(完整word版)電梯控制器Verilog語言

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27正文1設計目的及要求2設計原理2.1設計實現(xiàn)原理2.2項目分塊及其實現(xiàn)方案2.3電梯控制器的流程圖3設計內容3.1基本狀態(tài)設計3.2模塊設計3.3波形仿真總結與致謝參考文獻附錄目錄131415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能力，但由于缺乏自主 知識產權和核心技術，自主品牌占市場的份額很少。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

2、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；Quartus 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

3、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?？梢酝ㄟ^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

4、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UP IN,樓層 下降請求鍵DOWN IN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RUN_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|梯所在樓層指示數(shù)碼管ST_OUT樓層選擇指示 數(shù)碼管DIRECTDTKZQCLKINLAMPUP INDOWNINST_CH1RU_WAITCLOSEST_OUTDELAYDIREC

5、TRUN STOP圖1. 電梯控制器DTKZQ勺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2Hz的時鐘脈沖，上升沿有效；UP IN: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_CH2.O: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_STO P:電梯運行或停止開關鍵?？蓪崿F(xiàn)由管理員控制電梯的運

6、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16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DTL

7、ZQ應包括如下幾個組成部分：時序輸出及樓 選計數(shù)器；電梯服務請求處理器；電梯升降控制器；上升及下降寄存器； 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。圖2.電梯控制器的內部組成結構圖圖3.電梯控制器系統(tǒng)框圖2.3電梯控制器的流程圖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=1b0,call_up_5, call_up_4, call_up_3, ca

8、ll_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 orcall_dow n_6)dow n_all=call_dow n_6, call_dow n_5, call_dow n_4, call_dow n_3,call_dow n_2, 1b0;/將各?？空埱笮盘枌崟r地合并always (request_1 or request_2 or request_3 or request_4 or requ

9、est_5 or request_6)request_5, request_4, request_3.request_all=request_6,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=7b0000001, UP=7b0000010,D0WN=7b0000100,UPSTOP=7b0001000,DOWNST OP=7b0010000,OP ENDOOR=7b0100000,CLOSEDOOR=7b1000000;/定義樓層的符號常量p arameterFL00R1=6b000001,FL00R2=6b0000

10、10,FL00R3=6b000100,FL00R4=6b001000,FL00R5=6b010000,FL00R6=6b100000;parameter TRUE=1b1, FALSE=1b0;/定義門打開和門關閉的符號常量parameter OP EN=1b1, CLOSED=1b0;/定義電梯上升，下降和靜止的符號常量P arameter UP FLAG=2b01,DNFLAG=2b10,STATIC=2b00;3、采用了七個狀態(tài)實現(xiàn)了有限狀態(tài)機圖6.狀態(tài)轉換圖黑線：WAIT TO UPTO WAIT粉紅線：WAIT TOTODOWNUPSTOP TOOP ENDOOR TO CLOSED

11、OORTODOWNST OPTO OP ENDOORTOCLOSEDOOR TO WAIT3.2模塊設計_con troller1、電梯主控制器模塊elevator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。 技巧。采用傳統(tǒng)的“一半就翻轉”

12、的計數(shù)f requence divc p 50Mc p 1C p 50Mc p 1inst2圖8.分頻模塊3、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:Iccp_5Dlfl 說kSt2護穴el7ie|tQ11A12I13訓115l161171*18M192021廚27tX3Bl40fn rlidkey cill_do_2 call.dflmij chII do 4冏L.dflwi口ithII doiwn BealLjap.l 如L.opJ 亡rnwTt_上 t qU4it_2TaqjWt_Jf t 怦il_1 fr4S4t0百i IhILCBJLM回 lJ

13、CI)_DmLCEJllLCB_DHLCDJiSLCD少OTer_alarnTLrLnirLrLrLrLnrLrLrLrLTLrLrLrLnrLrLrLrirLrLmrLrLrLrLrLrLrmLnnirLrLrLrmIIIIIIHillIIIIlliIIOD I00co HHnnmscoco2、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:*?3時5 slTsID111時12014A 15f 162 17pLB1L92Zl&囲動27eae13S139f40cp.SMIelk forbai toycblLI d.Qwfi calltillcallC411callcallcoll

14、cftLlculldown 4down B虹p iap_Jup上Z qii3 七_1 rtqucat_Z rtU.tt _3 rtqufest_4 request requsEt6 rezet3 flooredcitiLCB_BWHa Lm_WTALCD EELCD OFLCD ELCD BVover_filarmTLrLrLRJWLrLrLrLrwLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrmnjxrLrLruiwnjVLrLrLrLrLrmjnjuuiwuiiutmuuuuuiniuuuuuuinjuijuuijuumnjuuijuinjuuuuuuijuuuuuuuuuijumiuuuu圖1

15、03、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:* 1z42526TSID1314丄弓丄&17 ISE鑼212&珂3&珂3&a猛& cp_5DM elkforbi dkyC-bll dQTiC-&11 doim 4c-bll doim 5c-bll doim 6&Tl_u.p_l2 cftll_up_3 c*ll_up_S r*qu4=t_l request _S rtquistj requEt_ regiiistr c = t.1 口 or.di.辛 1 LCDELOM LCDJJATK LCD_EH LCD_01T LCD_RS LCD_RW aver_alirmLrL

