基于vhdl三層電梯控制器的設(shè)計(jì)1說(shuō)明書.doc

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1、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。中國(guó)是全球最大的電梯市場(chǎng)，也具有最強(qiáng)的電梯生產(chǎn)能力，但由于缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和核心技術(shù)，自主品牌占市場(chǎng)的份額很少。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。EDA技術(shù)打破了軟件和硬件間的壁壘，使計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)與硬件實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)效率與產(chǎn)品性能合二為一，它代表了電子設(shè)計(jì)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向。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(yǔ)法簡(jiǎn)單易懂，移植性好。本設(shè)計(jì)采用VHDL，源程序經(jīng)A1tera公司的MAX+plus II軟件仿真。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

2、要進(jìn)程，信號(hào)燈控制進(jìn)程作為輔助進(jìn)程。在電梯時(shí)鐘的觸發(fā)下，通過當(dāng)前狀態(tài)和信號(hào)燈信號(hào)來(lái)判定下一狀態(tài)。信號(hào)燈控制進(jìn)程中，信號(hào)燈信號(hào)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(lái)控制?！娟P(guān)鍵詞】電梯控制器 EDA技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)，電梯控制器的基本設(shè)計(jì)原理目 錄前 言第一章 概述第一節(jié) 中國(guó)電梯的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 一 、中國(guó)電梯市場(chǎng)的現(xiàn)狀二 、電梯的發(fā)展方向第二節(jié) EDA技術(shù)及VHDL簡(jiǎn)述一 、EDA技術(shù)及其發(fā)展二 、硬件描述語(yǔ)言VHDL第二章 五層電梯控制器的基本設(shè)計(jì)原理第一節(jié) 電梯控制器的功能模塊第二節(jié) 電梯控制器的流程圖第三節(jié) 有限狀態(tài)機(jī)一 、建立狀態(tài)機(jī)的基本原理和基本方法 二 、狀態(tài)機(jī)的優(yōu)越性

3、三 、一般狀態(tài)機(jī)的VHDL設(shè)計(jì)第三章 五層電梯控制器的具體設(shè)計(jì)第一節(jié) 五層電梯控制器實(shí)現(xiàn)的功能及運(yùn)行規(guī)則第二節(jié) 五層電梯控制器的綜合設(shè)計(jì)一 、五層電梯控制器的設(shè)計(jì)思路二 、實(shí)體設(shè)計(jì)三 、結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)四 、VHDL源代碼語(yǔ)法的簡(jiǎn)單說(shuō)明 五 、VHDL源代碼參考文獻(xiàn)前 言隨著EDA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和深入，EDA技術(shù)在電子信息、通信、自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的重要性日益突出。隨著技術(shù)市場(chǎng)與人才市場(chǎng)對(duì)EDA的需求不斷提高，產(chǎn)品的市場(chǎng)需求和技術(shù)市場(chǎng)的要求也必然會(huì)反映到教學(xué)和科研領(lǐng)域中來(lái)。用VHDL硬件描述語(yǔ)言的形式來(lái)進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方便靈活，利用EDA軟件進(jìn)行編譯優(yōu)化仿真極大地減少了電路設(shè)計(jì)時(shí)間和

4、可能發(fā)生的錯(cuò)誤，降低了開發(fā)成本，這種設(shè)計(jì)方法必將在未來(lái)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。CPLD作為新一代工業(yè)控制器，以其高可靠性和技術(shù)先進(jìn)性，在電梯控制中得到廣泛應(yīng)用，從而使電梯由傳統(tǒng)的繼電器控制方式發(fā)展為計(jì)算機(jī)控制的一個(gè)重要方向，成為當(dāng)前電梯控制和技術(shù)改造的熱點(diǎn)之一。另外CPLD是一種專門從事邏輯控制的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于CPLD具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)配置靈活等特點(diǎn)，配合VHDL語(yǔ)言的突出的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)控制方面得到了廣泛應(yīng)用。相信以后必將受到世界范圍內(nèi)電子工程設(shè)汁人員的廣泛關(guān)注和普遍歡迎。EDA是目前世界電子設(shè)計(jì)的最新技術(shù)方向和潮流,是一種全新的實(shí)驗(yàn)手段,能有效地提高現(xiàn)代

5、化電子設(shè)計(jì)能力。為了跟上時(shí)代的步伐，提高自己的電子設(shè)計(jì)能力，我選擇了做本課題來(lái)學(xué)習(xí)EDA技術(shù)的基本內(nèi)容。第一章 概述第一節(jié) 中國(guó)電梯的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)一、中國(guó)電梯市場(chǎng)的現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著中國(guó)房地產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，與之配套的電梯生產(chǎn)制造業(yè)也經(jīng)歷了迅猛發(fā)展的階段，電梯產(chǎn)量保持了每年20以上的增長(zhǎng)速度。我國(guó)電梯的出口年均增長(zhǎng)率將保持在35%以上，電梯行業(yè)逐步成為國(guó)內(nèi)比較重要的行業(yè)。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)、城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速和房地產(chǎn)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)電梯的需求越來(lái)越大。估計(jì)未來(lái)50年中國(guó)新增住房面積將達(dá)到200億平方米。國(guó)家規(guī)定20米以上高樓就應(yīng)安裝電梯，因此未來(lái)電梯最大的市場(chǎng)就是住宅市場(chǎng)。此外，機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)

