【文章內(nèi)容簡介】 輸出口） （外部中斷0） （外部中斷1）T0（定時器0的外部輸入）T1（定時器1的外部輸入）（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 鍵盤電路介紹可把單片機(jī)使用的鍵盤分為獨(dú)立式和矩陣式兩種。獨(dú)立式實際上就是一組相互獨(dú)立的按鍵，這些按鍵可直接與單片機(jī)I/O口連接，即每個按鍵獨(dú)占一條口線，接口簡單。矩陣式鍵盤也稱行列式鍵盤，因為鍵的數(shù)目較多，所以鍵按行列組成矩陣。本次設(shè)計就是應(yīng)用的行列式鍵盤。鍵盤電路是由鍵盤接口和鍵盤按鍵組成的。從一個鍵到鍵的功能被執(zhí)行主要包括兩項工作：一是鍵的識別，即在鍵盤中找出被按的是哪個鍵，另一項是鍵功能的實現(xiàn)。第一項工作是使用接口電路實現(xiàn)的，而第二項工作則是通過執(zhí)行中斷服務(wù)程序來完成。鍵盤接口主要完成以下操作功能：鍵盤掃描，以判定是否有鍵被按下（稱之為“閉合鍵”）；鍵識別，以確定閉合鍵的行列位置；產(chǎn)生閉合鍵的鍵碼；排除多鍵、串鍵（復(fù)按）及去抖動。單片機(jī)實現(xiàn)鍵盤接口的方法和接口芯片有：使用單片機(jī)芯片本身的并行口；使用單片機(jī)芯片本身的串行口；使用通用接口芯片（例如8258155等）；使用專用接口芯片8279；而本次設(shè)計采用的接口芯片是8155。 鍵盤電路原理圖 可編程并行接口芯片8155介紹8155能提供并行接口所需的各種電路，還包括RAM存儲器和定時器/記時器。8155芯片為40引腳雙列直插封裝，單一的+5V電源，內(nèi)部含有三個可編程并行I/O口（PA、PB、PC口），其中PA、PB為8位口，PC為6位口，還具有256個RAM單元，一個14位計數(shù)結(jié)構(gòu)的定時器/計數(shù)器（減法計數(shù)結(jié)構(gòu)），此外，內(nèi)部還有地址鎖存器，地址/數(shù)據(jù)多路開關(guān)。主要接口信號： AD7～AD0：數(shù)據(jù)地址復(fù)合線，與80C51相連；ALE：地址鎖存信號；：讀選通信號； ：寫選通信號；：片選信號；IO/（）：I/O與RAM選擇信號；IO/（）=0，對RAM進(jìn)行讀寫；IO/（）=1，對I/O口進(jìn)行讀寫；RESET：復(fù)位信號；PA7～PA0，PB7～PB0，PC5～PC0： 均與外設(shè)相連，其中PC5～PC0可作聯(lián)絡(luò)信號；TIME IN：可接系統(tǒng)時鐘，也可接外部時鐘，作8155內(nèi)部14位計數(shù)器的計數(shù)脈沖輸入； 8155信號引腳TIME OUT：8155的T/C向外界輸出的脈沖或方波信號輸出端，可作中斷 請求或供CPU查詢。I/O口及其工作方式：PA，PB口：數(shù)據(jù)口，用于數(shù)據(jù)I/O傳送，具有輸入、輸出兩種工作方式。PC口：數(shù)據(jù)口，用于數(shù)據(jù)I/O傳送；控制口，用于傳送控制和狀態(tài)信號，對PA，PB口的I/O操作進(jìn)行控制。因此，PC口具有4鐘工作方式（輸入方式ALT1）（輸出方式ALT2）（PA口控制端口方式ALT3）（PA、PB口控制端口方式ALT4）；（a）當(dāng)以無條件方式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出傳送時，由于不需要任何聯(lián)絡(luò)信號，因此，PA，PB，PC口均可進(jìn)行數(shù)據(jù)的I/O口操作。（b）當(dāng)PA或PB口以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，聯(lián)絡(luò)信號由PC口提供。 顯示電路介紹單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的顯示器是LED（發(fā)光二極管顯示器）、LED（液晶顯示器）。這兩種顯示器可顯示數(shù)字、字符及系統(tǒng)的狀態(tài)。它們的驅(qū)動電路簡單、易于實現(xiàn)且價格低廉，因此，得到了廣泛應(yīng)用。LED顯示工作方式可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。在靜態(tài)顯示方式下，共陰極應(yīng)固定接地，共陽極應(yīng)固定接高電平。我們利用8155芯片I/O口構(gòu)成鍵盤/顯示接口電路，為簡化電路，降低成本，顯示將采用動態(tài)顯示。在動態(tài)顯示中將所有相同位的段控線并聯(lián)在一起，由一個I/O口線控制，8段由8個I/O口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽極點(diǎn)分別由相應(yīng)的I/O口線控制。LED動態(tài)顯示電路只需要兩個8位I/O口。其中一個8位I/O口控制段控碼，另一個8位I/O口控制位控。由于所有段控碼都由一個8位I/O控制，因此，在同一瞬間，8只LED都會顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方式。即在每一瞬間只使某一位顯示相應(yīng)字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應(yīng)字符段選碼，位選控制I/O口在該顯示位送入選通電平（共陰極送低電平，陽極送高電平）以保證該位顯示相應(yīng)字符。如此循環(huán)，使每位顯示該位應(yīng)顯示字符，并保持延時一段時間，以造成視覺暫留效果。8155的PB口為輸出口（位控口），以PC5～PC0作位控線，由于位控線的驅(qū)動電流較大，8段全亮?xí)r約在40～60mA，因此，PC口輸出加74LS244進(jìn)行（共陰極）驅(qū)動，然后再接各LED顯示器數(shù)碼管的位控端。