看fuplight信號燈，當(dāng)二層有上升請求的時候，它的值由0變到2。(注意fuplight和fdnlight是3位的二進(jìn)制向量，這里的2代表“010”，表示二層有請求；“100”也就是4，表示三層有請求)。當(dāng)電梯停留到第二層以后，表明該請求被響應(yīng)，所以它的值變?yōu)?，由于沒有下降請求信號，所以fdnlight信號燈的值一盲都為O。模塊(二)：圖5是有下降請求的情況，它是圖4的繼續(xù)，當(dāng)電梯停留在第三層的時候，在電梯外第二層有下降請求，這時候fdnlight信號燈由0變?yōu)?，說明第二層有下降請求。電梯下降到第二層，響應(yīng)了下降請求，所以fdnlight信號燈清0。這時候，在電梯內(nèi)部沒有停留在哪層的請求，所以電梯就停留在第二層，position信號的值保持在2。模塊(三)：同時有上升和下降請求信號時，電梯的運行情況如圖6所示。圖6仿真的情況是，原先電梯停留在第一層，這時候電梯外第三層有下降請求，電梯上升到第三層，乘客進(jìn)入電梯以后要求下降到一層，與此同時，在電梯外第二層有上升請求，電梯首先要響應(yīng)下降請求然后再響應(yīng)這個上升請求，所以電梯得先下降到一層，然后再上升到第二層來，這是符合常理的。從仿真的波形看，電梯的位置變化和想象是一致的。電梯的運行情況完全正確。最后乘客在電梯內(nèi)部要求上升到三層，所以電梯最后的停留位置為三層。模塊(四)：圖7所示的仿真，原先電梯停留在第一層，電梯外第三層有下降請求，電梯上升到三層，乘客進(jìn)入電梯以后要求下降到一層，此時，二層有下降請求，接著又有上升請求，電梯首先在二層停留。然后下降到一層。隨后要響應(yīng)二層上升請求，上升到二層，乘客進(jìn)入電梯以后要求上升到三層，所以電梯最后的停留位置在三層。四、vhdl程序整體設(shè)計附加功能：1.顯示開門時間2.當(dāng)電梯在5秒內(nèi)無任何請求時電梯自動下降到一樓并停在一樓。

根據(jù)電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，除了具備兩個時鐘信號CLK，一個是電梯時鐘信號，另一個是按鍵時鐘信號。以外，還應(yīng)該定義輸入信號和輸出信號。輸入信號定義如下：

系統(tǒng)復(fù)位信號：RESET，高電平有效；

電梯入口處一層、二層的上樓請求開關(guān)：F1UPBUTTION、F2UPBUTTION；

電梯入口處二層、三層的下樓請求開關(guān)：F2DNBUTTION、F3DNBUTTION；

電梯內(nèi)部到達(dá)樓層的停站請求開關(guān)：STOPlBUTTION、STOP2BUTTION、STOP3BUTTION。

所有輸入信號的規(guī)定為：輸入信號等于1，表示有請求，信號等于0，表示無請求。

輸出信號定義如下：

電梯外部上升和下降請求指示燈：UPLIGHT和DOWNLIGHT，這些信號與F1UPBUTTION、F2UPBUTTION、F2DNBUTTION、F3DNBUTTION信號相對應(yīng)；

電梯內(nèi)部乘客到達(dá)樓層的停站請求燈：STOPLIGHT，該信號與STOPlBUTTION、STOP2BUTTION、STOP3BUTTION信號相對應(yīng)；

電梯運行模式指示：UDSIG，1代表下降模式，0代表上升模式；

電梯所在樓層指示：POSITION，表示電梯在對應(yīng)樓層；

電梯門狀態(tài)指示：DOORLIGHT，1表示開門，0表示關(guān)門。

程序設(shè)計

1.三層電梯控制器的實體設(shè)計

首先考慮輸入端口，一個復(fù)位端口RESET，用于系統(tǒng)不正常時回到初始狀態(tài)；在電梯外部必須有升降請求端口，一層不需要有下降請求，三層不需要有上升請求，二層則上升下降請求端口都有；在電梯內(nèi)部應(yīng)該有各層的停止請求按鈕；一個電梯時鐘輸入端口，以1秒為周期，用于驅(qū)動電梯的上升，下降。開門以及關(guān)門動作；另外一個按鍵時鐘輸入端口，頻率要比電梯的高得多在這里要64HZ。

其次是輸出端口，有升降請求信號以后，就得有一個輸出端口指示是否被響應(yīng)，同樣，在電梯內(nèi)部也應(yīng)該有輸出端口來顯示各層停留是否響應(yīng)。在電梯外部需要一個端口來顯示電梯所在的位置，電梯開門，關(guān)門狀態(tài)也要用一個端口來顯示；為了觀察電梯的升降狀態(tài)，也要有一個端口來指示電梯的升降狀態(tài)。最后還要顯示開門時間，就要有一個端口來輸出。

2.三層電梯的控制器設(shè)計

首先說明一下狀態(tài)。狀態(tài)機設(shè)計了10個狀態(tài)，分別是電梯停留在一層（STOPON1），開門（DOOROPEN），關(guān)門（DOORCLOSE），開門等待1秒（DOORWAIT1），開門等待2秒（DOORWAIT2），開門等待3秒（DOORWAIT3），開門等待4秒（DOORWAIT4），上升（UP），下降（DOWN），和停止（STOP）。

在結(jié)構(gòu)體中，設(shè)計兩個進(jìn)程互相配合，一個是狀態(tài)機進(jìn)程的主要進(jìn)程，另一個是信號燈控制進(jìn)程作為補助的進(jìn)程。狀態(tài)機進(jìn)程中的很多判斷條件是以信號燈進(jìn)程產(chǎn)生的信號為依據(jù)的，而信號燈進(jìn)程中信號的熄滅又是以狀態(tài)機進(jìn)程中傳出的CLEARUP，CLEARDN信號來控制的。

在狀態(tài)機進(jìn)程中，在電梯上升狀態(tài)中，通過對信號燈的判斷，決定下一個狀態(tài)是繼續(xù)還是停止；在電梯下降狀態(tài)中，也是通過對信號燈的判斷，決定下一個狀態(tài)是繼續(xù)下降還是停止。

在信號燈控制進(jìn)程中，由于使用了專門的頻率比較高的按鍵時鐘，所以按鍵靈敏度增大，但是時鐘頻率不能太高，否則容易按鍵過于靈敏。按下按鍵后產(chǎn)生的點亮的信號燈用于作為狀態(tài)機進(jìn)程中判斷條件，而CLEARUP和CLEARDN信號為邏輯‘1’時相應(yīng)的信號燈熄滅。

根據(jù)電梯的狀態(tài)變化畫出它的狀態(tài)流程圖如附件1