6、、地鐵等大型公共設(shè)施建設(shè)對(duì)自動(dòng)扶梯、觀光電梯等電梯的需求量也十分可觀。目前，中國(guó)不但是全球最大的電梯市場(chǎng)，而且形成了全球最強(qiáng)的電梯生產(chǎn)能力，但由于缺乏自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和核心技術(shù)，產(chǎn)品的附加價(jià)值不高，利潤(rùn)非常低。目前，全國(guó)注冊(cè)電梯企業(yè)約400家，但美國(guó)奧的斯、瑞士迅達(dá)、芬蘭通力、德國(guó)蒂森、日本三菱、日立、富士達(dá)、東芝等13家大型外企占據(jù)中國(guó)電梯市場(chǎng)75%左右的份額，而自主品牌只占25%左右的市場(chǎng)份額。電梯作為終端消費(fèi)品，品牌在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的作用非常明顯。品牌往往成為人們?cè)谶x擇電梯產(chǎn)品時(shí)的重要考慮因素，電梯生產(chǎn)要想建立良好的品牌并獲得市場(chǎng)的認(rèn)可，也必須經(jīng)過市場(chǎng)一定時(shí)間的不斷考驗(yàn)。面對(duì)外資巨頭的貼身進(jìn)逼

7、，我 國(guó)電梯品牌在服務(wù)和營(yíng)銷上難以匹敵，其生存狀況不容樂觀。二、電梯的發(fā)展方向電梯作為垂直方向的交通工具，在高層建筑和公共場(chǎng)所已經(jīng)成為重要的建筑設(shè)備而不可或缺。電梯產(chǎn)業(yè)的前景和走勢(shì)隨著社會(huì)的需求而悄然發(fā)生著改變，除了考慮安全、舒適、豪華裝修等要求外，市場(chǎng)對(duì)新一代的綠色電梯、節(jié)能電梯和智能電梯的需求越來(lái)越旺盛。國(guó)內(nèi)外電梯企業(yè)順應(yīng)市場(chǎng)需要，加大研發(fā)投入，都準(zhǔn)備在未來(lái)新概念電梯產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占得先機(jī)。1、電梯的節(jié)能和環(huán)保“綠色”已成為21世紀(jì)的主流色調(diào)，一個(gè)全球性的綠色市場(chǎng)為企業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的空間，當(dāng)今社會(huì)誰(shuí)先推出綠色產(chǎn)品，搶占綠色營(yíng)銷市場(chǎng)，誰(shuí)就能掌握競(jìng)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。有關(guān)人士預(yù)言，綠色環(huán)保電梯將成為今

8、后電梯市場(chǎng)的主導(dǎo)性產(chǎn)品，誰(shuí)擁有了它的核心技術(shù)，誰(shuí)就在競(jìng)爭(zhēng)中獲得了優(yōu)勢(shì)。老式電梯噪音、占用空間、耗能等形成的危害積累起來(lái)是相當(dāng)大的，因此，在城市環(huán)保社區(qū)建設(shè)中，如何盡量減少電梯對(duì)環(huán)境的危害是相當(dāng)重要的課題之一。目前，我國(guó)市場(chǎng)每年銷售各種類型的電梯達(dá)4.5萬(wàn)部，如果這些電梯全部實(shí)現(xiàn)環(huán)保化，其環(huán)境效益是難以估量的。電梯現(xiàn)在越來(lái)越多，在對(duì)賓館、寫字樓等的用電情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)中，電梯用電量占總用電量的17%-25%以上，僅次于空調(diào)用電量，高于照明、供水等的用電量。負(fù)責(zé)任的開發(fā)商，都會(huì)為業(yè)主的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益著想，購(gòu)買節(jié)能型的電梯。近年來(lái)，節(jié)能型電梯的市場(chǎng)越來(lái)越好，電梯制造商也越來(lái)越注重電梯的“節(jié)能”性能。在上世紀(jì)9

9、0年代，在電梯驅(qū)動(dòng)上開始應(yīng)用變頻調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，能耗大幅度地降低。近幾年，又出現(xiàn)了永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯，能耗又有大幅度的下降，有的電梯還能利用太陽(yáng)能對(duì)機(jī)房的電能進(jìn)行補(bǔ)充。2、電梯的智能化隨著城市化的高速發(fā)展，越來(lái)越多的摩天大樓拔地而起。就摩天大樓的高度而言，不僅受建筑技術(shù)上的制約，而且還有電梯升高方面的困惑，因而，在摩天大樓日益完備智能化的趨勢(shì)中，電梯的智能化也不容忽視。它不僅是人們上上下下的代步工具，同時(shí)，也是摩天大樓智能化的一個(gè)重要標(biāo)志。盡管電梯在摩天大樓中只是個(gè)細(xì)節(jié)，但電梯智能化程度的高低卻決定著它服務(wù)質(zhì)量的優(yōu)劣。因而，電梯的智能化在一定程度上反映出智能大廈的智能程度。計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技

