数字系统设计课程设计三层电梯控制器03071207.doc

数字系统课程设计数字系统设计课程设计 题目： 三层电梯控制器 姓名： 钟玉钊 班级： 计算机052班 学号： 05071232 日期：2008.7.52008.7.12 地点：南山综合楼B805 EDA实验室 一、设计目的： 1熟练利用VHDL语言进行数字系统设计； 2. 掌握数字系统的设计方法自顶向下的设计思想； 3掌握电梯控制器的设计与使用； 4根据电梯控制器的功能要求设计一个电梯控制器；二、实验器材：PC机一台，EDA教学实验系统一台，下载电缆一根（已接好），导线若干。三、 设计要求： 设计一个简单的三层电梯控制器，它的具体功能为：1、每层电梯的入口处设有上下请求开关，电梯内有乘客到达楼层停站请求开关，能够提前关门和延时关门。 2、每层外面入口处有显示当前电梯处在第几层的数码管，电梯内部有显示当前电梯所处位置的数码管，并有上升或下降的指示灯，有开门或关门的状态指示。3、电梯到请求站后，开门时间大概为2.6（200*1/76）秒，每两层之间的运行时间为2.6秒，若当前层没有请求则停留在当前层的关门状态。4、能记忆电梯内外的所有请求信号，并能按照电梯运行规则次序响应，每个信号保留至执行后消除。5 、电梯运行规则：无论电梯当前是处于何种状态，若电梯没有竞争信号请求，则只要有请求则响应，若当前电梯处于第一层，优先响应第一层的开门请求，若其它层任何信号请求，则应当进入运行状态，然后达到第二层，同理处于第三层的时候，也是优先开门请求，然后再响应其他层的请求，必须经过第二层。处于第二层时就需要根据电梯的当前方向来判断。若处于下降模式，且第第三层到第一层的请求还没有响应，此时若二层有请求，只第二层有下降请求，不响应二层的上层请求，到达一层后再回来响应上升请求。同理若为上升状态，则相反。四、实验原理：1功能描述：随着社会的发展，电梯的使用越来越普遍，已从原来只在商业大夏、宾馆使用，过渡到在办公楼、居民楼等场合使用，并且对电梯的功能要求也不断提高。根据系统设计的要求，并考虑到可验证性，整个系统的输入输出接口设计如图1所示：系统工作于305Hz的时钟信号CLK,经过4分频后得到76Hz的采样控制脉冲，楼层上升请求信号UP1、UP2 ；下降请求信号DOWN3、DOWN2；提前关门eary、延时关门delay ；楼层选择信号KEY1、KEY2、KEY3分别与开关相连，低电平有效。电梯上升或下降指示UP_DOWN , 一层上升指示F1_UP，二层上升指示UP2 ，二层下降指示F2_DOWN ，三层下降指示F3_DOWN ，门开或关状态指示gate都与一个LED灯相连指示响应状态。外部可见部分： 图1 整个系统的输入输出 内部： 图2 系统的内部结构原理图2基本原理： 本系统主要分为四个模块，模块fenpin将305Hz的时钟源clk经过4分频作为请求键的采样脉冲，mod80是一个模四计数器作为数码管的位选，decoder7是数码管的段译码，keytest是最主要的模块，完成电梯的请求检测与状态转换，并给出响应，复位后电梯处于第一层关门状态。基本方框图如下：请求信号输入305Hz 时钟源clk Keytest （信号请求检测与电梯状态控制）Fenpin4分频（76hz）Decoder7 译码Mod80 模4计数器数码管显示LED灯位选段选 四、 实验内容：(画出流程图)1、 状态转换图：电梯控制器分为6种状态：C1、C2、C3、CLOSE_D、CLOSE_D1、TIEME3和TIME4 C1：第一层C2：第二层C3：第三层CLOSE_D：关门状态CLOSE_D1:关门状态说明：请示关门状态只要一个就够了的，但是一个的话，里边的共享变量或者逻辑门的数量过多，使得编译的时候器件不够，无法下载。TIME3：运行状态TIME4：开门状态U(1) =1： 表明一楼有人按了上升请求F1_UPU(2)=1 ： 二楼有人按了F2_UP D2=1 ： 二楼有人按了F2-DOWNU(3)=1 ： 三楼有人按了下降请求F3_DOWNTING(1)=1 ： 电梯内有人按了一楼停的请求键KEY1TING(2)=1 ： 电梯内有人按了二楼停的请求键KEY2TING(3)=1 ： 电梯内有人按了三楼停的请求键KEY3UP_DOWN=1 ：电梯当前的状态为上升模式，等于0则为下降模式；端口为双向的可读可写F1、F2、F3 分别表示从一楼、二楼和三楼出来，即当到达另一状态时，是根据这三个值是否为1来判断前一种状态是从C1或者C2还是C3过来的，作为下一状态转移的依据。因为运行和关门状态都只有一个，是各层公用的。只能用标志来区别。