電梯控制器 Verilog語言

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1、山東建筑大學信息與電氣工程學院學院課程設計說明書 目錄 摘 要 2 正文 3 1設計目的及要求 3 2設計原理 3 2.1 設計實現(xiàn)原理 3 2.2項目分塊及其實現(xiàn)方案 5 2.3電梯控制器的流程圖 6 3設計內容 7 3.1基本狀態(tài)設計 7 3.2模塊設計 8 3.3波形仿真 9 總結與致謝 13 參考文獻 14 附錄 15 摘 要 電梯作為垂直方向的交通工具，在高層建筑和公共場所已成為不可或缺的設備。中國是全球最大的電梯市場，也具有最強的電梯生產(chǎn)能力，但由于缺乏自主知識產(chǎn)權和核心技術，自主品牌占

2、市場的份額很少。因此要加大對電梯技術的創(chuàng)新和發(fā)展，提升電梯的性能，就需要引進更好的技術，電梯控制器就是很好的裝置，大力開發(fā)控制器是很必要的。 電梯的微機化控制主要有以下幾種形式：PLC控制；單片機控制；單板機控制；單微機控制；多微機控制；人工智能控制。本次課程設計采用了EDA技術進行操作EDA技術打破了軟件和硬件間的壁壘，使計算機的軟件技術與硬件實現(xiàn)、設計效率與產(chǎn)品性能合二為一，它代表了電子設計技術和應用技術的發(fā)展方向。 本設計采用Verilog HDL語言的編程技術，源程序Altera公司的Quartus II軟件仿真。 關鍵字：EDA技術; Verilog HDL語言; Q

3、uartus II軟件 正文 1設計目的及要求 1、進一步鞏固理論知識，培養(yǎng)所學理論知識的在實際中的應用能力；掌握EDA設計的一般方法；熟悉一種EDA軟件，掌握一般EDA系統(tǒng)的調試方法；利用EDA軟件設計一個電子技術綜合問題，培養(yǎng)Verilog HDL編程、書寫技術報告的能力。為以后進行工程實際問題的研究打下設計基礎。 2、設計一個6層電梯控制器電路，用數(shù)碼管顯示電梯所在樓層號，電梯初始狀態(tài)為第一樓層；每樓層電梯外都有上、下樓請求開關，電梯內設有乘客到達樓層的請求開關、電梯所處樓層、上升模式及下降模式的指示；電梯每2秒

4、升降一層，到達有停站請求的樓層后，經(jīng)4秒電梯門打開，開門指示燈亮，開門4秒后，指示燈滅，關門，關門時間3秒，電梯繼續(xù)運行。可以通過快速關門和關門中斷信號控制；能記憶電梯內外的請求信號，當電梯處于上升模式時，只響應比電梯所在位置高的樓請求信號，直到最后一個上樓請求執(zhí)行完畢，再進入下降模式。 2設計原理 2.1 設計實現(xiàn)原理 根據(jù)系統(tǒng)設計要求，并考慮到系統(tǒng)的可檢驗性，整個系統(tǒng)的輸入輸出接口設計如圖1所示：系統(tǒng)工作用2Hz基準時鐘信號CLKIN,樓層上升請求鍵UPIN,樓層下降請求鍵DOWNIN,樓層選擇鍵入鍵ST_CH，提前關門輸入鍵CLOSE,延遲關門輸入鍵DELAY，電梯運行的開關鍵R

5、UN_STOP，電梯運行或停止指示鍵LAMP,電梯運行或等待時間指示鍵RUN_WAIT,電梯所在樓層指示數(shù)碼管ST_OUT,樓層選擇指示數(shù)碼管DIRECT。 DTKZQ CLKIN LAMP UPIN DOWNIN ST_CH[1] RU_WAIT CLOSE ST_OUT DELAY DIRECT RUN_STOP 圖 1. 電梯控制器DTKZQ的輸入輸出接口圖 各輸入端口的功能如下： CLKIN:基準時鐘信號，為系統(tǒng)提供2H