8155的PＡ口也為輸出口（段控口），以輸出８位字形代碼（段控線），段控線的負(fù)載電流約為8mA，為提高顯示亮度，通常加74LS244（位驅(qū)動器）進(jìn)行同相段控輸出驅(qū)動。 顯示電路原理圖 顯示接口芯片介紹(1) 74LS244鎖存器介紹：。 74244引腳圖 74LS244芯片功能表：H—高電平、L—低電平、Z—高阻、X—任意電平輸 入輸 出AYLLLLHHHXZ(2) 四位一體數(shù)碼管介紹： 我們可以看到它的原理和七段數(shù)碼顯示管基本一樣，因為它就是把四個單個的數(shù)碼管集成在了一起。從圖中便可得知，上面的八個引腳就是送七段的段碼的，有一個是公共端，下面的四個便是位控用的，用來控制要哪一個顯示。之所以要做成四位一體的形式就是為了便于聯(lián)體顯示，為了更好的顯示，在此有必要介紹一下單個的七段數(shù)碼顯示管。通常的七段LED顯示器塊中有八個發(fā)光二極管，也有人叫做八段顯示器，其中七個發(fā)光二極管構(gòu)成七筆字形“8”，一個發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)。七段顯示器與單片機(jī)接口非常容易。只要將一個8位并行輸出口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符。通常將控制發(fā)光二極度管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。 步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路介紹步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。不過步進(jìn)電機(jī)在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動機(jī)，在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進(jìn)電機(jī).步進(jìn)電機(jī)能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，不需要A/D 轉(zhuǎn)換，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控執(zhí)行元件[4]。步進(jìn)電動機(jī)的最高起動頻率（空載起動頻率）。以超過最高起動頻率的頻率直接起動，將出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象，甚至無法起動。因此驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)當(dāng)先計算出電機(jī)不失步起動的最大頻率，但其計算過程涉及參量復(fù)雜，鑒于我們不是機(jī)械專業(yè)學(xué)生，對其具體理論了解有限，故不能精確計算出空載起動頻率，實際應(yīng)用對起動段的處理是采用按直線擬合的方法，即階梯升速法。 步進(jìn)電機(jī)的換向步進(jìn)電機(jī)通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：四相步進(jìn)電機(jī)的八拍工作方式，其各相通電順序為AABBBCCCDDDAA,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷。如果按給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)換向時，一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制步進(jìn)電機(jī)的加/減速控制，實際上就是控制觸發(fā)脈沖的頻率，兩個脈沖的間隔長短，決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。升速時，使脈沖頻率增高，減速時，使脈沖頻率降低。調(diào)整觸發(fā)脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路電梯的升降采用步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)，便于控制而且誤差小。其驅(qū)動電路原理很簡單，從FPGA出來的脈沖信號從J1接入按一定的順序分別接到晶體管Q1～Q4的基極，輸出端則有四個相應(yīng)的信號輸出，并接到電機(jī)的4腳（注意：電機(jī)引出了六根線，只有4才是真正接電機(jī)的四相輸入，且分別接電機(jī)的A、B、C、D相）。設(shè)脈沖信號Step1的輸入信號是低電平，則輸出就為高電平，相應(yīng)的電機(jī)A相導(dǎo)通；反之，則A相不導(dǎo)通。以此類推，其余各相亦是如此。則電機(jī)在脈沖序列信號的作用下按預(yù)定方向轉(zhuǎn)動,通過改變脈沖序列信號的快慢即頻率來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 光電傳感器電路介紹光電傳感器電路由兩部分電路組成：紅外發(fā)射器及由光敏二極管構(gòu)成的接收器。光敏二極管在沒有光照射的時候，反向電阻很大，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)紅外發(fā)射管經(jīng)驅(qū)動之后，會發(fā)出一定頻率的紅外光，光敏二極管通過一條長閉合（只在頂端開個小孔）的通道接收來自紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光，從而驅(qū)動光敏二極管，使得光敏二極管導(dǎo)通，則控制輸出為高電平[5]。 