【文章內(nèi)容簡介】 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)每層電梯入口處均設(shè)有上下請求開關(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)置電梯所處位置的指示及電梯上升或下降的指示。 (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 4 妙后，電梯門關(guān)閉，開門指示燈滅，電梯繼續(xù)運行，直至執(zhí)行完最后一個請求信號后停在當(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)行完畢后清除。 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)； 10 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 11 2 程序設(shè)計 三層電梯控制器的端口 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 三層電梯的總電路圖 I n P u tI n P u tI n P u tI n P u tO u t p u tO u t p u tO u t p u tC L Kr e s e ts t o p b u t t o n [ 1 3 ]f l o o r [ 1 3 ]p o s i t i o n [ 0 2 ]d o o r l i g h tu p _ d o w ne l a v a t o r Ai n s t 三層電梯 控制器 的狀態(tài)機 設(shè)計 和進(jìn)程執(zhí)行單元 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 12 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。 電梯的運行規(guī)則確立后，需對整個控制程序的設(shè)計作一個流程規(guī)范。對程序進(jìn)行模塊化構(gòu)思。根據(jù) VHDL 語言的規(guī)則，程序必須由最基本的實體和結(jié)構(gòu)體構(gòu)成。實體對控制器的端口進(jìn)行定義，結(jié)構(gòu)體對各端口的行為進(jìn)行描述。因此程序運行需經(jīng)過以下流程：VHDL 庫調(diào)用；確立控制器的端口 ；根據(jù)電梯運行規(guī)則，設(shè)計相關(guān)運行描述；對電 梯內(nèi) 外信號進(jìn)行處理 ；具體流程圖如圖 1 所示： 圖 1 程序流程圖 程序開始 VHDL 庫調(diào)用 設(shè)置控制器的端口 電梯運行規(guī)則描述 電梯信號處理 程序結(jié)束 13 程序調(diào)試 （ 1）建立好工作目錄，以便設(shè)計工程項目的存儲，打開 QuartusII 軟件，其初始界面如圖 2所示。 圖 2QuartusⅡ軟件初始界面 （ 2）在工具欄中選擇“新建”按鈕。選擇“ VHDL File”，如圖 3所示。 14 圖 3 創(chuàng)建 VHDL 文本輸入 （ 3） 在文本輸入界面內(nèi)進(jìn)行程序輸入，如圖 4所示。 圖 4程序輸入界面 (4)輸入完畢后，需要對程序進(jìn)行保存。注意文件名和實體定義名必須保持一致，即THREEFLIFT，文件后綴名為 vhd。 (5)保存以后， 對程序進(jìn)行編譯。在編譯前，需要把文件設(shè)置為頂層文件或工程文件Project。選擇菜單“ Project”中的“ Set as TopLevel Entity”。 (6)在“ QuartusII”里選擇“ Processing”下拉菜單中的“ Start Compilation”， 此時， QuartusII 軟件會對程序進(jìn)行糾錯等處理。當(dāng)程序被確認(rèn)無誤后會出現(xiàn)如下界面，如圖 5 所示。 15 圖 5 編譯完成 三層電梯的邏輯電路圖 圖 6邏輯電 路圖 2． 5 程序仿真 建立波形輸入 （ 1）編譯完成后，新建波形編輯器進(jìn)行設(shè)計仿真。選擇菜單“ File” 中的“ New”項，在 Ne w 窗口中選擇“ Vector Waveform File”，單擊 OK 按鈕，即出現(xiàn)空白的波形編譯器 ，如圖 7 所示。 圖 7 波形編輯器 16 （ 2）設(shè)置仿真時間區(qū)域，在“ Edit”菜單中選擇“ End Time”項，在彈出窗口中設(shè)置。 （ 3）將工程 THREEFLIFT 的端口信號名選入波形編輯器中。方法是在編輯器左邊 Name下的空白處右擊選擇“ Insert Node Or Bus”項，彈出對話框如圖 8所示，在 Node Filter框中選“ Pins： all”，單擊 List 按鈕，下方的 Nodes Found 窗口中出現(xiàn)設(shè)計工程的所有端口引腳名。 圖 7 圖 8添加節(jié)點信號 （ 4）創(chuàng)立輸入波形。從上圖左邊框中往右邊框加入需要的信號節(jié)點，就可對輸入信號逐一賦值，便可對程序進(jìn)行仿真，觀察輸出信號，得出結(jié)論。如對時鐘信賦于周期如下圖 9 所示。設(shè)置好的輸入波形如下圖 10所示。 17 圖 9 設(shè)置時鐘的周期 圖 10 設(shè)計好的輸入波形 仿真步驟 （ 1）仿真器參數(shù)設(shè)置。選擇菜單“ Assignment”中的“ Settings”，在“ Settings”窗口下選擇“ Category”下的“ Simulator”，右側(cè)設(shè)置如下圖 11 所示。 18 圖 11選擇仿真控制 （ 2）啟動仿真器。現(xiàn)在所有設(shè)置進(jìn)行完畢，在菜單 Processing 項下選擇 Start Simulation，直到出現(xiàn) Simulation was successful，仿真結(jié)束。仿真結(jié)果如下圖 12。 仿真 結(jié)果分析 (1) 圖 12 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 ‘ 00’ 變到 ‘ 01’ 。 doorlight信號 ‘1’表示開門， ‘0’表示關(guān)門。當(dāng)電梯 到達(dá)第二層 以后 ， doorlight 信號為‘ 1’ ,電梯處在開門狀態(tài)，經(jīng)過 4 秒的關(guān)門延遲后， doorlight 信號為‘ 0’，電梯處在關(guān)門狀態(tài)。 圖 12 有上升請求時 電梯 的 仿真波形圖 (2)圖 13 所示仿真的是 Reset=1,電梯處在不正常工作狀態(tài)，一直停留在一樓。 19 圖 13 Reset 為 1時電梯的仿真波形圖 20 結(jié) 論 電梯控制器系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)全部完成，基本實現(xiàn)了預(yù)期效果，實現(xiàn)了電梯按預(yù)定運行規(guī)則上升、下降、載客等功能。設(shè)計了關(guān)門延時功能使電梯運行更加安全更加可靠。 在本設(shè)計中，因為考慮了擴(kuò)展性，所以在信號定義的時候就使用了二進(jìn)制的向量，而不是整數(shù)。在設(shè)計方法上也做了特殊的設(shè)計，所以使得擴(kuò)展性較好。如果要實現(xiàn) n 層電梯的控制，首先在端口的地方就要加入所有的按鍵，而指示燈只要把向量中的 3 改成 n 就可以了。 在本設(shè)計過程中還需要改進(jìn)的地方有，電梯運行規(guī) 則的優(yōu)化（如設(shè)計閑時忙時控制規(guī)則）、電梯運行速度的控制、設(shè)計更多的報警功能等。電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計中體現(xiàn)了VHDL 覆蓋面是如此的廣，描述能力強，是一個多層次的硬件描述語言及運行速度快，使用方便，便于修改，設(shè)計簡單等特點。本設(shè)計在實用方面和參考方面具有一定的價值。 21 致謝 感謝所有任課老師四年來對我的培養(yǎng)。這個文化底蘊深厚、安詳寧靜的地方，塑造了我積極、樂觀、淡定的人生態(tài)度，刻畫了我永遠(yuǎn)留戀的青春記憶，讓我在這即將離別的時候如此不舍。在此，我要向諸位老師說聲謝謝。 當(dāng)然也要感謝我的父母，我所邁出 的每一步，都凝聚著你們心血和汗水，你們始終如一的支持和關(guān)愛，是我一直勇敢向前的動力。 同時也要感謝我的同學(xué)和朋友，我將永遠(yuǎn)記得你們伴我走過的每一個有歡笑有淚水的日子，是你們的關(guān)心和幫助，讓我感受到了‘家’的溫暖。 22 參考文獻(xiàn) [1]王鎖萍 .電子設(shè)計自動化（ EDA）教程 [M].成都：成都電子科技大學(xué)出版社 ,2021,67~90. 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