10、術(shù)與控制技術(shù)的發(fā)展使大廈的智能化成為現(xiàn)實(shí)，而電梯是智能建筑中的重要交通工具，其技術(shù)發(fā)展及智能化程度也倍受世人關(guān)注。智能化的電梯要與智能大廈中所有自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，如與樓宇控制系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、保安監(jiān)控系統(tǒng)等交互聯(lián)系，使電梯成為高效優(yōu)質(zhì)、安全舒適的服務(wù)工具。第二節(jié) EDA技術(shù)及VHDL簡(jiǎn)述一、EDA技術(shù)現(xiàn)代EDA技術(shù)就是以讓算機(jī)為工具，在EDA軟件平臺(tái)上，根據(jù)硬件描述語(yǔ)言HDL完成的設(shè)計(jì)文件，能自動(dòng)地完成用軟件方式描述的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、布局布線、邏輯仿真，直至完成對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。設(shè)計(jì)者的工作僅限于利用軟件的方式來(lái)

11、完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的描述，在EDA工具的幫助下和應(yīng)用相應(yīng)的FPGA/CPLD器件，就可以得到最后的設(shè)計(jì)結(jié)果。盡管目標(biāo)系統(tǒng)是硬件，但整個(gè)設(shè)計(jì)和修改過程如同完成軟件設(shè)計(jì)一樣方便和高效?？梢?，利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：用軟件的方式設(shè)計(jì)硬件；用軟件方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)的開發(fā)軟件自動(dòng)完成的；從以前的“組合設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)向真正的“自由設(shè)計(jì)”；設(shè)計(jì)過程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真；系統(tǒng)可現(xiàn)場(chǎng)編程，在線升級(jí)；設(shè)計(jì)的移植性好，效率高；非常適合分工設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作；整個(gè)系統(tǒng)可集成在一個(gè)芯片上，體積小、功耗低、可靠性高。因此，EDA是當(dāng)今電子設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。二、硬件描述語(yǔ)言VHDL

12、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，它是從抽象到具體的水平來(lái)描述硬件的一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)分成外部和內(nèi)部，外部即端口，內(nèi)部則涉及實(shí)體的功能和算法。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部端口并完成內(nèi)部開發(fā)后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。自1987年被IEEE批準(zhǔn)后，VHDL語(yǔ)言已經(jīng)在電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)中處于核心地位。它有以下優(yōu)點(diǎn)：VHDL語(yǔ)言功能強(qiáng)大,設(shè)計(jì)方式多樣。VHDL語(yǔ)言具有強(qiáng)大的硬件描述能力。VHDL語(yǔ)言具有很好移植性。VHDL語(yǔ)言的設(shè)計(jì)描述與器件無(wú)關(guān)。VHDL語(yǔ)言程序易于共享和復(fù)用。由于VHDL語(yǔ)言是一種描述、模擬、綜合、優(yōu)化和布線的標(biāo)準(zhǔn)硬件

13、描述語(yǔ)言，因此它可以使設(shè)計(jì)成果在設(shè)計(jì)人員之間方便地進(jìn)行交流和共享,從而減小硬件電路設(shè)計(jì)的工作量,縮短開發(fā)周期。三，EDA設(shè)計(jì)技術(shù)的基本特征一般來(lái)說(shuō)，EDA設(shè)計(jì)技術(shù)就是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，以eda軟件工具未開發(fā)環(huán)境，以硬件描述語(yǔ)言為設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以可編程邏輯器件為載體，以asic和soc芯片為設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)，以電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為應(yīng)用方向的電子產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)過程。通常，eda技術(shù)的基本特征主要包括以下幾個(gè)方面：（1）自頂向下的設(shè)計(jì)方法。（2）硬件描述語(yǔ)言。（3）邏輯綜合與優(yōu)化功能。（4）開放性與標(biāo)準(zhǔn)化。 第二章 三層電梯控制器的基本設(shè)計(jì)原理第一節(jié) 電梯控制器的功能模塊電梯控制器的功能模塊如圖2.1所示，

14、包括主控制器、分控制器、樓層選擇器、狀態(tài)顯示器、譯碼器和樓層顯示器。乘客在電梯中選擇所要到達(dá)的樓層，通過主控制器的處理，電梯開始運(yùn)行，狀態(tài)顯示器顯示電梯的運(yùn)行狀態(tài)，電梯所在樓層數(shù)通過譯碼器譯碼從而在樓層顯示器中顯示。分控制器把有效的請(qǐng)求傳給主控制器進(jìn)行處理，同時(shí)顯示電梯的運(yùn)行狀態(tài)和電梯所在樓層數(shù)。由于分控制器相對(duì)簡(jiǎn)單很多，所以主控制器是核心部分。狀態(tài)顯示器主控制器樓層選擇器分控制器譯碼器樓層顯示器 圖2.1 電梯控制器原理圖第二節(jié) 電梯控制器的流程圖外部按鍵請(qǐng)求信號(hào)寄存器狀態(tài)寄存器內(nèi)部軟件執(zhí)行機(jī)構(gòu)外部硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖2.2 總流程圖初始化判定電梯運(yùn)行方向是否有請(qǐng)求？等待電梯運(yùn)行樓層檢測(cè)否電梯停止