16、rLnTLrLrLrLrLrLrLruLrLrLrLrLrLnjLrLrLrLruirLnjTrLrLrLrLruTLrLRrLnrviii 1 1 1 1 1 1 1 1 11111 1I1I11!1I1111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11*11illII.II.IIIiiii1111 1 1 1 1 1 1 1 1 11111II11II111111II11II1111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1II1 1 1 1 1 1 1 1 1111II111II11111 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

17、 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1111111111II111II1111 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1111II111II11111 1 1111II111II11111 . .6. . X. .5.00圖114、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:Lalt forbidrLrLrLrLrLKrLrLrLrLnrLrLrL

18、rLrLrLrLnirLrLrLrLrLrLRirLrLrLrLrLrLrLirLnirLrLrLrLrLrLID1II1ID1II11a1III1kay1Q11111111II11111111a1III11u11111111II11111111111111111II11111111Q11111111II11111111a1III11U11111111II1111111ci11_7101-111213降1415161T9 IS49120詮21*0cp.SOH elkforbidteycall_djin_2flall_dciwn_3 call ioKrn 4call dcwn 5call_d3K

19、n_& call_up_l C411_up_ call_up_3 call-up-4 call_up_5 requfist_l request_Z reqiiest_3 revuest_4 rtqusst.5 reques t_6 rsetH loor_di it(TLrLRmrLryxruyxRmnuWWLTWirLrLrLrmmnnrIlIIIIII iiIIIIIrI -IIIIII llIrI1,1IiL!，III-I圖13總結與致謝通過本次課程設計進一步熟悉 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

20、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

21、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。123參考文獻黃仁欣.EDA技術實用教程.北京：清華大學出版社，2006潘松，黃繼業(yè).EDA技術與VHDL北京：清華大學出版社，2009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4大學出版社，20085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，20106周潤景，蘇良碧.基于詳解.北京：電子工業(yè)出版社，Quartus II 的數(shù)字系統(tǒng)Verilog HDL設計實例20107（美國）Sanir Paln

22、itkar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云創(chuàng)工作室.Verilog HDL程序設計與實踐.北京：人民郵電出版社,820099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,200910張延偉，楊金巖，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 freque nce_div(c p_50M,cp_1);input cp_50M; 板子提供的最高時鐘out put cp_1; /要求得到的秒脈沖reg 27:0 counter

23、_1; /計數(shù)器reg cp_1;/類型聲明always (po sedge cp _50M)beginif(counter_1=28h17D7840) /50M 的一半到了，秒脈沖翻轉begincp_1=cp_1; / 翻轉 coun ter_1=28h0000000;endelsecounter_1=counter_1+1b1; /否則加 1enden dmodule2、智能電梯主控制模塊module elevator_c on troller(/i nput ports: cp_50M,clk,reset,forbid, call_ up_1, call_up_2, call_ up_3

24、, call_ up_4, call_up_5, call_dow n_2, call_dow n_3, call_dow n_4, call_dow n_5,call_dow n_6, request_1, request_2, request_3, request_4, request_5, request_6, /out put ports: out,LiftState,over_alarm,co un t_out,co unt );/out put p Orts:out put 6:0out; 輸出樓層out put 6:0 LiftState; 輸出電梯狀態(tài)out put over_

25、alarm; / 出錯output 6:0count_out; /計數(shù)器輸出，便于我控制開關門的狀態(tài)顯示out put 2:0cou nt; / 計數(shù)器/input ports:input cp_50M;inputclk,reset,call_ up _1,call_ up _2,call_ up _3,call_ up _4,call_ up _5,call_dow n_2,call_dow n_3,call_dow n _4,call_dow n_5,call_dow n_6,request_1,request_2,request_3,request_4,request_5,request

26、_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_alarm;wire 6:0out;wire 6:0co un t_out;reg 5:0 po s, Po sOut;reg 2:0 count; /門開后要持續(xù) 5個時鐘周期，用count來計數(shù)reg DoorF

27、lag;reg 1:0 UpDnF lag;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停靠請求的各信號/以便判斷電梯在狀態(tài)間如何轉移時更簡潔reg 5:0 up _all,dow n_all,request_all;定義電梯7種狀態(tài)的符號常量parameter WAIT=7b0000001, UP=7b0000010, DOWN=7b0000100, UPSTOP=7b0001000 ,DOWNST OP=7b00

28、10000, OP ENDOOR=7b0100000, CLOSEDOOR=7b1000000;/定義樓層的符號常量FLOOR3=6b000100,parameter FLOOR1=6b000001,FLOOR2=6b000010,FLOOR4=6b001000, FLOOR5=6b010000, FLOOR6=6b100000;p arameter TRUE=1b1, FALSE=1b0;/定義門打開和門關閉的符號常量P arameter OP EN=1b1, CLOSED=1b0;定義電梯上升，下降和靜止的符號常量parameter UPFLAG=2b01,DNFLAG=2b10,STA

