VHDL电梯程序

1、河北科技大学课程设计报告学生姓名（学号）： 专业班级： 课程名称： EDA技术课程设计 学年学期： 2 012 2 013 学年第 2 学期 指导教师： 2 0 13 年 6 月基于FPGA电梯控制器设计摘要:系统基于EDA技术的电梯控制器实现，,以现场可编程门阵列(FPGA)为设计核心，集成于一片ALtera公司的ACEX系列EP1K100QC2083芯片上，采用超高速硬件描述语言(VHDL)模块化编程,实现了电梯的上行、下行、暂停、手动开门和快速关门等功能，并伴有蜂鸣器和指示灯的提示等功能。本设计的特点在于能够进行真实的电梯模拟，主要采用了状态机,该系统具有集成度高、灵活性强、易于开发和维

2、护等特点。关键字: FPGA VHDL 电梯控制器 状态机Abstract:The system according to the EDA technical achieve the elevator controller,It is base on FPGA(Field Programmable Gate Array), adopting VHDL(VHSIC Hardware Description Language) under the environment of ISE.most of the designs gather in the ACEX series EP1K100QC20

3、83 chip of the ALtera company .The whole design is composed of the up going of the elevator , the down going of the elevator , the pause of the elevator , direct manual control open-door and close the door quickly. It can be carry out the function such as conversion, handle and display .It is a char

4、acteristic that the system can simulate the real elevator ,which mainly adopting the state machine . The system has high accuracy and stability,it is proved to reliable and of high value and feasibility after testing. Key word: FPGA VHDL elevator state machine 目 录一、设计要求5二、系统设计5三、单元模块设计7四、仿真与调试9 五、优化

5、与约束10六、协同与分工10七、心得体会 （总结）18参考文献18一、设计要求功能：设计一4层楼电梯控制器，梯外各层显示当前电梯所在楼层及上行、下行状态；1层只有向上按钮，4层只有向下按钮，其余各层均有上下按钮；按钮均带灯。梯内有1-4层选择键（带灯）和开关门键，梯内显示当前楼层。 由一只LED表示门的开关状态； 楼层运行时间为3S，开门后等待关门信号时间为10s，超时自动关门。要求：仿真真实电梯应用，设计相应的调度算法，使运营成本最低；发挥：到楼层声音提示、流水灯指示上下行等。二、系统设计1)电梯控制器的组成电梯的控制状态包括运行状态、停止状态及等待状态，其中运行状态又包含向上状态和向下状态

6、。每层楼设有用户请求按钮，用户可以通过本层的请求，对电梯进行控制，使电梯到当前楼层；而在电梯内部，还设有电梯停靠按钮，当用户需要下电梯时，可按下停止按钮，在计数及显示上，当电梯运行停止后，计数4s后，门自动关闭，而显示器也可显示当前电梯所在楼层数。时序输入楼层，开关门状态显示器电梯升降寄存器电梯服务请求处理器电梯次态生成器电梯升降控制器 2）电梯设计的基本思路电梯控制器设计两个进程相互配合，状态机进程作为主要进程，信号灯控制进程作为辅助进程，还有一个分频进程提供触发信号。根据电梯的实际工作情况，可以为状态机设置九个状态，它们分别是“电梯停在一层”“开门”“关门”“开门等待第一次”“开门等待第二

7、次”“开门等待第三次” “开门等待第四次”“开门等待第五次”“开门等待第六次” “开门等待第七次”“开门等待第八次”“开门等待第九次”“上升”“下降”和“停止”。由于电梯每4秒上升或下降一层，则可以用周期为1s的信号来作为电梯状态转换的触发时钟，然后定义一个变量，当变量为2时“上升”“下降”操作被执行，由于在进程中信号被冻结，等下一脉冲来的时候position改变。状态机进程中的很多判断条件是以信号灯控制进程产生的信号灯信号为依据，而信号灯控制进程中信号灯的熄灭又是由状态机进程中传出的信号来控制。四层电梯控制器的设计主要是对实体和结构体的设计，它的VHDL描述模块流程如图3.1所示：元件库的说

