基于VHDL语言的三层电梯控制器设计.docx

1、基于VHDL语言的三层电梯控制器设计基于VHDL语言的三层电梯控制器设计（实验报告）谭传试（07影像工程 113200*） 李国波（07影像工程 113200*）指导老师 刘娅琴1 引言电梯控制器是控制电梯按顾客要求自动上下的装置。本文采用VHDL语言来设计实用三层电梯控制器，其代码具有良好的可读性和易理解性，源程序经 A1tera公司的MAX+plus II软件仿真，目标器件选用CPLD器件。通过对三层电梯控制器的设计，可以发现本设计有一定的扩展性，而且可以作为更多层电梯控制器实现的基础。2 三层电梯控制器将实现的功能 (1)每层电梯入口处设有上下请求开关，电梯内设有顾客到达层次的停站请求开

2、关。 (2)设有电梯入口处位置指示装置及电梯运行模式(上升或下降)指示装置。 (3)电梯每秒升(降)一层楼。 (4)电梯到达有停站请求的楼层，经过1秒电梯门打开，开门指示灯亮，开门4秒后，电梯门关闭(开门指示灯灭)，电梯继续进行，直至执行完最后一个请求信号后停留在当前层。 (5)能记忆电梯内外所有请求，并按照电梯运行规则按顺序响应，每个请求信号保留至执行后消除。 (6)电梯运行规则当电梯处于上升模式时，只响应比电梯所在位置高的上楼请求信号，由下而上逐个执行，直到最后一个上楼请求执行完毕；如果高层有下楼请 求，则直接升到由下楼请求的最高层，然后进入下降模式。当电梯处于下降模式时则与上升模式相反。

3、 (7)电梯初始状态为一层开门状态。3 三层电梯控制器的设计思路 电梯控制器采用状态机来实现，思路比较清晰。可以将电梯等待的每秒钟以及开门、关门都看成一个独立的状态。由于电梯又是每秒上升或下降一层，所以就可以通过一个统一的1秒为周期的时钟来触发状态机。根据电梯的实际工作情况，可以把状态机设置10个状态，分别是“电梯停留在第1层”、“开门”、“关门”、 “开门等待第1秒”、“开门等待第2秒”、“开门等待第3秒”、“开门等待第4秒”、“上升”、“下降”和“停止状态”。各个状态之间的转换条件可由上面的设计要求所决定。4 三层电梯控制器的综合设计41 三层电梯控制器的实体设计 首先考虑输入端口，一个异

4、步复位端口reset，用于在系统不正常时回到初始状态；在电梯外部，必须有升降请求端口，一层是最低层，不需要有下降请求，三层是最高层，不需要有上升请求，二层则上升、下降请求端口都有；在电梯的内部，应该设有各层停留的请求端口：一个电梯时钟输入端口，该输入时钟以1秒为周 期，用于驱动电梯的升降及开门关门等动作；另有一个按键时钟输入端口，时钟频率比电梯时钟高。 其次是输出端口，有升降请求信号以后，就得有一个输出端口来指示请求是否被响应，有请求信号以后，该输出端口输出逻辑l。被响应以后则恢复逻辑 0；同样，在电梯内部也应该有这样的输出端口来显示各层停留是否被响应；在电梯外部，需要一个端口来指示电梯现在所

5、处的位置；电梯开门关门的状态也能 用一个输出端口来指示；为了观察电梯的运行是否正确，可以设置一个输出端口来指示电梯的升降状态。42 三层电梯控制器的结构体设计 首先说明一下状态。状态机设置了lO个状态，分别是电梯停留在l层(stoponl)、开门(dooropen)、关门(doorclose)、开门等待 第1秒(doorwaitl)、开门等待第2秒(doorwait2)、开门等待第3秒(doorwait3)、开门等待第4秒(doorwait4)、 上升(up)、下降(down)和停止(stop)。在实体说明定义完端口之后，在结构体architecture和begin之间需要有如下的定义语 句，