15、目標(biāo)層與本層是否同層？是是否目標(biāo)層？開門延時(shí)關(guān)門是否停止運(yùn)行？是否是否是否停止圖2.3 電梯控制主流程圖第三節(jié) 有限狀態(tài)機(jī) 有限狀態(tài)機(jī)（finite state machine）又稱有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)或簡(jiǎn)稱狀態(tài)機(jī)，是表示有限個(gè)狀態(tài)以及這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型，它是由一組狀態(tài)、一個(gè)初始狀態(tài)、輸入和根據(jù)輸入及現(xiàn)有狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)組成。有限狀態(tài)機(jī)是一種基本的、簡(jiǎn)單的、重要的形式化技術(shù)，在軟件設(shè)計(jì)中常常采用。它是描述一個(gè)由有限個(gè)獨(dú)立狀態(tài)組成的過程，這些狀態(tài)可以互相遷移，直到最終離開這個(gè)過程。采用有限狀態(tài)機(jī)可以使設(shè)計(jì)過程直觀簡(jiǎn)單易于理解，隨著硬件設(shè)計(jì)軟件化趨勢(shì)的加劇，在運(yùn)用VH

16、DL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，利用有限狀態(tài)機(jī)成為了可靠方便的途徑?？刂破髯鳛殡娮酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，在EDA軟件平臺(tái)上，借助有限狀態(tài)機(jī)表示方法符合人的邏輯思維的特征，將控制功能用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)建模實(shí)現(xiàn)，有許多優(yōu)越之處，以使FSM成為大型控制電路設(shè)計(jì)的有力工具。一、建立狀態(tài)機(jī)的基本原理和基本方法1、狀態(tài)機(jī)的基本原理除了輸人信號(hào)、輸出信號(hào)外，狀態(tài)機(jī)還包含一組寄存器記憶內(nèi)部狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)寄存器的下一個(gè)狀態(tài)及輸出，不僅同輸入信號(hào)有關(guān)，而且還與寄存器的當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，狀態(tài)機(jī)有兩個(gè)主要部分：即組合邏輯和寄存器部分。組合邏輯部分又可分為狀態(tài)譯碼器和輸出譯碼器，狀態(tài)譯碼器確定狀態(tài)機(jī)的下一個(gè)狀態(tài)，即確定狀態(tài)機(jī)的激勵(lì)

17、方程，輸出譯碼器確定狀態(tài)機(jī)的輸出，即確定狀態(tài)機(jī)的輸出方程。在實(shí)際的應(yīng)用中，根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)是否使用輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常將其分為摩爾（moore）型狀態(tài)機(jī)和米立（mealy）型狀態(tài)機(jī)兩種類型。摩爾狀態(tài)機(jī)的輸出只是當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)，而米立狀態(tài)機(jī)的輸出一般是當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào)的函數(shù)。大多數(shù)實(shí)用的狀態(tài)機(jī)都是同步的時(shí)序電路，由時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。時(shí)鐘信號(hào)同所有的邊沿觸發(fā)的狀態(tài)寄存器和輸出寄存器相連，使?fàn)顟B(tài)的改變發(fā)生在時(shí)鐘的上升或下降沿。在數(shù)字系統(tǒng)中，那些輸出取決于過去的輸入和當(dāng)前的輸入的部分都可以作為有限狀態(tài)機(jī)。有限狀態(tài)機(jī)的全部“歷史”都反映在當(dāng)前狀態(tài)上。當(dāng)給FSM一個(gè)新的輸入時(shí)，在時(shí)鐘的觸發(fā)下，

18、狀態(tài)就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移。2、建立狀態(tài)機(jī)的方法數(shù)字系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)建立方法主要有狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移表兩種。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖：如圖2.4所示，圖中每個(gè)橢圓表示狀態(tài)機(jī)的一個(gè)狀態(tài)，而箭頭表示狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移方向，引起狀態(tài)轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)及當(dāng)前輸出表示在箭頭上。狀態(tài)A狀態(tài)B狀態(tài)C狀態(tài)D輸入/出輸入/出輸入/出輸入/出圖2.4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖狀態(tài)轉(zhuǎn)移表：如表2.1所示，表中的行列出了全部可能的輸入信號(hào)和內(nèi)部狀態(tài)以組合及相應(yīng)的次狀態(tài)和輸出，因此狀態(tài)表表現(xiàn)了狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)和輸出函數(shù)。然而，狀態(tài)表不適合具有大量輸入的系統(tǒng)，因?yàn)殡S著輸入的增加其狀態(tài)數(shù)和系統(tǒng)的復(fù)雜性會(huì)顯著增加。表2.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移表現(xiàn)態(tài)輸入次態(tài)輸出A-DI0-ImA

19、-DO0-On如果能夠畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，就可以列出狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和輸出方程，畫出設(shè)計(jì)電路圖。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移表這兩種狀態(tài)機(jī)的建立方法是等價(jià)的，都可以描述同一硬件的結(jié)構(gòu)，它們可以相互轉(zhuǎn)換，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別適合于不同場(chǎng)合，并且這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法十分復(fù)雜。 利用VHDL設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)，不必進(jìn)行繁雜的狀態(tài)分配，狀態(tài)表繪制和化簡(jiǎn)，更不必畫出設(shè)計(jì)電路和搭試硬件電路測(cè)試邏輯功能，這些工作可以全由EDA工具完成。用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)，是通過簡(jiǎn)便地定義狀態(tài)變量，將狀態(tài)描述成進(jìn)程，每個(gè)狀態(tài)均可表達(dá)為case-when語(yǔ)句結(jié)構(gòu)中的一條case語(yǔ)句，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移通過if-then-else語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)，并輸出