8、明定义实体定义结构体端口信号灯控制进程状态机进程按键信号灯结束3)电梯控制器程序代码LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY fourfilft IS PORT(buttonclk:IN STD_LOGIC; -按钮时钟信号 liftclk:IN STD_LOGIC; -按键读取时钟信号，设为1HZ reset:IN STD_LOGIC; -按键复位 kclose :in STD_LOGIC; -关门按键 kopen :

9、in STD_LOGIC; -开门按键 f1upbutton:IN STD_LOGIC; -外部上升请求按键 f2upbutton:IN STD_LOGIC; f2dnbutton:IN STD_LOGIC; -外部下降请求按键 f3upbutton:IN STD_LOGIC; f3dnbutton:IN STD_LOGIC; f4dnbutton:IN STD_LOGIC; sp:out STD_LOGIC; -蜂鸣器输出 doorlight:OUT STD_LOGIC; -电梯门指示灯： '1' 开 '0'关 fuplight:BUFFER STD_LOGI

10、C_VECTOR(4 DOWNTO 1); -外部上升请求指示灯 fdnlight:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 1); -外部上升请求指示灯 stop1button,stop2button,stop3button,stop4button:IN STD_LOGIC; -内部请求按键 stoplight:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 1); -内部请求指示灯 position:BUFFER INTEGER RANGE 1 TO 4; -电梯楼层数 udsig:BUFFER STD_LOGIC); -上下行模式指示灯：'

11、;0'处于上升模式，'1'处于下降模式END entity fourfilft;ARCHITECTURE art OF fourfilft ISTYPE lift_stata IS-状态机进程（主进程） (stopon1,dooropen,doorclose,doorwait1,doorwait2,doorwait3,doorwait4,doorwait5,doorwait6,doorwait7,doorwait8,doorwait9,up,down,stop);-电梯所处的15个状态SIGNAL mylift:lift_stata;-内部电梯状态信号SIGNAL cl

12、earup:STD_LOGIC;-上升清除信号 SIGNAL cleardn:STD_LOGIC;-下降清除信号 BEGINctrlift:PROCESS(reset,liftclk,kclose)VARIABLE pos:INTEGER RANGE 4 DOWNTO 1;-楼层位置变量 variable temp :INTEGER RANGE 0 to 3 :=0; BEGINIF reset='1' THEN mylift<=stopon1; -起始状态 clearup<='0' -上楼信号清除 cleardn<='0'-下

13、楼信号清除ELSE IF liftclk'EVENT AND liftclk='1' THEN case mylift IS WHEN stopon1=>doorlight<='1'-电梯处于一层 position<=1;pos:=1; mylift<=doorwait1; WHEN doorwait1=> -电梯转换到开门等待1s状态 if kclose='1' then mylift<=doorclose; -判断是否需要快速关门 else mylift<=doorwait2;-电梯转换到等待

14、2S状态 end if; WHEN doorwait2=> -电梯转换到等待3s状态 if kclose='1' then mylift<=doorclose;-判断是否需要快速关门 else mylift<=doorwait3; end if; clearup<='0' cleardn<='0' WHEN doorwait3=> -电梯转换到等待4s状态 if kclose='1' then mylift<=doorclose;-判断是否需要快速关门 else mylift<=do

15、orwait4; end if; WHEN doorwait4=> -电梯转换到等待5s状态 if kclose='1' then mylift<=doorclose;-判断是否需要快速关门 else mylift<=doorwait5; end if; WHEN doorwait5=> -电梯转换到等待6s状态 if kclose='1' then mylift<=doorclose;-判断是否需要快速关门 else mylift<=doorwait6; end if; WHEN doorwait6=> -电梯转换到等