6、来定义状态机。 TYPE lift_state IS (stoponl，dooropen，doorclose，doorwaitl，doorwait2，doorwai t3，door。wai t4，up，down，s top)： SIGNAL mylift：lift_s两个进程互相配合，一个是状态机进程作为主要进程，另外一个是信号灯控制进程作为辅助进程。状态机进程中的很多判断条件是以信号灯进程 产生的信号灯信号为依据的，而信号灯进程中信号灯的熄灭又是由状态机进程中传出的clearup和cleardn信号来控制。 在状态机进程中，在电梯的上升状态中，通过对信号灯的判断，决定下一个状态是继续上升还是

7、停止；在电梯下降状态中，也是通过对信号灯的判断，决定下一个状 态是继续下降还是停止；在电梯停止状态中，判断是最复杂的，通过对信号的判断，决定电梯是上升、下降还是停止。 在信号灯控制进程中，由于使用了专门的频率较高的按键时钟，所以使得按键的灵敏度增大，但是时钟频率不能过高，否则容易使按键过于灵敏。按键后产生的点亮 的信号灯(逻辑值为1)用于作为状态机进程中的判断条件，而clearup和cleardn信号为逻辑l使得相应的信号灯熄灭。43 三层电梯控制器VHDL设计 三层电梯控制器的VHDL描述模块流程如图所示。三层电梯控制器的源代码(见附录)可知：三层电梯控制器VHDL语言描述(1)本程序设计调

8、用了IEEE库，IEEE库是VHDL设计中最为常用的库，它包含有IEEE标准的程序包和其他一些支持工业标准的程序包。本设计采用了STD_LOGIC_1164、STD_LOGIC_ARITH、STD_LOGIC_UNSIGNED程序包。(2)以关键词ENTITY引导，END ENTITY threeflift结尾的语句部分，称为实体。VHDL的实体描述了电路器件的外部情况及各信号端口的基本性质。本设计定义了关于三层电梯控制器用到的 各类时钟、异步复位按键、信号灯指示、电梯的请求。端口模式主要就是IN、BUFFER、OUT端口。及定义了各端口信号的数据类型，主要是 STD_LOGIC(标准逻辑位数

9、据类型)、INTEGER(整数类型)、STD_LOGIC_VECTOR(标准逻辑矢量数据类型)。这些都满足上面调 用的IEEE库中的程序包。 (3)以关键词ARCHITECTURE引导，END ARCHITECTUREa结尾的语句部分，称为结构体。结构体负责描述电路器件的内部逻辑功能或电路结构。本设计定义了lO个状态。描述了在三层电梯中 出现的各种可能的情况作为控制电梯的主要进程。信号灯控制作为辅助进程。44 三层电梯控制器的模块三层电梯控制器模块5 三层电梯控制器的仿真模块各按键说明：buttonclk：按键时钟liftclk:电梯时钟reset:异步复位按键f1upbutton：第一层上升

10、请求按钮f2upbutton：第二层上升请求按钮f2dnbutton：第二层下降请求按钮f3dnbutton：第三层下降请求按钮fuplight:电梯外部上升请求指示灯fdnlight:电梯外部下降请求指示灯stop1buttons,top2button,stop3button电梯内部请求按键stoplight:电梯内部各层请求指示灯position:电梯位置指示doorlight:电梯门开关指示灯usdig:电梯升降指示模块(一)： 下图所示仿真的是在第二层电梯外部有上升请求，也就是f2upbuttton信号的一个脉冲，可以看到电梯从一层上升到二层，position信号由1变到2，doorl

11、ight信号1表示开门，0表示关门。当乘客进入电梯以后，在电梯内部要求上升到第三层，也就是stop3button产生一个 脉冲，电梯上升到第3层，开门4秒以后关门，停留在第三层，position最后的值为3。在仿真图中看不到buttonclk，只显示为一条黑色的线， 是因为采用了频率较大的时钟。再看fuplight信号灯，当二层有上升请求的时候，它的值由0变到2。(注意fuplight和fdnlight是3位的二进制向量，这里的2代表 “010”，表示二层有请求；“100”也就是4，表示三层有请求)。当电梯停留到第二层以后，表明该请求被响一直都为O。模块(二)：下图是有下降请求的情况，它是上图