20、信號(hào)以控制其他進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)所需功能。二、狀態(tài)機(jī)的優(yōu)越性 狀態(tài)機(jī)的工作方式是根據(jù)控制信號(hào)按照預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)進(jìn)行順序運(yùn)行的，它是純硬件數(shù)字系統(tǒng)中的順序控制電路，狀態(tài)機(jī)克服了純硬件數(shù)字系統(tǒng)順序方式控制不靈活的缺點(diǎn)。 由于狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)模式相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方案相對(duì)固定，特別是可以定義符號(hào)化枚舉類型的狀態(tài)，這一切都是VHDL綜合器盡可能發(fā)揮其強(qiáng)大的優(yōu)化功能提供了有利條件。狀態(tài)機(jī)容易構(gòu)成性能良好的同步時(shí)序邏輯模塊，在大規(guī)模邏輯電路設(shè)計(jì)可以抑制冒險(xiǎn)現(xiàn)象。狀態(tài)機(jī)的VHDL表述豐富多樣，程序?qū)哟畏置?，結(jié)構(gòu)清晰，簡(jiǎn)單易懂，便于于排錯(cuò)、修改和模塊移植。由于在VHDL中，一個(gè)狀態(tài)機(jī)可以有多個(gè)進(jìn)程，一個(gè)結(jié)構(gòu)體中可以有多個(gè)

21、狀態(tài)機(jī)，而一個(gè)單獨(dú)的狀態(tài)機(jī)（多個(gè)并行運(yùn)行的狀態(tài)機(jī)）以順序方式所能完成的運(yùn)算與控制方面的工作與一個(gè)CPU的功能類似，所以在高速運(yùn)算和控制方面，狀態(tài)機(jī)更有其巨大的優(yōu)勢(shì)。由于狀態(tài)機(jī)是由純硬件電路構(gòu)成，它的運(yùn)行不依賴軟件指令的逐條執(zhí)行，在設(shè)計(jì)中能使用各種完整的容錯(cuò)技術(shù)，并且當(dāng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入非法狀態(tài)時(shí)會(huì)從中跳出，此過程耗時(shí)很少，所以就可靠性而言，狀態(tài)機(jī)的優(yōu)勢(shì)也是十分明顯的。三、一般狀態(tài)機(jī)的VHDL設(shè)計(jì)用VHDL設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)有多種形式，但最一般和最常用的狀態(tài)機(jī)通常包含說(shuō)明部分，主控時(shí)序進(jìn)程，主控組合進(jìn)程和輔助進(jìn)程幾個(gè)部分。1、說(shuō)明部分說(shuō)明部分中使用type語(yǔ)句定義新的數(shù)據(jù)類型，此數(shù)據(jù)類型為枚舉型，其元素通常都

22、用狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)名來(lái)定義。狀態(tài)變量定義為信號(hào)，便于信息傳遞，并將狀態(tài)變量的數(shù)據(jù)類型定義為含有既定狀態(tài)元素的新定義的數(shù)據(jù)類型。說(shuō)明部分一般放在結(jié)構(gòu)體的architecture和begin之間。2、主控時(shí)序進(jìn)程主控時(shí)序進(jìn)程是指負(fù)責(zé)狀態(tài)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下負(fù)責(zé)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的進(jìn)程。狀態(tài)機(jī)隨外部時(shí)鐘信號(hào)以同步時(shí)序方式工作，因此，狀態(tài)機(jī)中必須包含一個(gè)對(duì)工作時(shí)鐘信號(hào)敏感的進(jìn)程，作為狀態(tài)機(jī)的“驅(qū)動(dòng)泵”，當(dāng)時(shí)鐘發(fā)生跳變時(shí)，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)才會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)時(shí)鐘的有效跳變到來(lái)時(shí)，時(shí)序進(jìn)程將代表次態(tài)的信號(hào)next_state中的內(nèi)容送入現(xiàn)態(tài)信號(hào)current_state中，而next_state中的內(nèi)容完全由其他進(jìn)程根據(jù)實(shí)際情

23、況而定，此進(jìn)程中往往也包括一些清零或置位的控制信號(hào)。3、主控組合進(jìn)程主控組合進(jìn)程的任務(wù)是根據(jù)外部輸入的控制信號(hào)（包括來(lái)自狀態(tài)機(jī)外部的信號(hào)和來(lái)自狀態(tài)機(jī)內(nèi)部其他非主控的組合或時(shí)序進(jìn)程的信號(hào)）和當(dāng)前狀態(tài)值確定下一狀態(tài)next_state的取向，以及確定對(duì)外輸出或?qū)?nèi)其他進(jìn)程輸出控制信號(hào)的內(nèi)容。4、輔助進(jìn)程輔助進(jìn)程是用于配合狀態(tài)機(jī)工作的組合或時(shí)序進(jìn)程。在一般狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，為了能獲得可綜合的，高效的VHDL狀態(tài)機(jī)描述，建議使用枚舉數(shù)據(jù)類型來(lái)定義狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，并使用多進(jìn)程方式來(lái)描述狀態(tài)機(jī)的內(nèi)部邏輯。例如可使用兩個(gè)進(jìn)程來(lái)描述，個(gè)進(jìn)程描述時(shí)序邏輯，包括狀態(tài)寄存器的工作和寄存器狀態(tài)的輸出，另一個(gè)進(jìn)程描述組