16、待7s状态 if kclose='1' then mylift<=doorclose;-判断是否需要快速关门 else mylift<=doorwait7; end if; WHEN doorwait7=> -电梯转换到等待8s状态 if kclose='1' then mylift<=doorclose;-判断是否需要快速关门 else mylift<=doorwait8; end if; WHEN doorwait8=> -电梯转换到等待9s状态 if kclose='1' then mylift<=

17、doorclose;-判断是否需要快速关门 else mylift<=doorwait9; end if; WHEN doorwait9=>mylift<=doorclose; -电梯转换到关门状态 WHEN doorclose=>doorlight<='0' clearup<='0' cleardn<='0' -电梯处于关门状态时 IF udsig='0' THEN -表示电梯处于上升模式 IF position=4 THEN -电梯在四层 if kopen='1' th

18、en mylift<=dooropen; elsif stoplight="0000"AND fuplight="0000" AND fdnlight="0000" THEN udsig<='1' mylift<=doorclose; elsif fdnlight(4)='1' then udsig<='1'mylift<=dooropen;cleardn<='1' elsif stoplight(4)='1' then

19、 mylift<=dooropen;cleardn<='1' ELSE udsig<='1'mylift<=down;clearup<='1' END IF; ELSIF position=3 THEN -电梯在三层 if kopen='1' then mylift<=dooropen; elsIF stoplight="0000" AND fuplight="0000" and fdnlight="0000" THEN udsig&l

20、t;='0' mylift<=doorclose; elsif stoplight(4)='1' OR fdnlight(4)='1' THEN udsig<='0' mylift<=up; clearup<='1' elsif fuplight(3)='1' OR fdnlight(3)='1' then mylift<=dooropen;clearup<='1'cleardn<='1' elsif stop

21、light(3)='1' then mylift<=dooropen;clearup<='1'cleardn<='1' ELSE udsig<='1' mylift<=down; clearup<='1' END IF; ELSIF position=2 THEN -电梯在二层 if kopen='1' then mylift<=dooropen; elsIF stoplight="0000" AND fuplight="000

22、0" AND fdnlight="0000" THEN udsig<='0'mylift<=doorclose; ELSIF (stoplight(3)='1' OR fuplight(3)='1') THEN udsig<='0'mylift<=up;clearup<='1' ELSIF (stoplight(4)='1' OR fdnlight(4)='1') THEN udsig<='0'myli

23、ft<=up;clearup<='1' ELSIF (fdnlight(3)='1') THEN udsig<='0'mylift<=up;clearup<='1' elsif fuplight(2)='1' OR fdnlight(2)='1'or stoplight(2)='1' then mylift<=dooropen;clearup<='1'cleardn<='1' ELSE udsig<

24、='1'mylift<=down;clearup<='1' END IF; ELSIF position=1 THEN -电梯在一层 if kopen='1' then mylift<=dooropen; elsIF stoplight<="0000" AND fuplight<="0000" AND fdnlight<="0000" THEN udsig<='0'mylift<=doorclose; elsif fupli

25、ght(1)='1' or stoplight(1)='1' then udsig<='0'mylift<=dooropen;clearup<='1' ELSE udsig<='0'mylift<=up;clearup<='1' END IF; END IF; ELSIF udsig='1' THEN -表示电梯处于下降模式 IF position=1 THEN-电梯在一层 if kopen='1' then mylift<=

26、dooropen; elsIF stoplight<="000" AND fuplight<="0000" AND fdnlight<="0000" THEN udsig<='0' mylift<=doorclose; elsif fuplight(1)='1'or stoplight(1)='1' then udsig<='0'mylift<=dooropen;clearup<='1' ELSE udsig

27、<='0'mylift<=up;cleardn<='1' END IF; ELSIF position=2 THEN -电梯在二层 if kopen='1' then mylift<=dooropen; elsIF stoplight<="0000" AND fuplight<="0000" AND fdnlight<="0000" THEN udsig<='1'mylift<=doorclose; ELSIF sto