12、的继续，当电梯停留在第三层的时候，在电梯外第二层有下降请求，这时候fdnlight信号灯由0变为2，说明第二层有下降请求。电梯下降到第二层，响应了下降请求，所以fdnlight信号灯清0。这时候，在电梯内部没有停留在哪层的请求，所以电梯就停留在第二层，position信号的值保持在2。模块(三)：同时有上升和下降请求信号时，电梯的运行情况如下图所示。图中仿真的情况是，原先电梯停留在第一层，这时候电梯外第三层有下降请求，电梯上升到第三层，乘客进入电梯以后要求下降到一层，与此同时，在电梯外第二层有上升请求，电梯首先要响应下降请求然后再响应这个上升请求，所以电梯得先下降到一层，然后再上升到第二层来。

13、从仿真的波形看，电梯的位置变化和想象是一致的。电梯的运行情况完全正确。最后乘客在电梯内部要求上升到三层，所以电梯最后的停留位置为三层。模块(四)：下图所示的仿真，原先电梯停留在第一层，电梯外第三层有下降请求，电梯上升到三层，乘客 进入电梯以后要求下降到一层，此时，二层有下降请求，接着又有上升请求，电梯首先在二层停留。然后下降到一层。随后要响应二层上升请求，上升到二层，乘客 进入电梯以后要求上升到三层，所以电梯最后的停留位置在三层。6 设计的扩展性 在本设计中，因为考虑了扩展性，所以在信号定义的时候就使用了二进制的向量，而不是整数。在设计方法上也做了特殊的设计，所以使得扩展性较好。如果要实现 n

14、层电梯的控制，首先在端口的地方就要加入所有的按键，而指示灯只要把向量中的3改成n就可以了。同时需要在按键控制进程里加入其他按键触发指示灯的语 句。在电梯的升降状态将3改成n，在电梯的开门状态中将2改成n-1，在关门状态，将position=3改成position=n，关键是修改 position=2的部分，如果按照每层罗列，将十分烦琐，所以得寻求各层判断条件的共性，解决方法之一就是，新建一个全局向量one为std_logic_vector(n downto 3)应改写成0，然后和stoplight与fuplight向量比较，如果有更高层次的请求，那么stoplight或fuplight向量，如

15、果 stoplight和fuplight向量都小于one向量，表示没有更高层次的内部上升请求，此时将fdnlight向量和one向量比较，如果大于，则表示高层有下降要求，电梯得上升。如果没有任何请求信号，则电梯停止，否则电梯下降。如此就可以大大简化程序，但是要注意的是one向量必须实时更新， 以作为判断依据，可以另外写一个进程，用buttonclk来触发。7 总结通过这次EDA课程设计实验，我们更加理解了VHDL语言语言在日常生活中的应用。由于近段时间段考试较多，故不能对此程序进行进一步改进，代码还是有较多的缺陷，例如缺少提前关门按键等，实验过程中，总会出现一些问题，例如编译错误，波形仿真跟理

16、论值不符，这些都是由于代码编写中出现的小问题，由于不够仔细而缺少一些必要部分，经过仔细检查后都逐一改正过来了。最后在硬件下载的时候，因为此程序应用的是LED管而不是数码管，在实验箱中难以直观地体会到电梯实际运行的步骤，该VHDL代码还有待进一步改正。参考文献：朱正伟 EDA技术及应用 2005年10月第1版附录：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY threeflift IS PORT(buttonclk:IN ST

17、D_LOGIC; liftclk:IN STD_LOGIC; reset:IN STD_LOGIC; f1upbutton:IN STD_LOGIC; f2upbutton:IN STD_LOGIC; f2dnbutton:IN STD_LOGIC; f3dnbutton:IN STD_LOGIC; fuplight:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); fdnlight:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); stop1button,stop2button,stop3button:IN STD_LOGIC; stoplig

18、ht:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); position:BUFFER INTEGER RANGE 1 TO 3; doorlight:OUT STD_LOGIC; udsig:BUFFER STD_LOGIC);END threeflift;ARCHITECTURE a OF threeflift ISTYPE lift_state IS(stopon1,dooropen,doorclose,doorwait1,doorwait2,doorwait3,doorwait4,up,down,stop);SIGNAL mylift:lift_state;SI

