【文章內(nèi)容簡介】 構(gòu)體（ Architecture） 結(jié)構(gòu)體用于描述所設(shè)計芯片的邏輯功能。它用于描述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程、系統(tǒng)的行為，以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)構(gòu)成形式。在該部分， VHDL 語句的主要功能是指明所設(shè)計的芯片實現(xiàn)什么具體的功能，以及元件的 內(nèi)部聯(lián)系和連線。通常情況，結(jié)構(gòu)體對于輸入輸出的關(guān)系有三種方式進行描述：行為描述、寄存器傳輸描述、和結(jié)構(gòu)描述，不同的描述方式僅僅是體現(xiàn)在所編寫的語句上，其結(jié)構(gòu)體的構(gòu)造是完全相同的。其實結(jié)構(gòu)體的功能描述共有 5 種：信號賦值語句、塊（ BLOCK）語句、進程（ PROCESS）語句、元件例化（ COMPONENT）語句和程序調(diào)用語句 [16]。 配置（ Configuration） 配置用于從庫中選取所需要單元來組成系統(tǒng)設(shè)計的不同規(guī)格的不同版本，使被設(shè)計系統(tǒng)的功能發(fā)生改變。配置語句用來描述層與層之間的連接關(guān)系以及實體與結(jié)構(gòu)體之間的連接關(guān)系。在復(fù)雜的 VHDL 工程設(shè)計中，設(shè)計者可以利用這種配置語句來選擇不同的結(jié)構(gòu)體，使其與要設(shè)計的實體相對應(yīng)，或者為例化的各元件實體配置指定的結(jié)構(gòu)體。在仿真設(shè)計中，可以利用配置來選擇不同的結(jié)構(gòu)體進行性能對比試驗，以得到性能最佳的設(shè)計方案 [13]。 包集合（ Package） 程序包主要用于存放各設(shè)計模塊能共享的數(shù)據(jù)類型、常數(shù)、子程序等。它主 基于 FAGA 的四層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計 7 要由兩個部分組成：程序包首、程序包體。程序包首用于說明程序包中所定義的常量、數(shù)據(jù)類型、過程首、函數(shù)首以及元件定義；程序包體主要是對程序包體部分所定義的 函數(shù)首和過程首所對應(yīng)的函數(shù)體和過程體進行說明。在 VHDL 程序中，程序包不是必需的，程序包首可以獨立的定義和使用 [13]。 庫（ Library） 在 VHDL 設(shè)計中，為了提高便捷性以及使用的規(guī)范性，必須將一些常用的、預(yù)先定義的數(shù)據(jù)類型，子程序等存放在一起，以供調(diào)用，這就是庫，因此，庫就是經(jīng)編譯的數(shù)據(jù)的集合，它可以存放實體定義、程序包定義、構(gòu)造體定義以及配置的定義。庫包含了 5種： IEEE 庫、 STD 庫、 WORK 庫、 VITAL 庫以及用戶自定義庫。需注意的是，在 VHDL 語言中，庫的說明語句總是放在實體單元前面 ，即一段 VHDL 程序的開始一定是庫說明語句。由于庫是程序包的集合，因此，庫的調(diào)用其實就是程序包的使用 [12]。 開發(fā)軟件 QuartusII QuartusII 是 Altera 公司推出的新一代 FPGA/CPLD 開發(fā)軟件，適合于大規(guī)模復(fù)雜的邏輯電路設(shè)計。它是 Altera 公司的第 4代可編程邏輯器件集成開發(fā)環(huán)境，提供了從設(shè)計輸入到器件編程的全部功能 [1]。 本次設(shè)計是在 環(huán)境下進行的， 是 Altera 公司于 20xx 年推出的新一代 PLD 開發(fā)集成環(huán)境。可在多種平 臺運行，具有開放性、多平臺、與結(jié)構(gòu)無關(guān)、完成集成化、豐富的設(shè)計庫、模塊化工具、支持多種 HDL語言、易學(xué)習(xí)、易操作等特點。 QuartusII 提供了方便的實體設(shè)計、快速的編譯處理以及編程功能，是目前 FPGA/CPLD 開發(fā)工具中較為理想的綜合、仿真軟件 [1]。 QuartusII 是 EDA 技術(shù)的一個綜合性平臺。運用 EDA 技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的工作流程如圖 所示。應(yīng)用 QuartusII 軟件，可以完成所有的設(shè)計工作。 