【正文】 ................................................................ 33 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) IV 基于 VHDL 的六層電梯控制器的設(shè)計(jì) 摘要 電梯作為垂直方向的交通工具，在高層建筑和公共場(chǎng)所已成為不可或缺的設(shè)備。隨著社會(huì)需求的變化，電梯朝著節(jié)能、環(huán)保及智能化方向發(fā)展。 VHDL 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的接口，結(jié)構(gòu)和功能，它的語法簡(jiǎn)單易懂，移植性好。運(yùn)用有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)程相互配合，狀態(tài)機(jī)進(jìn)程作為主要進(jìn)程，信號(hào)燈控制進(jìn)程作為輔助進(jìn)程。信號(hào)燈控制進(jìn)程中，信號(hào)燈存儲(chǔ)按鍵請(qǐng)求情況，它的熄滅是由狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中傳出的信號(hào)來控制。 VHDL 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。VHDL 的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工 程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分 ,及端口 )和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是 VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。它具有多層次的設(shè)計(jì)描述功能，層層細(xì)化，最后可直接生成電路級(jí)描述。 VHDL 還支持各種設(shè)計(jì)方法，既支持自底向上的設(shè)計(jì)，又支持自頂向下的設(shè)計(jì)；既支持模塊化設(shè)計(jì)，又支持層次化設(shè)計(jì)。隨著 EDA 技術(shù)的快速發(fā)展 ，VHDL 已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)與控制的各個(gè)方面 本文采用 VHDL 語言來設(shè)計(jì)實(shí)用六層電梯控制器，其 代碼具有良好的可讀性和易理解性，源程序經(jīng) A1tera 公司的 Quartus II 軟件仿真，目標(biāo)器件選用 CPLD 器件。 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 六層電梯控制器將實(shí)現(xiàn)的功能： (1)每層電梯入口處設(shè)有上下請(qǐng)求開關(guān)，電梯內(nèi)設(shè)有顧客到達(dá)層次的停站請(qǐng)求開關(guān)。 (3)電梯 每秒升 (降 )一層樓。 (5)能記憶電梯內(nèi)外所有請(qǐng)求，并按照電梯運(yùn)行規(guī)則按順序響應(yīng)，每個(gè)請(qǐng)求信號(hào)保留至執(zhí)行后消除。當(dāng)電梯處于下降模式時(shí)則與上升模式相反。 電梯 控制器的 總體設(shè)計(jì) 方案 控制器的功能模塊如圖 所示，包括主控制器、樓層選擇器、狀態(tài)顯示器、譯碼器和樓層顯示器。由于其他模塊相對(duì)簡(jiǎn)單很多，所以主控制器是核心部分?？梢詫㈦娞莸却拿棵腌娨约伴_門、關(guān)門都看成一個(gè)獨(dú)立的狀態(tài) [2]。根據(jù)電梯的實(shí)際工作情況，可以把狀態(tài)機(jī)設(shè)置 7個(gè)狀態(tài)，分別是 “ 電梯停留在第 1層 ” 、 “ 開門 ” 、 “ 關(guān)門 ” 、 “ 開門等待 4秒 ” 、太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 “ 上升 ” 、 “ 下降 ” 和 “ 停止?fàn)顟B(tài) ” 。各狀態(tài)機(jī)之間轉(zhuǎn)換圖如圖 ： 圖 狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 第 3 章 總體設(shè)計(jì)電路圖 頂層電路原理圖 電梯控制器為其中的核心部件，控制其電梯的運(yùn)行情況，而其控制則由按鈕來決定，通過按鈕指示燈判斷電梯的工作狀態(tài)及顯示其運(yùn)行情況。當(dāng)按鈕為高電平時(shí)，電梯開始工作，并通過按鈕信號(hào)燈決 定電梯的運(yùn)行。 udsig 和 doorlight 顯示電梯門和電梯的狀態(tài)。 Reset 按鈕使電梯恢復(fù)到初始位置。 其頂層原理圖如圖 ： 圖 頂層原理圖 六層電梯控制器的實(shí)體設(shè)計(jì) 首先考慮輸入端口，一個(gè)異步復(fù)位端口 reset，用于在系統(tǒng)不正常時(shí)回到初始狀態(tài)；在電梯外部，必須有升降請(qǐng)求端口 ，一層是最低層，不需要有下降請(qǐng)求，六層是最高層，不太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 需要有上升請(qǐng)求 [3]，二三四五層則上升、下降請(qǐng)求端口都有；在電梯的內(nèi)部，應(yīng)該設(shè)有各層停留的請(qǐng)求端口：一個(gè)電梯時(shí)鐘輸入端口，該輸入時(shí)鐘以 1 秒為周期，用于驅(qū)動(dòng)電梯的升降及開門關(guān)門等動(dòng)作；另有一個(gè)按鍵時(shí)鐘輸入端口，時(shí)鐘頻率比電梯時(shí)鐘高。