19、GNAL clearup:STD_LOGIC;SIGNAL cleardn:STD_LOGIC;BEGINctrlift:PROCESS(reset,liftclk)VARIABLE pos:INTEGER RANGE 3 DOWNTO 1; BEGIN IF reset=1 THEN mylift=stopon1; clearup=0; cleardn doorlight=1; position=1;pos:=1; mylift mylift clearup=0; cleardn=0; mylift mylift mylift doorlight=0; IF udsig=0 THEN IF

20、position=3 THEN IF stoplight=000 AND fuplight=000 AND fdnlight=000 THEN udsig=1; mylift=doorclose; ELSE udsig=1;mylift=down; END IF; ELSIF position=2 THEN IF stoplight=000 AND fuplight=000 AND fdnlight=000 THEN udsig=0; mylift=doorclose; ELSIF stoplight(3)=1 OR (stoplight(3)=0 AND fdnlight(3)=1) THE

21、N udsig=0; mylift=up; ELSE udsig=1;mylift=down; END IF; ELSIF position=1 THEN IF stoplight=000 AND fuplight=000 AND fdnlight=000 THEN udsig=0; mylift=doorclose; ELSE udsig=0;mylift=up; END IF; END IF; ELSIF udsig=1 THEN IF position=1 THEN IF stoplight=000 AND fuplight=000 AND fdnlight=000 THEN udsig

22、=0; mylift=doorclose; ELSE udsig=0; mylift=up; END IF; ELSIF position=2 THEN IF stoplight=000 AND fuplight=000 AND fdnlight=000 THEN udsig=1; mylift=doorclose; ELSIF stoplight(1)=1 OR (stoplight(1)=0 AND fuplight(1)=1) THEN udsig=1; mylift=down; ELSE udsig=0;mylift=up; END IF; ELSIF position=3 THEN

23、IF stoplight=000 AND fuplight=000 AND fdnlight=000 THEN udsig=1; mylift=doorclose; ELSE udsig=1;mylift position=position+1; pos:=pos+1; IF pos3 AND (stoplight(pos)=1 OR fuplight(pos)=1) THEN mylift=stop; ELSIF pos=3 AND (stoplight(pos)=1 OR fdnlight (pos)=1) THEN mylift=stop; ELSE mylift position1 A

24、ND (stoplight(pos)=1 OR fdnlight(pos)=1) THEN mylift=stop; ELSIF pos=1 AND (stoplight(pos)=1 OR fuplight(pos)=1) THEN mylift=stop; ELSE mylift mylift doorlight=1; IF udsig=0 THEN IF position=2 AND (stoplight(position)=1 OR fuplight(position)=1) THEN clearup=1; ELSE clearup=1; cleardn=2 AND (stopligh

25、t(position)=1 OR fdnlight(position)=1) THEN cleardn=1; ELSE clearup=1;cleardn=1; END IF; END IF; mylift=doorwait1; END CASE; END IF;END IF;END PROCESS ctrlift;ctrlight:PROCESS(reset,buttonclk)BEGIN IF reset=1 THEN stoplight=000;fuplight=000;fdnlight=000; ELSE IF buttonclkEVENT AND buttonclk=1 THEN I

26、F clearup=1 THEN stoplight(position)=0;fuplight(position)=0; ELSE IF f1upbutton=1 THEN fuplight(1)=1; ELSIF f2upbutton=1 THEN fuplight(2)=1; END IF; END IF; IF cleardn=1 THEN stoplight(position)=0;fdnlight(position)=0; ELSE IF f2dnbutton=1 THEN fdnlight(2)=1; ELSIF f3dnbutton=1 THEN fdnlight(3)=1; END IF; END IF; IF stop1button=1 THEN stoplight(1)=1; ELSIF stop2button=1 THEN stoplight(2)=1; ELSIF stop3button=1 THEN stoplight(3)=1; END IF; END IF; END IF;END PROCESS ctrlight;END ARCHITECTURE a;