【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)描述的能力，并在語言易讀性和層次化結(jié)構(gòu)化設(shè)計方面 表現(xiàn)了強大的生命力和應(yīng)用潛力。 VHDL 具有良好的適應(yīng)性，用 VHDL 進行電子系統(tǒng)設(shè)計的一個很大的優(yōu)點是設(shè)計者可以專心致力于其功能的實現(xiàn)，而不需要對不影響功能的與工藝有關(guān)的因素花費過多的時間和精力。 VHDL 結(jié)構(gòu)與要素 一個完整的 VHDL 程序是由以下五部分組成的：庫（ LIBRARY） 、 程序包（ PACKAGE） 、 實體（ ENTITY） 、 結(jié)構(gòu)體（ ARCHITECTUR）、 子程序（ SUBPROGRAM）、電路的具體描述配置（ CONFIGURATION）。 （ 1）實體 VHDL 實 體作為一個設(shè)計實體（獨立的電路功能結(jié)構(gòu)）的組成部分，其功能是對這個設(shè)計實體與外部電路進行接口描述。實體是設(shè)計實體的表層設(shè)計單元，實體說明部分規(guī)定了設(shè)計單元的輸入輸出接口信號和引腳，它是設(shè)計實體對外的一個通信界面。 實體 說明單元的一般語句結(jié)構(gòu) 如下： ENTITY 實體名 IS [GENERIC（ 參 數(shù)名：數(shù)據(jù)類型） ； ] [PORT(端口表 )； ] END ENTITY 實體名； 由于 PORT 說明語句是對一個設(shè)計實體界面的說明及對設(shè)計實體與外部電路的接口通道的說明，其中包括對每一個借口的輸入輸出模式和數(shù)據(jù)類型的定義 。其格式如下： PORT（端口名：端口模式 數(shù)據(jù)類型； {端口名：端口模式 數(shù)據(jù)類型 } ）； （ 2）結(jié)構(gòu)體 結(jié)構(gòu)體是實體所定義的設(shè)計實體中的一個組成部分。結(jié)構(gòu)體描述設(shè)計實體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部設(shè)計實體端口間的邏輯關(guān)系。結(jié)構(gòu)體的語句格式如下： ARCHITECTURE 結(jié)構(gòu)體名 OF 實體名 IS 江蘇大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 [說明語句 ] BEGIN [功能描述語句 ] END 結(jié)構(gòu)體名； （ 3）子程序 VHDL 子程序（ SUBPROGRAM）是一個 VHDL 程序模塊。這個模塊利用順序語句來定義和完成算法。 VHDL 子程序與其他軟件語言中的 子程序的應(yīng)用目的是相似的，即能更有效地完成重復(fù)性的工作。子程序可以在 VHDL 程序的三個不同位置進行定義，即在程序包、結(jié)構(gòu)體和進程中定義。 （ 4） VHDL 庫 在利用 VHDL 進行工程設(shè)計中，為了提高設(shè)計效率以及使設(shè)計遵循某些統(tǒng)一的語言標準或數(shù)據(jù)格式，有必要將一些有用的信息匯集在一個或幾個庫中以供調(diào)用。這些信息可以是預(yù)先定義好的數(shù)據(jù)類型、子程序等設(shè)計單元的集合體（程序包），或預(yù)先設(shè)計好的各種設(shè)計實體（元件庫程序包）。因此，可以把庫看成是一種用來存儲預(yù)先完成的程序包、數(shù)據(jù)集合體和元件的倉庫。 VHDL 語言的庫分為兩 類：一類是設(shè)計庫，如在具體設(shè)計項目中用戶設(shè)定的文件目錄對應(yīng)的 WORK 庫；另一類是資源庫，資源庫是常規(guī)元件和標準模塊存放的庫。 VHDL 程序設(shè)計中常用的庫有 IEEE 庫、 STD 庫、 WORK 庫及 VITAL 庫。 （ 5） VHDL 程序包 為了使已定義的常數(shù)、數(shù)據(jù)類型、元件調(diào)用說明以及子程序等能被更多其他的設(shè)計實體方便的訪問和共享，可以將它們收集在一個 VHDL 程序包中。多個程序包可以并入一個 VHDL 庫中，使之適用于更一般的訪問和調(diào)用范圍。 （ 6）配置 配置可以把特定的結(jié)構(gòu)體關(guān)聯(lián)到（指定給）一個確定的實體。 正如 “ 配置 ” 一詞 本身的含義一樣，配置語句就是用來為較大的系統(tǒng)設(shè)計提供管理和工程組織的。 VHDL 的特點 應(yīng)用 VHDL 進行系統(tǒng)設(shè)計，有以下幾方面的特點： (1)VHDL 語言功能強大 , 設(shè)計方式多樣 VHDL 語言具有強大的語言結(jié)構(gòu) , 只需采用簡單明確的 VHDL 語言程序就可以描述十分復(fù)雜的硬件電路。同時 , 它還具有多層次的電路設(shè)計描述功能。此外 ,VHDL 語言能江蘇大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 夠同時支持同步電路、異步電路和隨機電路的設(shè)計實現(xiàn) , 這是其他硬件描述語言所不能比擬的。 VHDL 語言設(shè)計方法靈活多樣 , 既支持自頂向下的設(shè)計方式 , 也支持自底向上的設(shè)計方法 。 既支持模塊化設(shè)計方法 , 也支持層次化設(shè)計方法。 (2)VHDL 語言具有強大的硬件描述能力 VHDL 語言具有多層次的電路設(shè)計描述功能，既可描述系統(tǒng)級電路 , 也可以描述門級電路；描述方式既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或者結(jié)構(gòu)描述，也可以采用三者的混合描述方式。同時， VHDL 語言也支持慣性延遲和傳輸延遲，這樣可以準確地建立硬件電路的模型。 VHDL 語言的強大描述能力還體現(xiàn)在它具有豐富的數(shù)據(jù)類型。 VHDL 語言既支持標準定義的數(shù)據(jù)類型，也支持用戶定義的數(shù)據(jù)類型，這樣便會給硬件描述 帶來較大的自由度。 (3)VHDL 語言具有很強的移植能力 VHDL 語言很強的移植能力主要體現(xiàn)在 : 對于同一個硬件電路的 VHDL 語言描述 , 它可以從一個模擬器移植到另一個模擬器上、從一個綜合器移植到另一個綜合器上或者從一個工作平臺移植到另一個工作平臺上去執(zhí)行。 (4)可操作性：由于 VHDL 具有類屬描述語句和子程序調(diào)用等功能，對于已完成的設(shè)計，在不改變源程序的條件下，只需改變端口類屬參量或函數(shù)，就能輕易地改變設(shè)計的規(guī)模和結(jié)構(gòu)。 (5)靈活性： VHDL 最初是作為一種仿真標準格式出現(xiàn)的，有著豐富的仿真語句和庫函數(shù)。使其在任何大系統(tǒng)的設(shè)計中，隨時可對設(shè)計進行仿真模擬。所以，即使在遠離門級的高層次（即使設(shè)計尚未完成時），設(shè)計者就能夠?qū)φ麄€工程設(shè)計的結(jié)構(gòu)和功能的可行性進行查驗，并做出決策。 (6) VHDL 語言的設(shè)計描述與器件無關(guān) 采用 VHDL 語言描述硬件電路時 , 設(shè)計人員并不需要首先考慮選擇進行設(shè)計的器件。這樣做的好處是可以使設(shè)計人員集中精力進行電路設(shè)計的優(yōu)化 , 而不需要考慮其他的問題。當硬件電路的設(shè)計描述完成以后 ,VHDL 語言允許采用多種不同的器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。 (7) VHDL 語言程序易于共享和復(fù)用 VHDL 語言采用基于庫 ( library) 的設(shè)計方法。在設(shè)計過程中 , 設(shè)計人員可以建立各種可再次利用的模塊 , 一個大規(guī)模的硬件電路的設(shè)計不可能從門級電路開始一步步地江蘇大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 進行設(shè)計 , 而是一些模塊的累加。這些模塊可以預(yù)先設(shè)計或者使用以前設(shè)計中的存檔模塊 , 將這些模塊存放在庫中 , 就可以在以后的設(shè)計中進行復(fù)用。 由于 VHDL 語言是一種描述、模擬、綜合、優(yōu)化和布線的標準硬件描述語言 , 因此它可以使設(shè)計成果在設(shè)計人員之間方便地進行交流和共享 , 從而減小硬件電路設(shè)計的工作量 , 縮短開發(fā)周期。 