被響應(yīng)以后則恢復(fù)邏輯‘ 0’；同樣，在電梯內(nèi)部也應(yīng)該有這樣的輸出端口來顯示各層停留是否被響應(yīng)；在電梯外部，需要一個(gè) 端口來指示電梯現(xiàn)在所處的位置；電梯開門關(guān)門的狀態(tài)也能用一個(gè)輸出端口來指示 [3]；為了觀察電梯的運(yùn)行是否正確，可以設(shè)置一個(gè)輸出端口來指示電梯的升降狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)設(shè)置了 7 個(gè)狀態(tài)，分別是電梯停留在 l層 (stoponl)、開門(dooropen)、關(guān)門 (doorclose)、開門等待 4秒 (doorwait4)、上升 (up)、下降 (down)和停止(stop)。 type lift_state is (stoponl， dooropen， doorclose， doorwait4， up， down， stop)： signal mylift： lift_state： 在結(jié)構(gòu)體中，設(shè)計(jì)了兩 個(gè)進(jìn)程互相配合，一個(gè)是狀態(tài)機(jī)進(jìn)程作為主要進(jìn)程，另外一個(gè)是信號(hào)燈控制進(jìn)程作為輔助進(jìn)程 [5]。 在狀 態(tài)機(jī)進(jìn)程中，在電梯的上升狀 態(tài)中，通過對(duì)信號(hào)燈的判斷，決定下一個(gè)狀態(tài)是繼續(xù)上升還是停止；在電梯下降狀態(tài)中，也是通過對(duì)信號(hào)燈的判斷，決定下一個(gè)狀態(tài)是繼續(xù)下降還是停止；在電梯停止?fàn)顟B(tài)中，判斷是最復(fù)雜的，通過對(duì)信號(hào)的判斷，決定電梯是上升、下降還是停止。按鍵后產(chǎn)生的點(diǎn)亮的信號(hào)燈太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 (邏輯值為 ‘1’) 用于作為狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中的判斷條件，而 clearup和 cleardn信號(hào)為邏輯 ‘l’使得相應(yīng) 的信號(hào)燈熄滅。 (1)本程序設(shè)計(jì)調(diào)用了 IEEE 庫(kù)， IEEE 庫(kù)是 VHDL[6]設(shè)計(jì)中最為常用的庫(kù)，它包含有IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的程序包和其他一些支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的程序包。 (2)以關(guān)鍵詞 ENTITY 引導(dǎo)， END ENTITY lift 結(jié)尾的語句部分，稱為實(shí)體。本設(shè)計(jì)定義了 關(guān)于六 層電梯控制器用到的各類時(shí)鐘、異步復(fù)位按鍵、信號(hào)燈指示、電梯的請(qǐng)求。及定義了各端口信號(hào)的數(shù)據(jù)類型，主要是 STD_LOGIC(標(biāo)準(zhǔn)邏輯位數(shù)據(jù)類型 )、 INTEGER(整數(shù)類型 )、 STD_LOGIC_VECTOR(標(biāo)準(zhǔn)邏輯矢量數(shù)據(jù)類型 )。 (3)以關(guān)鍵詞 ARCHITECTURE 引導(dǎo)， END ARCHITECTURE art 結(jié)尾的語句部分，稱為結(jié)構(gòu)體 [8]。本設(shè) 計(jì)定義了 7個(gè)狀態(tài)。信號(hào)燈控制作為輔助進(jìn)程 [9]。當(dāng)乘客進(jìn)入電梯以后，在電梯內(nèi)部要求上升到第六層，也就是stop6button 產(chǎn)生一個(gè)脈沖，電梯上升到第 6層，開門 4秒以后關(guān)門，停留在第六層， position最后的值為 6。 再看 fuplight 信號(hào)燈，當(dāng)五層有上升請(qǐng)求的時(shí)候，它的值由 0 變到 16。當(dāng)電 梯停留到第五層以后，表明該請(qǐng)求被響應(yīng)，所以它的值變?yōu)?，由于沒有下降請(qǐng)求信號(hào)，所以 fdnlight 信號(hào)燈的值一盲都為 0。四秒之后燈滅，電梯門關(guān)。電梯下降到第四層，響應(yīng)了下降請(qǐng)求，所以 fdnlight 信號(hào)燈清 0。四秒后電梯門關(guān)。從仿真的波形看，電梯的位置變化和想象是一致的。最后乘客在電梯內(nèi)部要求上升到三層，所以電梯最后的停留位置為三層。然后下降到一層。 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 21 圖 示例 4 譯碼器仿真分析 本模塊的主要功能是將 10 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成 4位二進(jìn)數(shù)。 