28、plight(1)='1' OR fuplight(1)='1' THEN udsig<='1' mylift<=down; cleardn<='1' elsif fuplight(2)='1' OR fdnlight(2)='1' or stoplight(2)='1' then mylift<=dooropen;clearup<='1'cleardn<='1' ELSE udsig<='0'

29、mylift<=up;clearup<='1' END IF; ELSIF position=3 THEN -电梯在三层 if kopen='1' then mylift<=dooropen; elsIF stoplight<="0000" AND fuplight<="0000" AND fdnlight<="0000" THEN udsig<='1'mylift<=doorclose; ELSIF (stoplight(2)='

30、1' OR fdnlight(2)='1') THEN udsig<='1'mylift<=down;cleardn<='1' ELSIF (stoplight(1)='1' OR fuplight(1)='1') THEN udsig<='1'mylift<=down;cleardn<='1' ELSIF (fuplight(2)='1') THEN udsig<='1'mylift<=down

31、;cleardn<='1' elsif fuplight(3)='1' OR fdnlight(3)='1'or stoplight(3)='1' then mylift<=dooropen;clearup<='1'cleardn<='1' ELSE udsig<='0'mylift<=up;clearup<='1' END IF; ELSIF position=4 THEN -电梯在四层 if kopen='1

32、9; then mylift<=dooropen; elsIf stoplight<="0000" AND fuplight<="0000" AND fdnlight<="0000" THEN udsig<='1'mylift<=doorclose; elsif fdnlight(4)='1'or stoplight(4)='1' then udsig<='1'mylift<=dooropen;cleardn<=

33、9;1' ELSE udsig<='1'mylift<=down;cleardn<='1' END IF; END IF; END IF; WHEN up=> temp:=temp+1; IF temp=2 then position<=position+1; -电梯处于上升状态时，-信号+1表示上升一层 pos:=pos+1;temp:=0; IF pos<4 AND(stoplight(pos)='1' OR fdnlight(pos)='1' OR fuplight(pos)=&#

34、39;1') THEN mylift<=stop; ELSIF pos=4 AND (stoplight(pos)='1' OR fuplight(pos)='1' OR fdnlight(pos)='1') THEN mylift<=stop; ELSE mylift<=doorclose; END IF; else position<=position;-电梯处于上升状态时，-信号+1表示上升一层 pos:=pos; end if; WHEN down=>temp:=temp+1; IF temp=2 t

35、hen position<=position-1;-电梯处于上升状态时，-信号+1表示上升一层 pos:=pos-1;temp:=0; IF pos>1 AND(stoplight(pos)='1' OR fuplight(pos)='1' OR fdnlight(pos)='1' ) THEN mylift<=stop; ELSIF pos=1 AND (stoplight(pos)='1' OR fdnlight(pos)='1' OR fuplight(pos)='1' )

36、THEN mylift<=stop; ELSE mylift<=doorclose; END IF; else position<=position;-电梯处于上升状态时，-信号+1表示上升一层 pos:=pos; end if; WHEN stop=>mylift<=dooropen;sp<='1'-电梯处于停止状态时转移到开门状态 WHEN dooropen=>doorlight<='1'sp<='0'-电梯处于开门状态时 IF udsig='0' THEN -如果电梯处于

37、上升状态时 IF position<=3 AND(stoplight(position)='1' OR fuplight(position)='1') THEN clearup<='1' ELSE clearup<='1'cleardn<='1' END IF; ELSIF udsig='1' THEN -如果电梯处于下降状态时 IF position>=2 AND(stoplight(position)='1' OR fdnlight(position