6、z的時鐘脈沖，上升沿有效； UPIN:電梯上升請求鍵。由用戶向電梯控制器發(fā)出上升請求。高電平有效； DOWNIN:電梯下降請求鍵，由用戶向電梯控制器發(fā)出下降請求。高電平有效； ST_CH[2..0]:樓層選擇鍵入鍵，結合DIRECT完成樓層選擇的鍵入，高電平有效； CLOSE:提前關門輸入鍵。可實現(xiàn)無等待時間的提前關門操作，高電平有效； DELAY: 延遲關門輸入鍵?？蓪崿F(xiàn)有等待時間的延遲關門操作，高電平有效； RUN_STOP:電梯運行或停止開關鍵?？蓪崿F(xiàn)由管理員控制電梯的運行或停止，高電平有效。 一下為輸出端口： LAMP:電梯運行或等待指示鍵，指示電梯的運行或等待狀況。高

7、電平有效； RUN_WAIT:電梯運行或等待時間指示鍵，指示電梯運行狀況或等待時間的長短，高電平有效； ST_OUT:電梯所在樓層指示數(shù)碼管，只是電梯當前所在的樓層數(shù)。即1~6層，高電平有效； DIRECT:樓層選擇指示數(shù)碼管，指示用戶所要選擇的樓層數(shù)，高電平有效。 2.2項目分塊及其實現(xiàn)方案 電梯的控制狀態(tài)包括運行狀態(tài)﹑停止狀態(tài)及等待狀態(tài)，其中運行狀態(tài)又包含向上狀態(tài)和向下狀態(tài)。主要動作有開、關門，乘客可通過鍵入開、關門按鍵，呼喚按鍵，指定樓層按鈕等來控制電梯的行與停。 據(jù)此，整個電梯控制器DTLZQ應包括如下幾個組成部分：①時序輸出及樓選計數(shù)器；②電梯服務請求處理器；③電梯升

8、降控制器；④上升及下降寄存器；⑤電梯次態(tài)生成器。該電梯控制器設計的關鍵是確定上升及下降寄存器的置位與復位。整個系統(tǒng)的內部組成結構圖2所示。 電梯服務請求處理器 時序輸出及樓選計數(shù)器（DIR） DRECT CLKIN UOIN DOWNIN ST_CH 電梯升降 控制器 （LIFTOR） DELAY 電梯次態(tài)生成器（LADD） 上升請求寄存器（UR） 下降請求寄存器（DR） CLOSE RUN_STOP LAMP RUN_WAIT ST_OUT 圖2. 電梯控制器的內部組成結構圖 時鐘CLK 請 求 信 號 輸 入

9、 模 塊 樓層請求 超 載 超 載 關門中斷 提前關門 清楚報警 控 制 模 塊 輸 出 顯示 模塊 請求信號顯示 運行狀態(tài)顯示 所在樓層顯示 門控制信號 超載報警 圖3. 電梯控制器系統(tǒng)框圖 2.3電梯控制器的流程圖 初始化 外部按鍵 否 請求信號寄存器 是否有請求？ 樓層檢測 電梯運行 等待 判定電梯運行方向 是 目標層與本層是否同層？ 狀態(tài)寄存器 是 內部軟件執(zhí)行機構 否 外

10、部硬件執(zhí)行機構 圖4 總流程圖 是否目標層？ 否 是 電梯停止 開門 關門 否 是否停止運行？ 是 停止 圖5 電梯控制主流程圖 3設計內容 3.1基本狀態(tài)設計 1、采用信號并置處理很多輸入信號的方式： always @(call_up_1 or call_up_2 or call_up_3 or call_up_4 or call_up_5) up_all={1'b0, call_

11、up_5, call_up_4, call_up_3, call_up_2, call_up_1}; //將各下降請求信號實時地合并(1樓為底層,無下降請求,考慮到通用性,將第1位填零) always @(call_down_2 or call_down_3 or call_down_4 or call_down_5 or call_down_6) down_all={call_down_6, call_down_5, call_down_4, call_down_3, call_down_2, 1'b0}; //將各?？空埱笮盘枌崟r地合

12、并 always @(request_1 or request_2 or request_3 or request_4 or request_5 or request_6) request_all={request_6, request_5, request_4, request_3, request_2, request_1}; 2、通過參數(shù)定義把信號并置的方法和有限狀態(tài)機聯(lián)系起來 parameter WAIT=7'b0000001, UP=7'b0000010, DOWN=7'b0000100, UPSTOP=7'b0001000, DOWNST