24、合邏輯，包括進(jìn)程間狀態(tài)值的傳遞邏輯以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換值的輸出。必要時(shí)還可以引入第三個(gè)進(jìn)程完成其它的邏輯功能。第三章 五層電梯控制器的設(shè)計(jì)原理本設(shè)計(jì)嘗試用硬件描述語(yǔ)言VHDL來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三層電梯的控制，源程序經(jīng)A1tera公司的MAX+plus II軟件仿真，保證了設(shè)計(jì)的正確性。使用VHDL進(jìn)行電梯控制器的設(shè)計(jì)，主要就是對(duì)電梯軟件部分的設(shè)計(jì)，使用VHDL中的邏輯關(guān)系建立電梯的升降模式，開門，關(guān)門達(dá)到動(dòng)作，而外部器件的硬件設(shè)備基本上保持不變。使用VHDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)電梯控制器可以為電梯實(shí)現(xiàn)智能控制奠定基礎(chǔ)。第一節(jié) 五層電梯控制器實(shí)現(xiàn)的功能及運(yùn)行規(guī)則電梯一層入口處設(shè)有上升請(qǐng)求開關(guān)，二，三，四層入口處設(shè)有上

25、、下請(qǐng)求開關(guān)，五層入口處設(shè)有下降請(qǐng)求開關(guān)，電梯內(nèi)部設(shè)有顧客到達(dá)樓層的停站請(qǐng)求開關(guān)。每層電梯入口處設(shè)有位置指示裝置及電梯運(yùn)行模式 (上升或下降)指示裝置。電梯初始狀態(tài)為一層開門狀態(tài)。電梯每秒上升(下降)一層樓。電梯到達(dá)需要停止的樓層，經(jīng)過1秒電梯門打開，開門指示燈亮，開門4秒后，電梯門關(guān)閉(開門指示燈滅)，電梯繼續(xù)運(yùn)行，直至執(zhí)行完最后一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)后停留在當(dāng)前層。電梯需要寄存器來(lái)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。電梯的運(yùn)行規(guī)則：當(dāng)電梯處于上升模式時(shí)，只響應(yīng)比電梯所在位置高的上樓請(qǐng)求信號(hào)和停站請(qǐng)求信號(hào)，由下而上逐個(gè)執(zhí)行，直到最后一個(gè)上樓請(qǐng)求執(zhí)行完畢；如

26、果高層有下樓請(qǐng)求，則直接上升到有下樓請(qǐng)求的最高層，然后進(jìn)入下降模式。當(dāng)電梯處于下降模式時(shí)則與上升模式相反。第二節(jié) 五層電梯控制器的綜合設(shè)計(jì)一、五層電梯控制器的設(shè)計(jì)思路電梯控制器設(shè)計(jì)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。根據(jù)電梯的實(shí)際工作情況，可以為狀態(tài)機(jī)設(shè)置十個(gè)狀態(tài)，它們分別是“電梯停在一層”“開門”“關(guān)門”“開門等待第一秒”“開門等待第二秒”“開門等待第三秒”“開門等待第四秒”“上升”“下降”和“停止”。由于電梯每秒上升或下降一層，則可以用周期為1s的信號(hào)來(lái)作為電梯狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)時(shí)鐘。狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中的很多判斷條件是以信號(hào)燈控制進(jìn)程產(chǎn)生的信號(hào)燈信號(hào)為依據(jù)，而信號(hào)燈

27、控制進(jìn)程中信號(hào)燈的熄滅又是由狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中傳出的信號(hào)來(lái)控制。五層電梯控制器的設(shè)計(jì)主要是對(duì)實(shí)體和結(jié)構(gòu)體的設(shè)計(jì)，它的VHDL描述模塊流程如圖3.1所示：元件庫(kù)的說(shuō)明定義實(shí)體結(jié)構(gòu)體端口狀態(tài)機(jī)進(jìn)程信號(hào)燈控制進(jìn)程結(jié)束按鍵信號(hào)燈圖3.1 五層電梯控制器的VHDL描述模塊流程二、實(shí)體設(shè)計(jì)實(shí)體設(shè)計(jì)即是對(duì)端口名、端口模式及數(shù)據(jù)類型的說(shuō)明。首先考慮輸入端口，一個(gè)異步復(fù)位端口“reset”，用于當(dāng)電梯出現(xiàn)非正常情況時(shí)回到初始狀態(tài)；在電梯外部，一層入口處設(shè)有上升請(qǐng)求端，二，三，四層入口處設(shè)有上升和下降請(qǐng)求端，五層入口處設(shè)有下降請(qǐng)求端；在電梯內(nèi)部，應(yīng)設(shè)有各層停站請(qǐng)求端口；一個(gè)電梯時(shí)鐘輸入端口，它提供周期為1s的時(shí)鐘信號(hào)，