38、)='1') THEN cleardn<='1' ELSE clearup<='1'cleardn<='1' END IF; END IF; if kclose='1' then mylift<=doorclose;-快速开门条件的判断 else mylift<=doorwait1; END IF; END CASE; END IF; END IF;END process ctrlift; -状态机进程结束ctrlight:PROCESS(reset,buttonclk)-信号灯控制进

39、程（辅助进程）BEGIN IF reset='1' THEN stoplight<="0000"fuplight<="0000"fdnlight<="0000"-清除本层请求标志 ELSE IF buttonclk'EVENT AND buttonclk='1' THEN IF clearup='1' THEN stoplight(position)<='0'fuplight(position)<='0' ELSE I

40、F f1upbutton='1' THEN fuplight(1)<='1'-外部上升请求指示灯 ELSIF f2upbutton='1' THEN fuplight(2)<='1' ELSIF f3upbutton='1' THEN fuplight(3)<='1' END IF; END IF; IF cleardn='1' THEN stoplight(position)<='0'fdnlight(position)<='0

41、' ELSE IF f2dnbutton='1' THEN fdnlight(2)<='1'-外部下降请求指示灯 ELSIF f3dnbutton='1' THEN fdnlight(3)<='1' ELSIF f4dnbutton='1' THEN fdnlight(4)<='1' END IF; END IF; IF stop1button='1' THEN stoplight(1)<='1'-电梯内部按钮信号灯 ELSIF sto

42、p2button='1' THEN stoplight(2)<='1' ELSIF stop3button='1' THEN stoplight(3)<='1' ELSIF stop4button='1' THEN stoplight(4)<='1' END IF; END IF; END IF; END process ctrlight;-信号灯控制进程结束END art;三、单元模块设计1)四层电梯控制器的状态机：首先说明一下状态。状态机设置了15个状态，分别是电梯停留在l层(

43、stoponl)、开门(dooropen)、关门(doorclose)、开门等待第1秒(doorwaitl)、开门等待第2秒(doorwait2)、开门等待第3秒(doorwait3)、开门等待4秒(doorwait4)、开门等待5秒(doorwait5)、开门等待第6秒(doorwait6)、开门等待第7秒(doorwait7)、开门等待第8秒(doorwait8)、开门等待第9秒(doorwait9)、上升(up)、下降(down)和停止(stop)。在实体说明定义完端口之后，在结构体architecture和begin之间需要有如下的定义语句，来定义状态机。TYPE lift_state

44、 IS(stoponl，dooropen，doorclose，doorwaitl，doorwait2，doorwait3，doorwait4，doorwait5，doorwait6, doorwait7，doorwait8，doorwait9,up，down，stop)：SIGNAL mylift：lift_state：在结构体中，设计了两个进程互相配合，一个是状态机进程作为主要进程，另外一个是信号灯控制进程作为辅助进程。状态机进程中的很多判断条件是以信号灯进程产生的信号灯信号为依据的，而信号灯进程中信号灯的熄灭又是由状态机进程中传出的clearup和cleardn信号来控制。在状态机进程中，

45、在电梯的上升状态中，通过对信号灯的判断，决定下一个状态是继续上升还是停止；在电梯下降状态中，也是通过对信号灯的判断，决定下一个状态是继续下降还是停止；在电梯停止状态中，判断是最复杂的，通过对信号的判断，决定电梯是上升、下降还是停止。在信号灯控制进程中，由于使用了专门的频率较高的按键时钟，所以使得按键的灵敏度增大，但是时钟频率不能过高，否则容易使按键过于灵敏。按键后产生的点亮的信号灯(逻辑值为1)用于作为状态机进程中的判断条件，而clearup和cleardn信号为逻辑l使得相应的信号灯熄灭。2)系统设计各接口说明系统设计有如下输入：时钟（buttonclk，liftclk），系统复位键（res