13、OP=7'b0010000, OPENDOOR=7'b0100000, CLOSEDOOR=7'b1000000; //定義樓層的符號常量 parameterFLOOR1=6'b000001,FLOOR2=6'b000010,FLOOR3=6'b000100, FLOOR4=6'b001000, FLOOR5=6'b010000, FLOOR6=6'b100000; parameter TRUE=1'b1, FALSE=1'b0;//定義門打開和門關閉的符號常量 parameter OPEN=1'b1, CLOSED=1'b0;//定義電梯上升，下降和

14、靜止的符號常量 parameter UPFLAG=2'b01,DNFLAG=2'b10,STATIC=2'b00; 3、采用了七個狀態(tài)實現(xiàn)了有限狀態(tài)機 WAIT UP UPSTOP DOWN OPENDOOR DOWNSTOP CLOSEDOOR 圖6.狀態(tài)轉換圖 黑線：WAIT TO UP TO UPSTOP TO OPENDOOR TO CLOSEDOOR TO WAIT 粉紅線：WAIT TO DOWN TO DOWNSTOP TO OPENDOOR TO CLOSEDOOR TO WAIT

15、 3.2模塊設計 1、電梯主控制器模塊elevator_controller： 此段智能電梯控制器由三個重要部分組成的。 （a）信號并置部分，完成對5路向上請求、5路向下請求、6路內部請求的信號并置，化繁為簡。 （b）三段式有限狀態(tài)機部分。在有請求的情況下，電梯控制器還要根據(jù)電梯的當前狀態(tài)和當前的樓層去判斷電梯的下一步該如何運作。 （c）計數(shù)器部分。完成電梯的開門、關門的時間管理。 圖7.電梯主控模塊 2、分頻模塊frequence_div： 這段分頻器完成對50Mhz的1分頻操作。采用傳統(tǒng)的“一半就翻轉”的計數(shù)技巧。 圖8.分頻模塊 3、

16、數(shù)碼管譯碼模塊 3.3波形仿真 1、當電梯處于初始狀態(tài)時，電梯在高層有向下的請求時： 圖9 2、當電梯停在6樓處于等待狀態(tài)時，在1樓和2樓同時有向上的請求時： 圖10 3、當電梯停在1樓處于等待狀態(tài)時，在6樓和5樓同時有向下的請求時： 圖11 4、當電梯停在6樓時，有在5樓的向下的請求時，電梯應該先到五樓，電梯內部請求到1樓，如果電梯在下降的過程中，有在2樓的向上的請求時，電梯應該先相應內部請求，然后相應外部請求： 圖12 5、電梯的強制運行按鈕forbid： 圖13 總結與致謝 通過本次課程設計進

17、一步熟悉Quartus II軟件的使用和操作方法，以及硬件實現(xiàn)時的下載方法與運行方法；對Verilog HDL語言的自頂向下設計方法有了進一步的認識，對其中的許多語句也有了新了解，掌握；對自己獨立思考和解決問題的能力也有了很大的鍛煉。 短暫的課程設計就要結束了，在此，感謝所有在學習和生活中給予我關心和幫助的人們。 首先我要感謝楊紅娟、王濤兩位位老師，本次課程設計設計的選題、課題調研與撰寫工作實在和老師的指導下完成的。和老師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、一絲不茍的工作作風、和不厭其煩的精神對我影響至深，使我受益終生，在此我向和老師表示崇高的敬意和衷心的感謝。 其次，在我的課程設計期間，同課題

18、的同學都給予了我熱情的幫助和無私的指導，在此向這些同學們表示衷心的感謝。 最后，向所有曾給予我關心和幫助的老師和同學們再次致以最衷心的感謝，向參加報告評審、答辯的老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。 參考文獻 [1] 黃仁欣．EDA技術實用教程．北京：清華大學出版社，2006 [2] 潘松，黃繼業(yè)．EDA技術與VHDL．北京：清華大學出版社，2009 [3] 江國強編著．EDA技術與應用（第三版）．.北京：電子工業(yè)出版社，2010 [4] 夏宇聞編著．Verilog HDL數(shù)字系統(tǒng)設計教程．.北京：北京航空航天大學出版社，2008