硬件介紹： ZY11EDA13BE ZY11EDA13BE 實驗系統(tǒng)的特點 （ 1）采用主板 A基本實驗系統(tǒng) +適配 板（擴展板）的結(jié)構(gòu)：板是一個標準配置系統(tǒng)，是一個最簡 EDA 工具系統(tǒng)，包含了核心芯片 A（ EP1K30QC208），在主板系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴展了不同系統(tǒng)，比如主板 +單片機 +擴展板構(gòu)成單片機系統(tǒng)，以及主板 +擴展 CPLD/FPGA 等多重系統(tǒng) [11]。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計 8 （ 2）主板中所有 I/O 口開放：主芯片的 I/O 口分為三個部分使用，三個部分的 I/O 口無重合。第一部分連接到外部資源（數(shù)碼管、譯碼器、時鐘源、液晶、LCD、 LED、按鍵、開關(guān)等），第二部分連接到試配板接口，第三部分連接到擴展版接口 [11]。 （ 3）數(shù)字 EDA 與模擬 EDA 混合實驗 與開發(fā)：除了主板的模數(shù)轉(zhuǎn)換實驗，如果配以模擬 EDA 器件適配板，就能在主板系統(tǒng)上完成模擬 EDA 實驗或模數(shù)混合實驗的開發(fā) [18]。 （ 4）編程下載通用性強：主板系統(tǒng)含 FPGA/CPLD 通用下載編程模塊，可用于對 Altera 、 Lattice、 Xilinx 等多家國際著名的 PLD 公司幾乎所有 isp 或現(xiàn)場配置的 CPLD/FPGA 進行編程下載 [11]。 （ 5）良好的混合電壓（ MV）兼容功能：綠色能源電子系統(tǒng)要求器件低功耗、低噪聲和高電磁兼容性。因此低電壓器件的使用將更加重要和普遍，如筆記本電腦、嵌入式系統(tǒng)等，其中的 主要器件皆為低電壓器件 [11]。 ZY11EDA13BE 實驗系統(tǒng)主板組成 ZY11EDA13BE 實驗系統(tǒng)主板，主要由以下幾部分構(gòu)成：通用編程模塊、液晶顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊、 LED 顯示模塊、數(shù)字可調(diào)信號源、濾波模塊、信號調(diào)節(jié)模塊、邏輯筆模塊、配置模塊、模式選擇模塊、模擬信號源、 4 4 鍵盤模塊、開關(guān)按鍵模塊、電源模塊、分立元件模塊、喇叭模塊、I/O 口插孔、核心芯片 A、適配板 B 插座、擴展板 C 插座、 40PIN 插座 [11]。 本次設(shè)計中用到了通用編程模塊即核心芯片 EPF1K30QC208— 數(shù)碼管顯示模塊、 LED 顯示模塊、 4 4 鍵盤模塊、開關(guān)按鍵模塊、電源模塊、喇叭模塊。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計 9 第 3章 四層電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求，此次四層電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計包括請求信號響應(yīng)、樓層檢測、當(dāng)前樓層數(shù)碼管顯示、開關(guān)門控制、電梯運行五個模塊。四層電梯控制系統(tǒng)的整體流程圖如圖 所示。 圖 四層電梯控制系統(tǒng)整體流程圖 系統(tǒng)器件端口說明 本次設(shè)計全部使用 VHDL 語言編程，在程序中完成對各模塊的設(shè)計以及整體系統(tǒng)對各模塊的調(diào)用。 系統(tǒng)生成器件如圖 所示。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計 10 c lkrs tin ne r_ f 1in ne r_ f 2in ne r_ f 3in ne r_ f 4ou ter _u 1ou ter _u 2ou ter _u 3ou ter _d 2ou ter _d 3ou ter _d 4de la yc lo s ele d7 s [6. .0]up _r eq [4. .1]do w n_ re q[ 4. .1]in ne r_ re q[ 4. .1]u_dal ar mdo or [1. .0]ru nlif tin s t1 圖 四層電梯控制系統(tǒng)生成器件 端口信號說明： clk：系統(tǒng)時鐘信號； rst：系統(tǒng)復(fù)位信號； inner_f1~inner_f4：分別為電梯內(nèi)用戶到 4 樓的請求信號； outer_u1~outer_u3：分別為 