上电复位后，电梯处于C1，即第一层C1：处于第一层时，先令F1=0、F2=0、F3=0，UP_DOWN=1,表明第一层出来的时候是上升模式。若U（1）=1 或者TING(1)=1 即第一层的任何请求都应该开门，因为已经到了第一层应该优先响应开门，进入TIME4开门状态并且使F1=1状态图中的，表明是从C1到达TIME4状态的，否则若其它层有请求（U(2)、d2、 U（3）、TING(3)、TING(2)中至少有一个值为1），则进入运行状态TIME3 ，并使F1=1，即状态图中的。C2 ：第二层的时候需要根据当前的电梯状态来决定下一个状态。优先顺序是： 电梯上升时二楼门外有上升请求，电梯下降时二楼门外的下降请求，电梯下降时电梯内一楼还没响应的停请求，电梯上升时电梯内三楼还没有响应的停请求，上升时三楼门外的下降请求，下降时三楼门外的上升请求，若以上的都没有则随便任何一个请求都响应。进入运行状态经过，二楼的开门请求经过A进入TIME4。并且上升时需要给UP_DOWN=1，下降UP_DOWN=0，一到二楼F1=F2=F3=0,从二楼出来时F2=1. C3 ：一到C3则优先响应三楼的下降请求经过E进入TIME4，否则只要一层二层的任意请求存在都经过C进入TIME3运行状态。同样进入C3时 F1=F2=F3=0,出来时F3=1。UP_DOWN=0。TIME3 ：一旦计数到的时候如果F1=1 则经过D进入C3，如果F3=1则经过进入C1。如果F2=1,是有优先响应顺序的：上升时则优先响应电梯内还没有响应的停（TING(3)=1）请求，经过D进入C3，下降时优先响应电梯内还没有响应停（ting（1）=1）请求，经过进入C1，上升时三楼门外的下降请求，经过D进入C3，下降时一楼门外的上升请求，经过进入C1，剩下的请求只要有请求则响应。 （ F1、F2、F3是不可能同时为1的，这样就保证了优先原则）TIME4 ：只是开门状态计数时间到则进入关门状态经过到达CLOSE_D1CLOSE_D1 ：这个状态也是需要根据F1、F2、F3的值来决定下一状态的，当F1=1时，如果一楼有请求则经过进入开门状态。否则经过进入CLOSE_D状态。若F2=1,如二楼门外有请求则经过进入TIME4，否则经过进入CLOSE_D状态。如过F3=1，若三楼门外有请求同样是经过进入TIME4开门状态，否则经过进入CLOSE_D状态。其实CLOSE_D1只是用于检测门外的开门请求，若没有进入另一个关门状态去检测到达其他楼层的请求。没有请求的时候一直在CLOSE_D和CLOSE_D1之间循环。CLOSE_D ：如有到达其他层的请求，则经过到达TIME3运行状态。否则进入CLOSE_D1。TIME3CLOSE_DTIME4 C1 C2 C3CLOSE_D1123456789BDCAE开始 ?Clkevent and clk=1Up1=1一层外上升请求？yesY U（1）=1 F1-UP=1 /1楼上升请求灯亮KEY1=0一楼是否有停请求ABYBTing(1)=1UP2=0 AY U(2)=1 F2_UP=1 / 2楼上升请求灯亮DOWN2=02楼门外下降请求 D2=1 F2_DOWN=1 /2楼外下降请求灯亮YCCKEY2=0 /2楼停TING(2)=1DOWN3=0/3楼外下降请求U(3)=1F3_DOWN=1 /3楼外请求下降灯亮Key（3）=0 DEDTING(3)=1 ETIQIAN=0提前关门YANSHI=0 /延时关门 TI:=1 YA=1 CASE STATEC1 C2 C3 CLOSE_D TIME3 TIME4 close_d1C1一层 C2二层 C3三层Close_d关门Time3运行Time4开门Close_d1 C1 CURRENT=”01” /输出到数码管 使其显示1F1=0 ; F2=0 ; F3=0; / 楼层标志清零F1_UP=0 /请求灯灭UP_DOWN=1U（1）or ting（1）=1是否有停或请求 U（1）=0；/响应后请求清零 Ting（1）=0；/响应后请求清零 F1=1/表明是从一楼过到TIME4状态的 STATE=TIME4/进入开门状态U（2）OR TING(2) OR TING(3) OR U(3)=1 OR D2=1 返回 开始 F1=1 STATE=TIME3 /进入运行状态 返回 开始 C2F1=F2=F3=0; CURRENT=”10”F2_DOWN=0F2_UP=0;U(2) AND UP_DOWN=1 F2=1/上升时优先2楼上升请求U(2)=0/表明已响应STATE=TIME4 / 开门状态返回开始处UP_DOWN=0 AND D2=1 F2=1 ； D2=0 STATE=TIME4 /下降时优先响应二楼下降请求 返回开始处KKKKUP_DOWN=1 ANDTING（3）=1 F2=1 STATE=TIME3/先响应还没响应完的 返回开始UP_DOWN=0 AND TING(1)=1 F2=1 ; STATE=TIME3返回开始处U(1)=1 AND UP_DOWN= 0F2=1 ; STATE=TIME3 返回开始处 JJ JJ U(3)=1 AND UP_DOWN=1 F2=1 STATE=TIME3 返回开始处u(1) or ting(1) or u(3) or ting(3)=1 F2=1 ;STATE=1 STATE=TIME3 返回 返回 C3F3_DOWN=0CURRENT=”11”F1=F2=F3=0U(3) OR TING（3）=1U(3)=TING(3)=0F3=1STATE=TIME4/开门返回开始出U(1) or d2 OR U(2) OR TING(1) OR TING(2)=1F3=1STATE=TIME3 /进入运行状态返回开始CLOSE_DDDOOR=0 /开门灯灭F1=1是否在一楼CURRENT=”01”F1_UP=0U(2) OR U(3) OR d2 orTING(2) OR TING(3)=1 UP_DOWN=1/上升模式 STATE=TIME3 返回开始F2=1F GState=Close_d1 FCURRENT=”10”F1_UP=F2_DOWN=0TING(1)=1AND UP_DOWN=0/一楼有请求未响应且处于下降 UP_DOWN=0 STATE=TIME3 返回开始处TING(3)=1)AND UP_DOWN=1 /上升且3楼有请求未响应 STATE=TIME3 返回开始处 H HU(1) =1 AND UP_DOWN=0 STATE=TIME3 返回开始U(3) OR AND UP_DOWN=1 STATE=TIME3 返回开始处 STATE=TIME3 UP_DOWN=0 返回开始u(1) or ting(1) =1U(3) OR TING(3)=1UP_down=1 STATE=TIME3返回开始STATE=CLOSE_D1返回开始 G UP_DOWN=0 CURRENT=”11” F3_DOWN=0U(1) OR TING(1) OR d2 orU(2） OR TING(2)=1 下层是否有请求 STATE=TIME3返回开始处 TIME3 DDOOR=0 /运行时门是关的QCNT2200 J KState=close_d1F3=1返回开始 KQCNT2=QCNT2+1 计数200个脉冲作为运行时间 返回开始处 J QCNT2=0F1=1 STATE=C2/从一楼过来下一状态应该是2楼 返回开始处 F2=1 STATE=C3 /二楼过来且上升，则优先电梯内尚未响应的三楼 返回开始处 L UP_DOWN AND TING(3)=1PO POTING(1)=1 AND UP_DOWN=0 STATE=C1 返回开始处 U(3)=1 AND UP_DOWN=1 STATE=C3 返回开始处U(1) =1 AND UP_DOWN=0 STATE=C1 返回开始U(1) OR TING(1) =1 SATAE=C1 UP_DOWN=0 返回开始LM TIME4 DDOOR=1/开门灯亮TI=1 提前关门请求 QCNT2=200 TI=0/清掉请求N O LMU(3) OR TING（3）=1 UP_DOWN=1 STATE=C3 返回开始 返回开始 LF3=1 STATE=C2 返回开始 N YA=1 YA=0QCNT2=0/延时请求是重新计数QCNT2200QCNT2=QCNT2+1/开门计数延时 O 返回开始处 QCNT2=0STATE=CLOSE_D1/开门时间到 到达关门/状态 返回开始处 CLOSE_D1DDOOR=0F1=1CURRENT=”01”F1_UP=0U(1) =1U(1)=0 ; UP_DOWN=1 STATE=TIME4 STATE=CLOSE_D 返回开始 P P F2=1 F2_UP=0 F2_DOWN=0 CURRENT=”10”U(2) =1 U(2)=0 UP_DOWN=1 STATE=TIME4 返回开始 STATE=CLOSE_D Q D2=1 D2=0 UP_DOWN=0 STATE=TIME4 Q F3=1 CURRENT=”11” F3_DOWN=0U(3)=1 U(3) =0 STATE=TIME4 返回开始STATE=CLOSE_D波形仿真及分析： 首先初始状态是一楼。