46、et），开关门按键（kopen,kclose）楼层上升请求（f1upbutton，f2upbutton，f1upbutton），楼层下降请求（f2dnbutton，f3dnbutton，f3dnbutton），外部请求指示灯（fuplight，fdnlight），楼层停止请求（stop1button,stop2button,stop3button，stop1button）内部请求指示灯（stoplight）；同时输出如下：当前楼层位子（position），楼层上升、下降指示灯（udsig），开门状态灯（doorlight）。3)主要程序代码说明1设计此系统是通过状态机实现的，首先定义以下状态：

47、 TYPE lift_state IS(stoponl，dooropen，doorclose，doorwaitl，doorwait2，doorwait3，doorwait4，doorwait5，doorwait6, doorwait7，doorwait8，doorwait9,up，down，stop)：2利用用户所输入请求，在以上状态之间进行转换，同时也定义了以下寄存器信号以备调用：SIGNAL MYLIFT: LIFT_STATE;SIGNAL CLEARUP: STD_LOGIC;-清除上升请求指示灯SIGNAL CLEARDN: STD_LOGIC;- 清除上下降请求指示灯SIGNAL

48、POS: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL POSITION: INTEGER RANGE 1 TO 3;3在用户输入控制时，通过多个进程进行协调工作：CTRLIFT: PROCESS(RESET,LIFTCLK)-控制电梯状态进程用来为用户楼层选择CTRLIGHT:PROCESS(reset,buttonclk)-信号灯控制进程（辅助进程）用来扫描用户对电梯的请求主要用了以下语句：（1）CASE语句CASE语句属于顺序语句，因此必须放在进程语句中使用，CASE语句的一般表达式是：CASE <表达式> ISWHEN <选择值或标志符>

49、;=<顺序语句>；<顺序语句>；WHEN <选择值或标志符>=<顺序语句>；<顺序语句>；END CASE；当执行到CASE语句时，首先计算<表达式>的值，然后根据WHEN条件句中与之相同的<选择值或标志符>，执行对应的<顺序语句>，最后结束CASE语句。条件句中的=“>”不是操作符，它的含义相当于THEN（或“于是”）。使用CASE语句应该注意以下几点：WHEN条件句中的选择值或标志符所代表的值必须在表达式的取值范围内.除非所以条件句中的选择值能完全覆盖CASE语句中表达式的取值，否则最末一

50、个条件句中的选择必须如教材例那样用OTHERS关键词表示以上已列的所有条件句中的未能列出的其他可能的取值。OTHERS只能出现一次，且只能作为最后一种条件取值。使用OTHERS的目的是为了使条件句中的所有选择值能涵盖表达式的所有取值，以免综合器会插入不必要的锁存器。关键词NULL表示不做任何操作。CASE语句中的选择值只能出现一次，不允许有相同选择值的条件语句出现。CASE语句执行中必须选中，且只能选中所列条件语句中的一条。（2）IF语句IF语句是VHDL设计中最重要和最常用的语句，IF语句作为一种条件语句，它根据语句中所设置的一种或多种条件，有选择地执行制定的顺序语句。IF语句的语句结构有以

51、下几种：IF 条件句THEN顺序语句END IF；IF 条件语句THEN顺序语句ELSE 顺序语句END IFIF 条件语句 THEN IF 条件句 THENENDIFEND IF IF条件句 THEN顺序句ELSIF 条件句THEN顺序语句ELSE顺序语句 END IF；IF语句中至少应有一个条件句，“条件句”可以是BOOLEAN类型的标志符，如IF A1 THEN ，或者是一个判别表达式，如IF ATHEN ，判别表达式输出的值，即判断结果的数据类型是BOOLEAN。IF语句根据条件语句产生的判断结果是TRUE或是FALSE，有条件的选择执行其后的顺序语句。四、仿真与调试设定仿真时间长度为60s，liftclk信号为周期1s的时钟信号,buttonclk信号为周期0.1s的时钟信号。doorlight信号逻辑1表示开门，逻辑0表示关门。udsig信号为逻辑1表示电梯处在上升模式，逻辑0表示处在