FPGA实现简易电梯控制系统设计

2024-02-21 07:36| 来源: 网络整理| 查看: 265

这是某高校数字电路实验II课设，已实现2022年秋季学期所有功能

软硬件配置

系统：win10 软件：Vivado 2018.3 开发板芯片：xc7a35tftg256-2

设计要求

1、实现2层楼的简易电梯控制系统。 2、电梯有4个按键。 1楼外只有向上按键（KEY0），2楼外只有向下按键（KEY1），电梯内还有2个按键分别为1楼按键(KEY2)和2楼按键(KEY3）。所有楼层外和电梯内的按键产生的信号作为给电梯的运行请求信号。 3、电梯有4个指示灯（LED0、 LED1 、 LED2 、 LED3）。 LED0: 按下KEY0键,若电梯不在1楼，则LED0亮。 LED1: 按下KEY1键,若电梯不在2楼，则LED1亮。 LED2: 电梯在1楼，按KEY3键, 则LED3亮，电梯到2楼后LED3灭。 LED3: 电梯在2楼，按KEY2键, 则LED2亮，电梯到1楼后LED2灭。 4、有2个数码管，分别显示当前运行状态及楼层。（1）1个数码管显示当前运行状态，电梯有三个运行状态：待机、上行、下行。待机：电梯停在1楼或2楼且无请求信号时均为待机状态。上行状态：电梯停在1楼，有KEY1或KEY3被按下时进入上行状态。下行状态：电梯停在2楼，有KEY0或KEY2被按下时进入下行状态。（2）1个数码管显示所在楼层，显示1或2；每一层楼之间的运行时间间隔为３秒。 5、有2个拨码开关。（1）复位开关。向下拨动后，电梯复位回到1楼。（2）启动开关。向上拨动后，按键有效，电梯正常工作。 6、增加其它功能。（1）电梯上行时，LED11至LED7五个指示灯从右到左每隔0.6秒点亮一个；电梯下行时，LED7至LED11五个指示灯从左到右每隔0.6秒点亮一个。（2）电梯运行到达新楼层时，蜂鸣器发出一声清晰“嘀”声。（3）电梯开始上行或下行时，在最左边两个数码管上正计时显示运行时间0.0-2.9（秒），精度为0.1秒。到达新楼层时显示3.0（秒）。（4）电梯上行时，楼层显示数码管前2秒显示1，后1秒显示2；电梯下行时，楼层显示数码管前2秒显示2，后1秒显示1。

设计思路

容易得出的一个结论是：电梯一共有以下几种互相独立的状态——“在1楼”、“在上行过程中”、“在2楼”、“在下行过程中”。而4个楼层按键无非就是“上行”、“下行”两种。对于“下楼”而言，如果对前述4种状态依次考虑未免过于复杂。事实上，我们可以将4种状态化简为两种——“在1楼”和“不在1楼”。那么对于这两种状态，我们引出标志量floor1来表示：在1楼时标志量为1，否则为0。同理引出标志量floor2。据此我们可以得到如下推论：当标志量floor1为0时，“下行”类按键按下时我们才应该控制电梯下行。同理，上行亦然。然而，这里有一个问题是：存在各有一个有效的“上行”、“下行”在较短的时间内按下的情况，它们将出现控制上的冲突。对此我们暂且延后考虑，前述内容对应代码如下：

//电梯不在2楼，电梯内按下2楼键，等待上行 if(!floor2&&!key[3])begin //控制上行 end //电梯不在1楼，电梯内按下1楼键，等待下行 if(!floor1&&!key[2])begin //控制下行 end //电梯不在2楼，2楼外按下下楼键，等待上行 if(!floor2&&!key[1])begin //控制上行 end //电梯不在1楼，1楼外按下上楼键，等待下行 if(!floor1&&!key[0])begin //控制下行 end

现在先考虑实现3秒运行、0.1秒间隔计时、每0.6秒点亮一个流水灯、前2秒显示前一楼层后1秒显示新楼层等功能。很容易想到使用计数的方式实现，并采用它们的最大因数100ms作为时钟信号。使用变量cnt对时钟信号进行计数，当计数到30时即完整运行了3秒。为了保障计数准确，我们在检测到“上行”、“下行”命令有效时便对cnt进行初始化赋零，计数到30后也进行清零。引出了cnt之后，我们可以开始考虑冲突问题了。首先可以想到，为了对上行和下行时间分别计算，我们将由一个变量cnt计算运行时间改为分别用cnt1计算上行时间和用cnt2计算下行时间。显然，如果电梯正在上行即cnt1值介于0和30之间，“下行”类按键按下后，cnt2应先初始化赋零然后等到cnt1计算到30后清零，此时才能开始计数。如何让cnt2挂机后再进行计算呢？我们再引入新的标志量EN1和EN2。当有“上行”类按键按下并且指令有效（即前面说的floor2为0）时，将EN1赋值为1，表示有上行指令需要运行，直到上行结束即cnt1计数到30才重新将EN1赋值为0。EN2同理。因此我们可以做出以下判断：（1）当只有EN1有效（为1）时，对上行时间进行计数即对cnt1进行累加；（2）当只有EN2有效时，对下行时间进行计数即对cnt2进行累加；（3）当EN1和EN2同时有效时，由于上行按键和下行按键按下有时间差，那么cnt1和cnt2不会相同，且后按下的按键对应的计数值此时应该为0，则值更大的是更早按下的，此时我们应对值大的那个进行计数。应该注意到的是，在进行计数的时候应同时将对应的楼层状态量进行赋零，防止未能及时检测到有效输入。至此，冲突问题解决。解决冲突问题后，我们可以也自然而然地可以对电梯的三种状态（即待机、上行和下行）进行判断，使用state变量表示，为0代表待机，1代表上行，2代表下行。上述实现代码如下：