19、[5] 周祖成，程曉軍，馬卓釗編著．數(shù)字電路與系統(tǒng)教學實驗教程．北京：科學出版社，2010 [6] 周潤景，蘇良碧．基于Quartus II 的數(shù)字系統(tǒng)Verilog HDL設計實例詳解．北京：電子工業(yè)出版社，2010 [7] (美國)Sanir Palnitkar 譯者：夏宇聞 胡燕祥 刁嵐松．Verilog HDL數(shù)字設計與綜合（第2版）．北京：電子工業(yè)出版社，2009 [8] 云創(chuàng)工作室．Verilog HDL程序設計與實踐．北京：人民郵電出版社，2009 [9] 劉福奇，劉波．Verilog HDL應用程序設計實例精講．北京：電子工業(yè)出版社，2009 [10] 張延偉，楊金巖

20、，葛愛學．verilog hdl程序設計實例詳解．北京：人民郵電出版社，2008 附錄 1、分頻模塊 module frequence_div(cp_50M,cp_1); input cp_50M;//板子提供的最高時鐘 output cp_1;//要求得到的秒脈沖 reg [27:0] counter_1;//計數(shù)器 reg cp_1;//類型聲明 always@(posedge cp_50M) begin if(counter_1==28'h17D7840)//50M的一半到了，秒脈沖翻轉

21、 begin cp_1<=~cp_1;//翻轉 counter_1<=28'h0000000; end else counter_1<=counter_1+1'b1;//否則加1 end endmodule 2、智能電梯主控制模塊 module elevator_controller(//input ports: cp_50M,clk,reset,forbid, call_up_1, call_up_2, call_

22、up_3, call_up_4, call_up_5, call_down_2, call_down_3, call_down_4, call_down_5,call_down_6, request_1, request_2, request_3, request_4, request_5, request_6, //output ports: out,LiftState,over_alarm,count_out,count ); //output ports:

23、 output [6:0]out;//輸出樓層 output [6:0] LiftState;//輸出電梯狀態(tài) output over_alarm;//出錯 output [6:0]count_out;//計數(shù)器輸出，便于我控制開關門的狀態(tài)顯示 output [2:0]count;//計數(shù)器 //input ports: input cp_50M; input clk,reset,call_up_1,call_up_2,call_up_3,call_up_4,call_up_5,call_down_2,call_down_3,

24、call_down_4,call_down_5,call_down_6,request_1,request_2,request_3,request_4,request_5,request_6; input forbid; //pos與Posout的關系:當前狀態(tài)一改變,pos立即作相應改變,而PosOut則是當前狀態(tài)在要變到下一狀態(tài)的瞬間 //,將PosOut作相應改變。如從WAIT切換到第一個UP時，pos立即加一，而PosOut則要等到第一個UP //即將切換到第二個UP時，才加一。 //這個說的簡單一點，就是移位寄存器，便于對電梯狀態(tài)的實時的控制 wire over

25、_alarm; wire [6:0]out; wire [6:0]count_out; reg [5:0]pos,PosOut; reg [2:0] count;//門開后要持續(xù)5個時鐘周期,用count來計數(shù) reg DoorFlag; reg [1:0] UpDnFlag; reg [6:0] LiftState,NextState;//分別表示電梯的當前狀態(tài)和下一狀態(tài) wire real_clk; //up_all,down_all,request_all分別用來合并向上請求的各信號，向下請求的各信號和?？空埱蟮?/p>

26、各信號 //以便判斷電梯在狀態(tài)間如何轉移時更簡潔 reg [5:0] up_all,down_all,request_all; //定義電梯7種狀態(tài)的符號常量 parameter WAIT=7'b0000001, UP=7'b0000010, DOWN=7'b0000100, UPSTOP=7'b0001000 , DOWNSTOP=7'b0010000, OPENDOOR=7'b0100000, CLOSEDOOR=7'b1000000; //定義樓層的符號常量 parameter FLOOR1=6'b000001, FLOOR2=6

27、'b000010, FLOOR3=6'b000100, FLOOR4=6'b001000, FLOOR5=6'b010000, FLOOR6=6'b100000; parameter TRUE=1'b1, FALSE=1'b0; //定義門打開和門關閉的符號常量 parameter OPEN=1'b1, CLOSED=1'b0; //定義電梯上升，下降和靜止的符號常量 parameter UPFLAG=2'b01,DNFLAG=2'b10,STATIC=2'b00; assign real_clk=(clk&(~forbid));