28、用作電梯狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)時(shí)鐘；還有一個(gè)頻率很高的按鍵時(shí)鐘輸入端口。其次考慮輸出端口，當(dāng)有各層上升或下降請(qǐng)求時(shí)，各層入口處應(yīng)該有端口顯示請(qǐng)求是否被響應(yīng)，有請(qǐng)求時(shí)端口輸出邏輯1，被執(zhí)行后則恢復(fù)成邏輯0；同樣的，電梯內(nèi)部也應(yīng)有各層停站請(qǐng)求是否被響應(yīng)的指示端口；一個(gè)開關(guān)門指示端口，當(dāng)門開著時(shí)，它為邏輯1，門關(guān)著時(shí)，則為邏輯0；還需要端口來(lái)顯示電梯所處的位置和模式（上升或下降）。三、結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)體中，首先說(shuō)明了狀態(tài)機(jī)設(shè)置的十個(gè)狀態(tài)，分別是：電梯停在1層(stopon1)、開門(dooropen)、關(guān)門(doorclose)、開門等待第1秒(doorwait1)、開門等待第2秒(doorwait2)、開

29、門等待第3秒(doorwait3)、開門等待第4秒(doorwait4)、上升(up)、下降(down)和停止(stop)。在結(jié)構(gòu)體最前端用如下的定義語(yǔ)句，來(lái)定義狀態(tài)機(jī)。type lift_state is(stopon1,dooropen,doorclose,doorwait1,doorwait2,doorwait3,doorwait4,up,down,stop);接著描述電梯內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)體中設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)程，一個(gè)狀態(tài)機(jī)進(jìn)程（ctrlift），它是以reset和liftclk作為敏感信號(hào)，控制電梯的狀態(tài)轉(zhuǎn)移；另外一個(gè)是信號(hào)燈控制進(jìn)程（ctrlight），它是以reset和buttonc

30、lk作為敏感信號(hào)，控制寄存信號(hào)的邏輯值。在狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中，電梯關(guān)門后根據(jù)信號(hào)燈的情況，來(lái)決定下一個(gè)狀態(tài)是上升、下降還是停止；在信號(hào)燈控制進(jìn)程中，由于使用了專門的頻率較高的按鍵時(shí)鐘，所以使得按鍵的靈敏度大，但是時(shí)鐘頻率不能過高，否則容易使按鍵過于靈敏，而信號(hào)燈的熄滅是由狀態(tài)機(jī)進(jìn)程中傳出clearup和cleardn信號(hào)來(lái)控制。四、VHDL源代碼語(yǔ)法的簡(jiǎn)單說(shuō)明本程序設(shè)計(jì)調(diào)用了ieee庫(kù)，ieee庫(kù)是VHDL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。本設(shè)計(jì)采用std-logic-1164、std-logic-unsigned、std-logic-arith程序包。

31、以關(guān)鍵詞entity引導(dǎo)，end entity threelift結(jié)尾的部分是程序的實(shí)體部分。VHDL的實(shí)體描述了電路器件的外部情況，本設(shè)計(jì)定義了關(guān)于三層電梯控制器用到的各類時(shí)鐘、異步復(fù)位按鍵、信號(hào)燈指示端口、電梯的請(qǐng)求端口。它描述了端口模式主要有in、buffer、out，以及各端口信號(hào)的數(shù)據(jù)類型主要有std-logic、std-logic-vector、integer。（3）以關(guān)鍵詞architecture引導(dǎo)，end architecture one結(jié)尾的語(yǔ)句部分是結(jié)構(gòu)體部分，結(jié)構(gòu)體描述電路器件的內(nèi)部邏輯功能。五、VHDL源代碼library ieee; -庫(kù)的說(shuō)明use ieee.st

32、d_logic_1164.all; -程序包的說(shuō)明use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity threelift is -實(shí)體 port(buttonclk:in std_logic; -按鍵時(shí)鐘信號(hào) liftclk:in std_logic; -電梯時(shí)鐘信號(hào) reset:in std_logic; -異步復(fù)位端口 f1upbutton:in std_logic; -一層上升請(qǐng)求端口 f2upbutton:in std_logic; -二層上升請(qǐng)求端口 f2dnbutton:in std_logic;

33、-二層下降請(qǐng)求端口 f3dnbutton:in std_logic; -三層下降請(qǐng)求端口 stop1button:in std_logic; -一層停站請(qǐng)求端口 stop2button:in std_logic; -二層停站請(qǐng)求端口 stop3button:in std_logic; -三層停站請(qǐng)求端口 position:buffer integer range 1 to 3; -電梯位置信號(hào) udsig:buffer std_logic; -電梯模式（上升或下降）信號(hào) fuplight,fdnlight,stoplight:buffer std_logic_vector(3 downto 1

34、); -上升、下降、停站請(qǐng)求寄存信號(hào)doorlight:out std_logic; -開關(guān)門信號(hào) dout1:out std_logic_vector(3 downto 0); end entity threelift;architecture one of threelift is -結(jié)構(gòu)體type lift_state is -定義十個(gè)狀態(tài)(stopon1,dooropen,doorclose,doorwait1,doorwait2,doorwait3,doorwait4,up,down,stop);signal mylift:lift_state;signal clearup:std_

35、logic; -上升和停站請(qǐng)求清除信號(hào)signal cleardn:std_logic; -下降和停站請(qǐng)求清除信號(hào)beginctrlift:process(reset,liftclk) -狀態(tài)機(jī)進(jìn)程variable pos:integer range 3 downto 1;beginif reset=1 then -異步復(fù)位，電梯的初始狀態(tài)為一層開門狀態(tài) mylift=stopon1; clearup=0; cleardn doorlight=1; position=1; pos:=1; mylift mylift clearup=0; cleardn=0; mylift mylift myl