定义的时候STATE=C1在第一个200US内，三楼们外有人想要下来，按了DOWN3按键，即DOWN3=0, 从而F3_DOWN=1,表明三楼外面的下降请求灯立刻亮；之后二楼又有人想要下来，也是按了DOWN2, 即DOWN=0，F2_DOWN=1,二楼的下降请求灯立刻亮起。GATE=0,即门是关着的,UP_DOWN=1,说明电梯处于上升状态TIME3，OUT7=30（a段是接高位）译码后得到的数码管值为1。到达第二层的时候即400us对下来。Out7的值为6D译码后为2，但是但是并没有停下来开门去响应二楼的下降请求，这点可以从GATE=0看出或者从OUT7的值6D维持的时间段可以看出，一位运行时间和开门时间都是相等的，只维持200个计数脉冲时间。OUT7的值6D过后是79译码后数码管显示的是3，并且此时GATE=1,表明在三楼的开门状态，F3_DOWN也为0 ，门外指示灯灭掉。UP_DOWN=0,说明将要下降。再过200个计数脉冲，开门时间到，进入关门状态GATE=0，由于二楼的下降请求还没有响应，所以进入运行状态，有图可见，79的时间维持在2段200个计数脉冲的时间，回到2楼后开门状态又维持200个计数脉冲之后gate=0并且一直停在二楼，原因是虽然二楼和三楼都有请求，但是都没有在电梯内按键选择到几楼，也就是说只是在门外请求，并没有人走进电梯内。在上面的基础上当到达三楼后按下KEY1键，请求到达一楼。波形图如下： 可见电梯最后是停在一楼的关门状态撤掉二楼的下降请求，而是当电梯到三楼的时候二楼请求上升UP2。得到的波形图如下：可见即使是有竞争存在，电梯仍然是先下一楼再回来响应二楼的上升。若电梯从到达三楼的时候二楼的请求是到一楼的，则电梯下降经过二楼的时候应该在二楼停，把二楼的人一起载下一楼。波形图如下从波形图上可以看出，上升经过二楼的时候，GATE=0,而下降经过二楼的时候GATE显示1再接着变为0. 从OUT7的值6D维持的时间上也可以看出，下降时经过二楼是停下开门的，二上升经过二楼时却没有。说明： 只要在一楼，UP_DOWN=1 即电梯模式都为上升，只要在三楼UP_DOWN=0，其实是应该在电梯开始运行的状态才赋值的。还有一个就是，第二层门外请求信号指示灯亮维持时间的为问题。这里并没有一直维持到响应才让灯灭掉，而是电梯经过的时候就灭掉了。但是这并没有影响到电梯的正常运行和工作。因为这些信号都只是一个让人看的人性化的信号，并不是电梯工作所需的信号。应当知道这个信号改正过来是很容易的，只需在响应的时候才给这个灯所代表的变量赋0就好了。 1. 分频模块：此模块定义一个全局时钟305Hz，然后分频得到一个76Hz采样的脉冲。具体程序：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity fenpin isport(clk305:in std_logic; coo:out std_logic);end;architecture a of fenpin is signal p:integer range 0 to 4; begin process(clk305) begin if clk305event and clk305=1 then if p=4 then p=0; else p=p+1; end if; end if; if p=2 then coo=1; else coo=0; end if; end process; end; - 17 - 2计数器模块 此模块此模块是将305Hz的系统脉冲计数得到一个模4计数器。作为数码管动态扫描为选信号具体程序library ieee;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_1164.all;entity mod80 isport(clk1:in std_logic; dout:out std_logic_vector(1 downto 0 ) );end ;architecture modba of mod80 is signal qq:std_logic_vector(1 downto 0); begin process(clk1) is begin if(clk1event and clk1=1) then if(qq=11)then qq=00; else qq=qq+1; end if; end if; doutout7out7out7out7=0000000; end case; end process;end architecture; 5 电梯控制器的核心部分： 本模块的是整个电梯控制的关键部分，控制电梯的关键有是在于状态的转换。