28、//采用屏蔽時鐘的方法來實現(xiàn)“電梯強制禁止運行”。方法雖然違反了“同步電路最好 //沒有時鐘門控”的要求，但是在此只要“負面影響”不是很大還是可以接受的。 //將各上升請求信號實時地合并(6樓為頂層,無上升請求，考慮到通用性，將第4位填零) always @(call_up_1 or call_up_2 or call_up_3 or call_up_4 or call_up_5) up_all={1'b0, call_up_5, call_up_4, call_up_3, call_up_2, call_up_1}; //將各下降

29、請求信號實時地合并(1樓為底層,無下降請求,考慮到通用性,將第1位填零) always @(call_down_2 or call_down_3 or call_down_4 or call_down_5 or call_down_6) down_all={call_down_6, call_down_5, call_down_4, call_down_3, call_down_2, 1'b0}; //將各停靠請求信號實時地合并 always @(request_1 or request_2 or request_3 or request_4 o

30、r request_5 or request_6) request_all={request_6, request_5, request_4, request_3, request_2, request_1}; always @(posedge real_clk or posedge reset) if(reset) count<=0; else if((NextState==OPENDOOR)&&(count<5))//or else if(NextState==OPENDOOR)

31、 count<=count+1;//如果計數(shù)不到5且下一狀態(tài)為OPENDOOR的話,繼續(xù)計數(shù) else count<=0;//清零,以備下次計數(shù) //display which floor the elevator is.... display_decode h1(cp_50M,PosOut,out,over_alarm); display_decode_count h2(cp_50M,count,count_out); // finite state machine in t

32、he style of three segments ，三段式 //1st StateShift always block,sequential state transition，有限狀態(tài)機第一段 always @(posedge real_clk or posedge reset) if(reset) begin LiftState<=WAIT; end else LiftState<=NextState; //2nd

33、StateShift always block,combinational condition judgement，有限狀態(tài)機第二段 always @(LiftState or up_all or down_all or request_all or pos or count or UpDnFlag) case(LiftState) WAIT: begin if(request_all>0)//有?？空埱蠓? begin

34、 if((request_all&pos)>0)//停靠請求中有當前樓層?？空埱蠓? NextState=OPENDOOR;//有當前樓層請求，則下一狀態(tài)轉開門 else if(request_all>pos)//有當前樓層之上的停靠請求否（優(yōu)先向上的請求） NextState=UP;//有則，下一狀態(tài)轉上升

35、 else NextState=DOWN;//只有當前樓層之下的停靠請求，下一狀態(tài)轉下降 end else if((up_all&pos)||(down_all&pos))//上下請求中有當前樓層請求否 begin NextState=OPENDOOR; end

36、 else if((up_all>pos)||(down_all>pos))//上下請求中有當前樓層之上的請求否 NextState=UP; else if(up_all||down_all)//上下請求中有當前樓層之下的請求否 NextState=DOWN; else NextState=WAIT;//無任何請求，繼續(xù)處

37、于WAIT模式 end UP: begin if((request_all&pos)||(up_all&pos))//?？炕蛏仙埱笾杏挟斍皹菍拥恼埱蠓? NextState=UPSTOP;//有，下一狀態(tài)轉為UPSTOP(停靠后要1s才開門,UPSTOP即為這1s的過渡期) else if((

38、request_all>pos)||(up_all>pos))//停靠或上升請求中有當前樓層之上的請求否 NextState=UP; else if(down_all>0)//有下降請求否 begin if((down_all>pos)&&((down_all^pos)>pos))//下降請求中有當前樓層的請求否 NextState

39、=UP; else if((down_all&pos)||(pos

40、 else//下降請求中只有當前樓層之下的請求 NextState=DOWN; end else if(request_all||up_all)//只有當前樓層之上的?？炕蛏仙埱蠓? NextState=DOWN; else NextState=WAI

41、T;//無任何請求，轉為WAIT模式 end //DOWN的狀態(tài)轉移請參見UP的狀態(tài)轉移 DOWN: begin if((request_all&pos)||(down_all&pos)) NextState=DOWNSTOP; else if(((request_all&FLOOR1)