VHDL 的設(shè)計步驟 采用 VHDL 的系統(tǒng)設(shè)計，一般有以下 6 個步驟。 1）要求的功能模塊劃分； 2） VHDL 的設(shè)計描述（設(shè)計輸入）； 3）代碼仿真模擬（前仿真）； 4）計綜合、優(yōu)化和布局布線； 5）布局布線后的仿真模擬（后仿真）； 6）設(shè)計的實現(xiàn)（下載到目標器件）。 QuartusII 軟件介紹 QuartusII 是 Altera 提供 的 FPGA/CPLD 開發(fā)集成 環(huán)境 ， Altera 是世界上最大的可編程邏輯器件供應(yīng)商之一。 Quartus II 開發(fā)工具人機界面友好、易于使用、性能優(yōu)良，并自帶編譯、仿真功能。 QuartusII 提供了完整的多平臺設(shè)計環(huán)境，能滿足各種特定設(shè)計的需要，也是單芯片可編程系統(tǒng)（ SOPC）設(shè)計的綜合性環(huán)境和 SOPC 開發(fā)的基本設(shè)計工具，并為Altera DSP 開發(fā)包進行系統(tǒng)模型設(shè)計提供了集成綜合環(huán)境。 軟件支持 VHDL 和 Verilog硬件描述語言的設(shè)計輸入、基于圖形的設(shè)計輸入方式以及集成系統(tǒng)設(shè)計工具。 QuartusII軟件可以將設(shè)計、綜合、布局和布線以及系統(tǒng)的驗證全部都整合到一個無縫的環(huán)境之中，其中也包括和第三方 EDA 工具的接口。 QuartusII 允許來自第三方的 EDIF 文件輸入，并提供了很多 EDA 軟件的接口， QuartusII 支持層次化設(shè)計，可以在一個新的編輯輸入環(huán)境中對使用不同輸入設(shè)計方式完成的模塊（元件）進行調(diào)用，從而解決了原理圖與 HDL 混合輸入設(shè)計的問題。在設(shè)計輸入之后， QuartusII 的編譯器將給出設(shè)計輸入的錯誤報告。QuartusII 擁有性能良好的設(shè)計錯誤定位器，用于確定文本或圖形設(shè)計中的錯誤。 江蘇大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 第三章 工作原理、 程序設(shè)計及 調(diào)試 工作原理 外部數(shù)據(jù)高速采集模塊設(shè)計 控制器采用 FPGA 作為系統(tǒng)控制的核心，系統(tǒng)時鐘頻率是 ，完全可以滿足實時采集數(shù) 據(jù)的要求。由于電路中毛刺現(xiàn)象的存在，信號的純凈度降低，單個毛刺往往被誤作為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號，嚴重影響電梯的正常工作?？梢圆捎枚啻螜z測的方法解決這個問題，對一個信號進行多次采樣以保證信號的可信度。 外部請求信號的輸入形式為按鍵輸入，到達樓層信號來自光敏傳感器，關(guān)門中斷信號及超載信號則產(chǎn)生于壓力傳感器。鍵盤、光敏外部輸入接口電路未設(shè)計。 信號存儲模塊 電梯控制器的請求輸入信號有 18 個（電梯外有 6 個上升請求和 6 個下降請求的用戶輸入端口，電梯內(nèi)有 6 個請求用戶輸入端口），由于系統(tǒng)對內(nèi)、外請求沒有設(shè)置 優(yōu)先級，各樓層的內(nèi)、外請求信號被采集后可先進行運算，再存到存儲器中。 電梯運行過程中，由于用戶的請求信號的輸入是離散的，而且系統(tǒng)對請求的響應(yīng)也是離散的，因此請求信號的存儲要求新的請求信號不能覆蓋原來的請求信號，只有響應(yīng)動作完成后才能清除存儲器內(nèi)對應(yīng)的請求信號位。 基于 FPGA 的中央處理模塊 中央數(shù)據(jù)處理模塊是系統(tǒng)的核心，通過對存儲的數(shù)據(jù)（含請求、到達樓層等信號）進行比較、判斷以驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)的流轉(zhuǎn) 。電梯工作過程中共有 9 個狀態(tài)：等待、上升、下降、開門、關(guān)門、停止、休眠、超載報警及故障報警狀態(tài)。一般情 況下，電梯工作起始點是第一層，起始狀態(tài)是等待狀態(tài)，啟動條件是收到上升請求。 