//无需等待上行和下行 if(!EN1&&!EN2) begin state=0; end //同时有上行和下行的需求 if(EN1&&EN2)begin //在上行 if(cnt1>cnt2)begin cnt1=cnt1+1; floor1=0; state=1; end //在下行 else begin cnt2=cnt2+1; floor2=0; state=2; end end //在上行 else if(EN1)begin cnt1=cnt1+1; floor1=0; state=1; end //在下行 else if(EN2)begin cnt2=cnt2+1; floor2=0; state=2; end

考虑按键对应的LED灯。在根据标志量floor1和floor2判断按键按下功能有效后，我们就可以直接点亮对应的LED灯；在cnt1计数到30后，LED3和LED1同时设置为熄灭即可，不需要考虑原本亮着的是哪个；在cnt2计数到30后，LED2和LED0同时设置为熄灭。由此可以完善按键是否有效的检测代码以及清零部分代码如下：

//电梯不在2楼，电梯内按下2楼键，等待上行 if(!floor2&&!key[3])begin led[3]=1; EN1=1; //标记有等待上行的按键按下 cnt1=0; end //电梯不在1楼，电梯内按下1楼键，等待下行 if(!floor1&&!key[2])begin led[2]=1; EN2=1; //标记有等待下行的按键按下 cnt2=0; end //电梯不在2楼，2楼外按下下楼键，等待上行 if(!floor2&&!key[1])begin led[1]=1; EN1=1; //标记有等待上行的按键按下 cnt1=0; end //电梯不在1楼，1楼外按下上楼键，等待下行 if(!floor1&&!key[0])begin led[0]=1; EN2=1; //标记有等待下行的按键按下 cnt2=0; end //无需等待上行，将上行计数清零，将等待上行显示灯熄灭 if(!EN1) begin cnt1=0; led[3]=0; led[1]=0; end //无需等待下行，将下行计数清零，将等待下行显示灯熄灭 if(!EN2) begin cnt2=0; led[2]=0; led[0]=0; end

考虑复位开关和启动开关。对于启动开关，我们只需要使用一个if语句将之前所有功能包含进去即可。而复位开关，虽然和启动开关同样是使用拨码开关，但由于要求复位时能经过3秒运行到1楼，在使用的时候有所区别。启动开关只需要判断当前启动开关对应变量的值，而复位开关若同样只根据当前对应变量的值进行判断，那么经过3秒运行到1楼的功能可能很难实现。正确做法应该是检测对应变量的瞬间变化即出现下降沿。笔者使用的方法是检测两个时钟信号之间对应变量的值是否一样，对应代码如下：

always@(posedge clk_100ms) begin rst28)begin //周期为4ms，即250Hz beep=~beep; //占空比为50% end else beep=0; end

考虑3秒计时器和楼层、状态显示。前两者都只需要通过对cnt1和cnt2的值进行判断，并使用数码管直接显示。后者只需要对前面定义的state进行判断即可。需要注意的是应该对计时器的小数点单独进行控制。同时，为了实现状态输出时分别显示一条横杆，在数字位判断中使用10及以外的数字表示3个状态。部分代码如下：顶层文件中：

decoder_7seg dec( .cnt(cnt1+cnt2), //计时显示，由于二者不同时计数即至少有一个为0，因此取加 .floor(datashow), //楼层显示 .sta(state), //状态显示 .seg(seg), .dig(dig), .clkin(clkin) ); …… //楼层显示 if(028||cnt2>28)begin //周期为4ms，即250Hz beep=~beep; //占空比为50% end else beep=0; end //以0.1s周期的速度进行计数 always@(posedge clk_100ms) begin rstcnt2)begin cnt1=cnt1+1; floor1=0; state=1; end //在下行 else begin cnt2=cnt2+1; floor2=0; state=2; end end //在上行 else if(EN1)begin cnt1=cnt1+1; floor1=0; state=1; end //在下行 else if(EN2)begin cnt2=cnt2+1; floor2=0; state=2; end //楼层显示 if(0

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