當(dāng)輸入信號(hào) aaa=2 時(shí)，輸出 bbb=0010； 當(dāng)輸入信號(hào) aaa=3 時(shí)，輸出 bbb=0011。 當(dāng) input=0001 時(shí)， 輸出 0110000， 數(shù)碼管顯示 1； 當(dāng) input=0010 時(shí)， 輸出 1101101， 數(shù)碼管顯示 2； 當(dāng) input=0011 時(shí)， 輸出 1111001， 數(shù)碼管顯示 3； 當(dāng) input=0100 時(shí)， 輸出 0110011， 數(shù)碼管顯示 4； 當(dāng) input=0101 時(shí)， 輸出 1011011， 數(shù)碼管顯示 5； 當(dāng) input=0110 時(shí)， 輸出 1011111， 數(shù)碼管顯示 6； 仿真波形如圖 圖 數(shù)據(jù)選擇器仿真波形 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 分頻器模塊仿真分析 此模塊的功能是把高頻率的時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻脈沖信號(hào)。電梯門開始上升，到達(dá)二樓時(shí)，門燈為高電平，即 doorlight=1；數(shù)碼管顯示 2；此時(shí)電梯內(nèi) stop3button=5；即電梯收到五樓的請(qǐng)求指示，門關(guān)，到達(dá)五樓后，此時(shí)數(shù)碼管顯示 5； 4秒后門關(guān)，等滅， doorlight=0。 仿真波形如圖 ： 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 圖 實(shí)例（ 2） 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 26 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 第 5 章 設(shè)計(jì)的擴(kuò)展性 在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)榭紤]了擴(kuò)展性，所以在信號(hào)定義的時(shí)候就使用了二進(jìn)制的向量，而不是整數(shù)。如果要實(shí)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 6 改成 n 就可以了。在電梯的升降狀態(tài)將6 改成 n，在電梯的開門狀態(tài)中將 2改成 n 一 1，在關(guān)門狀態(tài)，將 position=6 改成 position=n，關(guān)鍵是修改 position=6 的部分，如果按照每層羅列，將十分煩瑣，所以得尋求各層判斷條件的共性，解決方法之一就是，新建一個(gè)全局向量 abc 為 std_logic_vector(n downto 1),abc的賦值為 abc=(pos=?1?,other=?0?)。電梯處在下降模式時(shí)同原理分析判定下一狀態(tài)。在電梯的上升狀態(tài)和開門狀態(tài)中，把 6 改為 n，在信號(hào)燈控制進(jìn)程中加入其它按鍵觸發(fā)指示燈的語句。在波形仿真時(shí)，也遇到了一點(diǎn)困難 ,想要的結(jié)果不能在波形上得到正確的顯示，結(jié)果經(jīng)過再三檢查發(fā)現(xiàn)是 Endtime 設(shè)置不合理，后來改過來之后，就能觀察到正確的仿真結(jié)果了。 總的來說在這次實(shí)課程設(shè)計(jì)中，我們雖然碰到了很多困難和問題 ,到最后還是靠自己的努力與堅(jiān)持獨(dú)立的完成了任務(wù)。這次設(shè)計(jì)給我最深的印象就是擴(kuò)大自己的知識(shí)面，了解更多與本專業(yè)有關(guān)的科技信息，與時(shí)代共同進(jìn)步，才能在將來成為有用的科技人才， 覺得平時(shí)所學(xué)的知識(shí)有了實(shí)用的價(jià)值，達(dá)到了理論與實(shí)際相結(jié)合的目的，不僅學(xué)到了不少知識(shí)，而且鍛煉了自己的能力，使自己對(duì)以后的路有了更加清楚的認(rèn)識(shí)，同時(shí)，對(duì)未來有了更多 的信心。 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 32 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 附錄 電梯程序： library ieee。 use 。 entity sixlift is port( buttonclk:in std_logic。 電梯時(shí)鐘信號(hào) reset:in std_logic。 一樓上升按鈕 f2upbutton:in std_logic。 三樓上升按鈕 f4upbutton:in std_logic。 f2dnbutton:in std_logic。 三樓下降按鈕 f4dnbutton:in std_logic。 五樓下降按鈕 f6dnbutton:in std_logic。 上升指示燈 fdnlight:buffer std_logic_vector(6 downto 1)。 電梯內(nèi)部按鈕 stoplight:buffer std_logic_vector(6 downto 1)。