42、l&FLOOR2)

43、lse if(((down_all&FLOOR1)

44、extState=DOWN; else if(up_all>0) begin if(((up_all&FLOOR1)

45、os&&(up_all&FLOOR5))||((up_all&FLOOR6)FLOOR1)) NextState=DOWNSTOP; else if((up_all&pos)&&(pos==FLOOR1))

46、 NextState=UPSTOP; else NextState=UP; end else if(request_all||down_all) NextState=UP; else

47、 NextState=WAIT; end UPSTOP: begin NextState=OPENDOOR;//?？?時鐘周期后開門 end DOWNSTOP: begin NextState=OPENDOOR;//?？?時鐘周期后開門 end OPENDOOR:

48、 begin if(count<5)//開門不足5周期，則繼續(xù)轉移到開門狀態(tài) NextState=OPENDOOR; else NextState=CLOSEDOOR;//開門5周期后，關門 end CLOSEDOOR: begin if(UpDnF

49、lag==UPFLAG)//開門關門前電梯是處于上升狀態(tài)嗎 begin if((request_all&pos)||(up_all&pos))//上升或?？空埱笾杏挟斍皹菍拥恼埱蠓瘢锌赡荜P門的瞬間又有新的請求 NextState=OPENDOOR; else if((request_all>pos)||(up_all>pos))//上升或停靠請求中有當前樓層之上的請求否

50、 NextState=UP; else if(down_all>0)//有下降請求否 begin if((down_all>pos)&&((down_all^pos)>pos)) NextState=UP;//有當前樓層之上的下降請求，則下一狀態(tài)轉移上升

51、 else if((down_all&pos)>0)//有當前樓層的下降請求信號，且更上層無下降請求 NextState=OPENDOOR; else//只有低于當前層的下降請求 NextState=DOWN; end

52、 else if(request_all||up_all)//上升和停靠請求中有當前層的請求且只有當前層下的請求 NextState=DOWN; else NextState=WAIT;//無任何請求，轉為WAIT模式 end //請參考UpDnFlag=UPFLAG的注釋

53、 else if(UpDnFlag==DNFLAG) begin if((request_all&pos)||(down_all&pos)) NextState=OPENDOOR; else if(((request_all&FLOOR1)

54、OR2)

55、 else if(((down_all&FLOOR1)

56、 NextState=DOWN; else if(up_all>0) begin if(((up_all&FLOOR1)

57、(up_all&FLOOR4))||((up_all&FLOOR5)0) NextState=OPENDOOR;

58、 else NextState=UP;// end else if(request_all||down_all) NextState=UP; else NextSta

59、te=WAIT;// end //請參考WAIT模式的注釋 else begin if(request_all>0) begin if((request_all&pos)>0)

60、 NextState=OPENDOOR; else if(request_all>pos) NextState=UP; else NextState=DOWN; end

61、 else if((up_all&pos)||(down_all&pos)) begin NextState=OPENDOOR; end else if((up_all>pos)||(down_all>pos)) NextState=UP;

62、 else if(up_all||down_all) NextState=DOWN; else begin NextState=WAIT; end

63、 end end default: NextState=WAIT; endcase //3rd StateShift always block,the sequential FSM output，有限狀態(tài)機第三段 always @(posedge real_clk or pose

64、dge reset)//output if(reset) //復位后初始化當前樓層為第一層,門是關閉的,電梯是靜止的 begin pos<=FLOOR1; DoorFlag<=CLOSED; UpDnFlag<=STATIC; end else begin PosOut<=pos;//PosOut的輸出慢pos一個時鐘周期

65、 case(NextState) WAIT: //狀態(tài)為WAIT時,樓層不變,門是關閉的,電梯是靜止的,其他模式的情況請大家自己推導 begin pos<=pos; DoorFlag<=CLOSED; UpDnFlag<=STATIC; end UP:

66、 begin pos<=pos<<1; DoorFlag<=CLOSED; UpDnFlag<=UPFLAG; end DOWN: begin pos<=pos>>1; DoorFlag<=CLOSED; UpDnFlag<=DNFLAG; end UPSTOP: begin pos<=pos; DoorFlag<=CLOSED