本模块分为6个状态：C1、C2、C3、TIME3、TIME4、CLOSE_D、CLOSE_D1其实只要5个就够了但是由于5个状态会造成太多的语句嵌套，使得逻辑器件超过了编译器所能接收的范围。 entity keytest is port (clk,up1,up2,down2,down3,key1,key2,key3,tiqian,yanshi: in std_logic; f1_up,f2_down,f2_up,f3_down,ddoor: out std_logic; up_down:buffer std_logic;- ke yi inout? current:out std_logic_vector(1 downto 0); end keytest; architecture test1 of keytest is type state_type is (c1,c2,c3,close_d,close_d1,time3,time4); begin process(clk) variable u,ting: std_logic_vector(3 downto 1):=000; variable state:state_type:=c1; variable qcnt2:integer range 0 to 300; variable f1,f2,f3,ti,ya,d2:std_logic; begin if clkevent and clk=1 then if up1=0 then u(1):=1; f1_up=1; end if;- if up2=0 then u(2):=1; f2_up=1; end if; if down2=0 then d2:=1; f2_down=1; end if; if down3=0 then u(3):=1; f3_down ddoor=1; if ti=1 then qcnt2:=201; ti:=0; elsif ya=1 then qcnt2:=0; ya:=0; end if; if qcnt2 ddoor=0; if qcnt2200 then qcnt2:=qcnt2+1; else qcnt2:=0; if f1=1 then state:=c2; elsif f2=1 then if up_down=1 and ting(3)=1 then state:=c3;elsif up_down=0 and ting(1)=1 then state:=c1; elsif up_down=1 and u(3)=1 then state:=c3;elsif up_down=0 and u(1)=1 then state:=c1; elsif u(1)=1 or ting(1)=1 then state:=c1; UP_DOWN current=01; up_down=1; f2:=0; f3:=0; f1:=0; f1_up f2_up=0; f2_down=0; f1:=0; f2:=0; f3:=0; current=10; if up_down=1 and u(2)=1 then u(2):=0;f2:=1;state:=time4;elsif up_down=0 and d2=1 thend2:=0;f2:=1; state:=time4; elsif ting(1)=1 and up_down=0 then f2:=1 ; state:=time3; elsif ting(3)=1 and up_down=1 then f2:=1;state:=time3; elsif u(1)=1 and up_down=0 thenf2:=1;state:=time3; elsif u(3)=1 and up_down=1 thenf2:=1; state:=time3; elsif u(1)=1 or ting(1)=1 then f2:=1; up_down=0; state:=time3; elsif ting(3)=1 or u(3)=1 then f2:=1 ; up_down current=11; up_down=0; f3_down ddoor=0;if f1=1 then current=01; f1_up=0;if u(1)=1 then u(1):=0; up_down=1; state:=time4; else state:=close_d; end if;elsif f2=1 thencurrent=10;f2_up=0;f2_down=0;if u(2)=1 then u(2):=0;up_down=1