29、TIC=2b00;assig n real_clk=(clk&(-forbid);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=1b0, call_up_5, call_up_4, call_up_3, call_up_2, call_up_1;將各下降請求信

30、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_dow n_2 or call_dow n_3 or call_dow n_4 or call_dow n_5 or call_dow n_6)dow n_all=call_dow n_6, call_down_5, call_down_4, call_dow n_3, call_dow n_2, 1b0;/將各?？空埱笮盘枌崟r地合并always (request_1 or request_2 or request_3 or request_4 or request_5 or request_6) re

31、quest_all=request_6, request_5, request_4, request_3, request_2, request_1;always (po sedge real_clk or po sedge reset)if(reset)coun t=0;else if(NextState=OP ENDOOR )&(cou nt5)/or else if(NextState=OP ENDOOR) 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) elsecount=0; 清零，以備下次計數(shù)/dis play which floor t

32、he elevator is.dis play_decodeh1(c p_50M,Po sOut,out,over_alarm);dis play_decode_co unth2(c p_50M,co un t,co un t_out);/ fin ite state mach ine in the style of three segme nts ，三段式/1st StateShift always block,sequential state transition，有限狀態(tài)機第一段 always (po sedge real_clk or po sedge reset)if(reset)b

33、eginLiftState=W AIT;endelseLiftState0) /有停靠請求否beginif(request_all&pos)0) ?？空埱笾杏挟斍皹菍油？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?？空埱蠓?優(yōu)先向上的請求)NextState=U P;/有則，下一狀態(tài)轉上升elseNextState=DOWN; 只有當前樓層之下的?？空埱螅聽顟B(tài)轉下降endelse if(up_all&pos)|(down_all&pos) /上下請求中有當前樓層請求否 beginNext

34、State=OP ENDOOR;endelse if(up_allpos)|(down_allpos) /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;elseNextState=WAIT; /無任何請求，繼續(xù)處于WAIT模式endUP:beginif(request_all&pos)|(up_all&pos) /停靠或上升請求中有當前樓層的請求否開門，UP ST OP即為這NextState=UPSTOP;/有，下一狀態(tài)轉為 UPSTOP(停靠后要1s才1s的過渡期)

35、else if(request_allpos)|(up_allpos) /?？炕蛏仙埱笾杏挟斍皹菍又系恼埱蠓馧extState=UP;else if(down_all0) /有下降請求否beginif(down_allpos)&(down_al|Apos)pos)/ 下降請求中有當前樓層的請求否NextState=UP;else if(down_al l&p os)|( po sFLOOR6)/ 其實這樣做意義不大，只是使上下標志提前變化NextState=UPSTOP;else if(down_all&pos)&(pos=FLOOR6)/事實上不滿足第一條件的話，電梯根本不會到達第四層N

36、extState=DOWNST OP;else/下降請求中只有當前樓層之下的請求NextState=DOWN;endelse if(request_all|up_all) /只有當前樓層之上的?？炕蛏仙埱蠓馧extState=DOWN;elseNextState=WAIT; /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:beginif(request_all&po s)|(dow n_all&p os)NextState=DOWNST OP;elseif(request_all&FLOOR1) pos&(request_all&FLOOR1)|(r

37、equest_all&FLOOR2) pos&(re quest_all&FLOOR2)|(request_all&FLOOR3) pos&(request_all&FLOOR3)|(request_all&F LOOR4) pos&(request_all&FLOOR4)|(request_all&FLOOR5) pos&(request_all&FLOO R5)|(request_all&FLOOR6) pos&(request_all&FLOOR6)NextState=DOWN;elseif(down_all&FLOOR1) pos&(dow n_all&FLOOR1)川(down_al

38、l&FLOOR2) pos&(down_ all&FLOOR2)|(down_all&FLOOR3) pos&( down_all&FLOOR3)|(down_all&FLOOR4) p OS&(dow n_all&FLOOR4)|(dow n_all&FLOOR5) pos&(down_all&FLOOR5)|(down_all& FLOOR6) 0)beginif(up_all&FL00R1) pos&(up_all&FLOOR1)|(up_all&FLOOR2) pos&(up_all&FLOOR 2)|(up_all&FLOOR3) pos&(up_all&FLOOR3)川(up_al

39、l&FLOOR4) pos&(up_all&FLOO R4)|(up_all&FLOOR5) p os&(up_all&FLOOR5)川(up_all&FLOOR6)FLOOR1) NextState=DOWNST OP;else if(up_all&p os)&(p os=FLOOR1) NextState=UPSTOP;elseNextState=UP; endelse if(request_all|dow n_all)NextState=UP;elseNextState=WAIT;endUPSTOP:beginNextState=OPENDOOR; II?？?時鐘周期后開門 endDOWNST OP:beginNextState=OPENDOOR; II停靠1時鐘周期后開門endOP ENDOOR:beginif(countpos)|(up_allpos) 上升或?？空埱笾杏挟斍皹菍又系恼埱蠓馧extState=UP;else if(down_all0) /有下降請求否beginif(dow n_all pos)&(dow n_al|A