信號的輸出、顯示模塊 本系統(tǒng)的輸出信號有兩種 :一種是電機的升降控制信號（兩位）和開門 /關(guān)門控制信號；另一種是面向用戶的提示信號（含樓層顯示、方向顯示、已接受請求顯示等）。 電機的控制信號一般需要兩位，本系統(tǒng)中電機有 3 種狀態(tài)：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)狀態(tài)。兩位控制信號作為一個 3 路開關(guān)的選通信號，此 3 路開關(guān)選用模擬電子開關(guān)。 系統(tǒng)的顯示輸出包括數(shù)碼管樓層顯示、數(shù)碼管請求信號顯示和表征運動方向的箭頭江蘇大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 形指示燈的開關(guān)信號。 本系統(tǒng)具有請求 信號顯示功能，結(jié)合方向現(xiàn)實，可以減少用戶對同一請求的輸入次數(shù)，這樣就延長了電梯按鍵的使用壽命。假如電梯處于向上運動狀態(tài)，初始位置是底層，初試請求是 6 樓， 2 樓時進入一人，如果他的目的地也是 6 樓，他看到初試請求是 6 樓，就可以不再按鍵。同時，電梯外部的人也可以根據(jù)請求信號顯示（上升請求、下降請求、無請求），就可以避免沒必要地重復(fù)請求信號輸入。電梯使用時，系統(tǒng)結(jié)合相應(yīng)的電梯使用規(guī)范完全可以滿足人們的需要，而且效率比較高。 程序設(shè)計 電梯運行規(guī)則 （ 1）請求信號分析： 電梯的請求信號分為梯內(nèi)請求和 梯外請求，如果從這個角度就很難去進行對電梯運行可能情況的分析，因為電梯的運行是根據(jù)梯內(nèi)和梯外的請求信號、行程信號進行控制的，而梯內(nèi)和梯外的請求是隨機且不能以有限的規(guī)則去對其進行說明的。因此，很難對電梯的運行情況作出一個統(tǒng)一的分析。 出于這方面的考慮，本設(shè)計把電梯的請求信號劃分為上升請求和下降請求。 電梯接收到請求信號后，都必須作預(yù)操作。使電梯進入預(yù)上升狀態(tài)的請求信號就是上升請求信號。具體來說，就是當電梯所在樓層低于發(fā)出請求的樓層所要到達的目的樓層時，電梯必須在下一操作中作出上升運行，這時的請求信號就是上升請求 信號。反之，則是下降請求信號。 （ 2）電梯處于各樓層時的運行情況： 處于一 樓時，電梯只可能接收到上升 請求信號。此時，電梯就進入預(yù)上升狀態(tài)，準備作上升運行。如果電梯沒有接收到請求信號，電梯則在一樓待機。 處于二樓到 五 樓時，電梯可能出現(xiàn)三種情況： 1電梯沒有接收到請求信號，電梯 返回一樓 待機 ； 2電梯收到上升請求信號，進入預(yù)上升狀態(tài)； 3電梯受到下降請求信號，進入預(yù)下降狀態(tài)。 處于 六 樓時，電梯只可能接收到下降的請求信號。此時，電梯就進入預(yù)下降狀態(tài)，準備作下降運行。如果電梯沒有接收到請求信號，電梯則返回 一樓待機。 對上述電梯的運行情況進行匯總，可以得到如 圖 31 的電梯運行狀態(tài)圖 。 江蘇大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 31 電梯運行狀態(tài)圖 在電梯運行過程中，存在一個如何處理信號優(yōu)先的問題。電梯實際上是一個人機交互式的控制系統(tǒng)，單純用順序優(yōu)先或邏輯優(yōu)先是不能滿足控制要求的，因此，控制系統(tǒng)采用隨機邏輯方式控制去解決信號優(yōu)先的問題。即在以順序邏輯控制實現(xiàn)電梯的基本控制要求的基礎(chǔ)，根據(jù)隨機的輸入信號，以及電梯的相應(yīng)狀態(tài)時的控制電梯的運行。本設(shè)計采用 以下 規(guī)則 :電梯 以前一狀態(tài)為基準，即前一狀 態(tài)為上升，則操作完所 有 上升請求再操作下降請求；前一狀態(tài)為下降，則反之。 （ 3）對電梯開門、關(guān)門、報警等內(nèi)部信號處理分析。其流程圖如圖 32 所示 。 一樓 預(yù)上升 待機 二樓 …… 五樓 預(yù)下降 預(yù)上升 六樓 上升信號 無信號 .下降信號 上升信號 無信號 .下降信號 無信號 預(yù)下降