36、ift -關(guān)門，判定電梯下一個(gè)運(yùn)行方式 doorlight=0; if udsig=1 then -電梯處在上升模式 if position=3 then if fuplight=000 and fdnlight=000 and stoplight=000 then -沒有請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，電梯停在當(dāng)前層 udsig=0; mylift=doorclose; elsif fdnlight(3)=1 or stoplight(3)=1 then -本層有請(qǐng)求信號(hào)是，電梯開門 udsig=0; mylift=dooropen; else -否則下降 udsig=0; mylift=down; end i

37、f; elsif position=2 then if fuplight=000 and fdnlight=000 and stoplight=000 then udsig=1; mylift=doorclose;elsif fuplight(2)=1 or stoplight(2)=1 then -本層有上升或停站請(qǐng)求時(shí)時(shí)，電梯開門 udsig=1; mylift=dooropen; elsif fuplight=000 and stoplight=000 and fdnlight=010 then -只有二層有下降請(qǐng)求時(shí)，電梯開門 udsig=0; mylift=dooropen; els

38、if stoplight(3)=1 or fdnlight(3)=1 then -三層有停站請(qǐng)求或下降請(qǐng)求，則上升 udsig=1; mylift=up; else udsig=0; mylift=down; end if; elsif position=1 then if fuplight=000 and fdnlight=000 and stoplight=000 then udsig=1; mylift=doorclose; elsif stoplight(1)=1 or fuplight(1)=1 then udsig=1; mylift=dooropen; else udsig=1;

39、 mylift=up; end if; end if; elsif udsig=0 then -電梯處在下降模式 if position=3 then if fuplight=000 and fdnlight=000 and stoplight=000 then udsig=0; mylift=doorclose; elsif fdnlight(3)=1 or stoplight(3)=1 then udsig=0; mylift=dooropen; else udsig=0; mylift=down; end if; elsif position=2 then if fuplight=000

40、 and fdnlight=000 and stoplight=000 then udsig=0; mylift=doorclose; elsif fdnlight(2)=1 or stoplight(2)=1 then udsig=0; mylift=dooropen; elsif fdnlight=000 and stoplight=000 and fuplight=010 then udsig=1; mylift=dooropen; elsif fuplight(1)=1 or stoplight(1)=1 then -一層有停站請(qǐng)求或上升請(qǐng)求，則下降 udsig=0; mylift=d

41、own; else udsig=1; mylift=up; end if; elsif position=1 then if fuplight=000 and fdnlight=000 and stoplight=000 then udsig=1; mylift=doorclose; elsif stoplight(1)=1 or fuplight(1)=1 then udsig=1; mylift=dooropen; else udsig=1; mylift -電梯處于上升狀態(tài) position=position+1; -電梯樓層數(shù)加一 pos:=pos+1; if pos3 and (st

42、oplight(pos)=1 or fuplight(pos)=1) then mylift=stop; -電梯在一層或二層，本層有停站或上升請(qǐng)求時(shí)，則停止 elsif pos=3 and (stoplight(pos)=1 or fdnlight(pos)=1) then mylift=stop;-電梯處在三層，并且有三層停站或下降請(qǐng)求，則停止 else mylift -電梯處在下降狀態(tài) position1 and (stoplight(pos)=1 and fdnlight(pos)=1) then mylift=stop; elsif pos=1 and (stoplight(pos)=

43、1 or fuplight(pos)=1) then mylift=stop; else mylift mylift doorlight=1; if udsig=1 then if position3 and (fuplight(pos)=1 or stoplight(pos)=1) then clearup=1; -清除當(dāng)前層上升和停站請(qǐng)求 else clearup=1; cleardn1 and (fdnlight(pos)=1 or stoplight(pos)=1) then cleardn=1; -清除當(dāng)前層下降和停站請(qǐng)求 else clearup=1; cleardn=1; end

44、 if; end if; mylift=doorwait1; end case; end if;end if;end process ctrlift;ctrlight:process(reset,buttonclk) -信號(hào)燈控制進(jìn)程beginif reset=1 then -復(fù)位，寄存信號(hào)清零 fuplight=000; fdnlight=000; stoplight=000;else if buttonclkevent and buttonclk=1 then if clearup=1 then -上升和停站請(qǐng)求清零 fuplight(position)=0; stoplight(posi

45、tion)=0; else if f1upbutton=1 then -記憶各層上升請(qǐng)求 fuplight(1)=1; elsif f2upbutton=1 then fuplight(2)=1; end if; end if; if cleardn=1 then -下降和停站請(qǐng)求清零 fdnlight(position)=0; stoplight(position)=0; else if f2dnbutton=1 then -記憶各層下降請(qǐng)求 fdnlight(2)=1; elsif f3dnbutton=1 then fdnlight(3)=1; end if; end if; if st

46、op1button=1 then -記憶各層停站請(qǐng)求 stoplight(1)=1; elsif stop2button=1 then stoplight(2)=1; elsif stop3button=1 then stoplight(3)=1; end if; end if;end if;end process ctrlight;process(position) -樓層顯示進(jìn)程beginif position=1 then dout1=0001;elsif position=2 then dout1=0010;elsif position=3 then dout1=0011;end if;end process;end architecture one;第三節(jié) 本章小結(jié)本設(shè)計(jì)運(yùn)用有限狀