3樓用戶的請求上樓信號； outer_d2~outer_d4：分別為 4樓用戶的請求下樓信號； up_req：用戶上升請求樓層指示； down_req：用戶下降請求樓層指示； inner_req：電梯內(nèi)用戶到達樓層請求信號； led7: 七段數(shù)碼管樓層顯示信號； delay： 延時關(guān)門信號； close：快速關(guān)門信號： door：門控信號， 00 為關(guān)門， 01 為等待關(guān)門， 11為開門； alarm：報警信號； u_d：上升／下降指示， 0為下降， 1為上升； state：電梯運行狀態(tài)指示，其中 state（ 2）： 1 為運行允許標志， 0為運行禁止標志， state（ 1）： 1 為上行任務(wù)標志， 0 為下行任務(wù)標志； state（ 0）： 1 為正在上行標志， 0為正在下行標志； current_floor：當(dāng)前所在樓層； door_time:門開關(guān)控制計數(shù)信號。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計 11 請求信號響應(yīng)模塊 請求信號燈的亮滅是根據(jù)該層是否有請求信號以及電梯的運行狀態(tài)來決定的。當(dāng)該層有人請求時，則該層的請求信號燈亮，直到電梯響應(yīng)該層的請求時，請求信號燈才滅。請求信號響應(yīng)分為外部上升請求信號響應(yīng)、外部下降請求信號響應(yīng)、內(nèi)部請求信號響應(yīng)三部分。 外部上升請求信號響應(yīng) 四層電梯控制系統(tǒng)的外部上升請求信號有 3個，根據(jù)運行規(guī)律，采用逐層判斷的方法，先從 3樓開始判斷，最后到 1樓。當(dāng)有本層的外部上升請求信號時，外部請求信號指示燈亮，當(dāng)電梯響應(yīng)了本層外部上升請求信號，則本層的外部上升請求信號燈滅。外部上升請求信號 流程圖如圖 所示。 圖 外部上升請求指示燈亮滅轉(zhuǎn)換流程圖 基于 FAGA 的四層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計 12 （ 1）當(dāng) 3樓有外部上升請求時： 3樓外部上升請求指示燈亮，若電梯處于上升狀態(tài)響應(yīng)此上升請求（ state（ 1 downto 0）＝ 11），或下降狀態(tài)響應(yīng)此上升請求（ state（ 1 downto 0）＝ 10），則當(dāng)電梯停止（ run＝ 0）且停在 3樓時， 3 樓的外部上升請求指示燈滅； 若電梯處于下降狀態(tài)響應(yīng)下降請求時（ state（ 1 downto 0）＝ 00）， 3 樓的內(nèi)部請求和 3樓的外部請求信號也可將電梯停在 3 樓，因此不能簡單的通過電梯是 否停止來判斷信號燈熄滅，因此電梯在這種狀態(tài)下，只有當(dāng) 2 樓沒有外部下降信號且 12樓沒有內(nèi)部請求時，電梯停止（ run＝ 0）且停在 3樓， 3樓的外部上升信號指示燈才可以熄滅； 若電梯處于上升狀態(tài)來響應(yīng)下降請求（ state（ 1 downto 0）＝ 01）， 3 樓的外部下降請求同樣可以使電梯停在三樓，因此同樣不能簡單的通過電梯是否停止來判斷 3 樓外部上升請求指示燈的亮滅，因此電梯在這種情況的，只有當(dāng) 2 樓沒有外部下降請求時，電梯停止（ run＝ 0）且停在 3樓， 3樓的外部上升請求指示燈才可以熄滅。 （ 2）當(dāng) 2樓有外部上升請求時 ： 同樣的方法可以判斷 2 樓是否有上升請求和控制指示燈的亮滅。 （ 3）當(dāng)電梯有 1樓上升請求時： 1樓上升請求指示燈亮，但由于 1樓是最底層，不能往下運行，所以只要 1樓外部有上升請求時，只需要判斷電梯是否到達 1樓且電梯停止運行（ run＝ 0），當(dāng)響應(yīng)完畢時， 1樓外部上升信號指示燈滅。 外部下降請求信號響應(yīng) 外部下降請求信號有 3 個，采用逐層判斷的方法，先從 4層開始判斷，最后到 2 樓。其流程圖如圖 所示。 基于 FAGA 的四層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計 13 圖 下降請求指示燈亮滅轉(zhuǎn)換流程圖 （ 1）當(dāng) 4樓有外部下降請求時： 由于 4樓是最高層，不能往上運行，所以只要 4樓外部有上升請求時，只需要判斷電梯是否到達 4樓且電梯停止運行，當(dāng)響應(yīng)完畢時， 4樓外部下降信號指示燈滅。 （ 2）當(dāng) 3 樓有外部下降