光電傳感器電路 +5V電源電路設(shè)計及其工作原理 +5V電源電路設(shè)計原理圖常用小功率直流穩(wěn)壓電源電路由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等四部分組成，如圖51所示。 +5V電源電路原理框圖。 +5V電源電路原理圖 +5V電源電路的工作原理我們可以從原理圖看出，這是一個用集成芯片組成穩(wěn)壓電路的直流電源。圖中的CW7805就是用于輸出+5V直流電壓，CW7805是一種集成的固定式的三端穩(wěn)壓器。我們來看看這個直流電源的工作原理：首先是220V交流電通過電源變壓器變成12V的交流電，整流二極管D1～D4組成單相橋式整流電路，將12V交流電壓變成脈動的直流電壓，輸出直流電壓，再經(jīng)濾波電容C濾除紋波。 7805，最后再經(jīng)濾波處理就可以連續(xù)且穩(wěn)定地輸出我們想要的+5V電壓。經(jīng)測試得到的電壓值與理想的+%，完全符合我們本次的課程設(shè)計的各個芯片的電壓要求。 +5V電源穩(wěn)壓芯片介紹電路中的CW7805芯片為輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器，它內(nèi)部由啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路、和保護(hù)電路等部分組成。以下便是此類芯片的一些技術(shù)參數(shù)：● 輸入輸出電壓差：2V；● 輸出電壓：5V、6V、8V、12V等；● 最大輸入電壓：35V；● 工作溫度范圍：0℃~70℃?！?內(nèi)部功耗限制：內(nèi)部限制。第4章 軟件程序的設(shè)計與調(diào)試 FPGA電梯控制器的設(shè)計用FPGA設(shè)計的電梯控制器主要有三個功能模塊：控制模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊和分頻模塊。最后將這三個功能模塊做成頂層文件，這就構(gòu)成了電梯控制器的核心部分。下面就這三個模塊的設(shè)計作進(jìn)一步探討。 控制模塊此模塊的實現(xiàn)主要是根據(jù)實際電梯的工作原理設(shè)計一個時序同步的狀態(tài)機(jī)。可分成四個狀態(tài)：待命狀態(tài)，電梯停在底層；服務(wù)狀態(tài)，電梯門打開，接收用戶；向上運(yùn)行狀態(tài)；向下運(yùn)行狀態(tài)。 控制模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 控制模塊設(shè)計流程圖根據(jù)基本的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。 控制模塊流程圖 控制模塊VHDL程序清單電梯控制器控制模塊的VHDL程序清單見附錄2。 控制模塊的ModelSim SE PLUS仿真將ModelSim SE PLUS打開之后，把寫好的VHDL程序放到ModelSim SE PLUS里進(jìn)行仿真。首先執(zhí)行命令cd e：/回車，改變工作目錄，然后執(zhí)行命令exec vlib work，建立物理工作庫，最后exec vmap work work建立邏輯上的工作庫。接下來就是對VHDL程序進(jìn)行編譯，完了之后就把程序載入進(jìn)行波形仿真?！?。 初始狀態(tài)仿真 電梯上升仿真 電梯下降仿真清零信號為“1”時，該模塊處于初始狀態(tài)。 電機(jī)模塊步進(jìn)電機(jī)主要控制它的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)動與停止。在這里的步進(jìn)電機(jī)是電梯的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是轎廂的直接拖動設(shè)備，所以對它的控制就在于電梯的上升與下降，即控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)[6]。 電機(jī)模塊程序清單電機(jī)模塊的程序清單見附錄2。 電機(jī)模塊ModelSim SE PLUS仿真～。 步進(jìn)電機(jī)復(fù)位仿真 電機(jī)正轉(zhuǎn)仿真 電機(jī)反轉(zhuǎn)仿真電機(jī)模塊設(shè)計流程圖 電機(jī)模塊程序流程圖 分頻模塊我們要把系統(tǒng)100MHz的時鐘頻率用于實際中，應(yīng)對其進(jìn)行必要的處理。簡單的說就是分頻。比如本系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻率我們進(jìn)行了1M分頻，應(yīng)用于電機(jī)控制頻率。 分頻模塊流程圖 分頻模塊程序清單分頻模塊的程序清單見附錄2。 電機(jī)模塊ModelSim SE PLUS仿真～。 分頻仿真 分頻仿真 頂層模塊此模塊是將上述所有的模塊結(jié)合起來，成為電梯控制器的核心控制模塊。 頂層模塊原理圖FPGA系統(tǒng)的I/： FPGAI/O分配表I/0口分配情況I/0口分配情況P163P56步進(jìn)電機(jī)輸入P164P57步進(jìn)電機(jī)輸入P165P58步進(jìn)電機(jī)輸入P166P59步進(jìn)電機(jī)輸入P167P88樓層檢測P168P89樓層檢測P169P93樓層檢測P173P94樓層檢測P174P95樓層檢測P175P96直流電機(jī)輸入P176P97直流電機(jī)輸入P177P80系統(tǒng)時鐘P178P179