8.3 模块设计 ⒈ 主体控制模块控制部分由时序输出及楼选计数器电梯请求服务处理器电梯升降控制器电梯升降寄存器及电梯次态生成器等组成, 其内部结构如图 8-2 所示时钟 CLK 时序输出及楼选计数器 (Fd) 上升请求 UP 下降请求 DOWN 楼层选择 FCH 电梯服务请求处理器 F

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亩韩
5 years ago
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1 8 电梯控制器的设计本节采用 VHDL 语言设计一个电梯控制器, 具备民用电梯的基本功能 8.1 设计要求设计一个单轿厢电梯控制器, 该电梯可以控制电梯完成 10 个以下楼层的载客服务, 并具有以下功能 : ⑴. 每层电梯入口均设有电梯上下运行请求按钮, 轿厢内设有楼层选择开关 ⑵. 电梯具备提前关门和延时关门功能, 可根据乘客的请求进行时间调整 ⑶. 能够显示电梯的运行情况楼层间的运行时间以及电梯所在楼层的等待时间 ⑷. 设置电梯运行开关控制按键, 以控制电梯的运行状态 ⑸. 电梯运行遵循方向优先原则 : 当电梯处于上升模式时, 只响应比电梯所在楼层更高位置的上楼请求信号, 并由下而上依次执行, 直到最后一个上楼请求执行完毕 ; 如更高层有下楼请求则直接上升到有下楼请求的最高层, 然后进入下降模式当电梯处于下降模式时, 运行规则与上升模式刚好相反 8.2 设计方案根据系统设计要求, 可以看出电梯主要有三种工作状态 : 运行停止和等待, 其中运行状态又包括上升和下降两个不同运行方向乘客可以通过选择开门 / 关门上行 / 下行 / 按钮和选择指定楼层按钮等控制电梯的开 / 关门上 / 下行以及停止等工作状态 DTKZ CLK Up Dow n FCH Close Delay R_S Lamp RWD[6..0] FOD[6..0] FCD[6..0] inst 图 8-1 电梯控制器外部接口图由此不难得出如图 8-1 所示电梯控制器的外部接口图其中 CLK 为 2Hz 的基准时钟输入信号, 上升沿有效 ;Up/Down 为上 / 下行请求信号,Fch 为楼层选择信号,Close 为提前关门信号,Delay 为延时关门信号, 均高电平有效 ; 电梯运行开关信号 R_S 在高电平时电梯正常运行, 低电平时停止运行输出信号包括电梯运行 / 停止显示信号 Lamp, 电梯运行等待时间显示信号 RWD[6..0], 电梯所在楼层指示信号 FOD[6..0] 和楼层选择指示信号 FCD[6..0], 后三个输出信号要能够直接指示电梯控制器的运行状态, 因此可以直接采用共阴 LED 数码显示管对于整个电梯控制系统而言, 其组成应该包括两大部分 : 除完成接收输入请求信号进行处理并产生各种运行控制信号的主体控制模块之外, 还应该有接收控制电路输出运行状态信号以实现电梯工作状态指示的显示模块

2 8.3 模块设计 ⒈ 主体控制模块控制部分由时序输出及楼选计数器电梯请求服务处理器电梯升降控制器电梯升降寄存器及电梯次态生成器等组成, 其内部结构如图 8-2 所示时钟 CLK 时序输出及楼选计数器 (Fd) 上升请求 UP 下降请求 DOWN 楼层选择 FCH 电梯服务请求处理器 FCD 楼层选择运行开关 R_S 提前关门 CLOSE 延时关门 DELAY 电梯升降控制器 (Fc) 电梯次态生成器 (Fst) 下降请求寄存器 (Ur) 上升请求寄存器 (Dr) LMAP 状态指示 R_S 运行时间 FOD 楼层指示图 8-2 电梯控制器的内部组成框图控制模块可以采用多进程的方式来实现 : 1. 分频及楼选信号产生进程 (P1): 将输入的基准时钟信号进行 2 分频, 产生秒脉冲信号以对楼选指示变量 Fd 进行从 0-8 的计数, 同时供其它进程及模块使用 2. 楼层请求寄存器的置位与复位进程 (P2): 通过楼层选择指示变量 Fd 电梯所在楼层变量 Fc 和输入信号 Up Down Fch 来判断楼层请求寄存器 Ur Dr 的置位假设电梯所在楼层为 Num, 如果电梯处于运行中, 这时若楼层选择指示为 T 且 T>Num 时按下了楼层选择按钮 Fch, 或者按下了楼层上升请求键 Up, 则对应的上升请求寄存器 Ur(T) 置为 1; 否则, 若电梯运行时间到且没有任何请求, 则对应的上升请求寄存器 Ur(T) 置为 0 反之, 如果电梯处于运行中, 这时若楼层选择指示为 T 且 T<Num 时按下了楼层选择按钮 Fch, 或者按下了楼层下降请求键 Down, 则对应的下降请求寄存器 Dr(T) 置为 1; 否则, 若电梯运行时间到且没有任何请求, 则对应的下降请求寄存器 Dr(T) 置为 0 除此而外各楼层的升降请求寄存器都置为 0 3. 电梯运行次态控制进程 (P3): 根据升降寄存器 Ur/Dr 的状态和所在楼层变量 Fc, 在运行或等待计数器 Wc 为 110 时, 给出电梯下一个状态 (Fst): 11 表示上升 10 表示下降 01 和 00 表示等待若电梯在运行状态 ( 即 R_S= 1 ), 假设运行时间到 ( 即 Wc= 110 ), 如果这时升降寄存器各位均为 0( 即 Ur OR Dr= ), 则电梯处于等待状态, 下一状态信号 Fst 为 01 或 00 ; 否则若电梯处于第 N 层, 如果此时 N+1 层的上升或下降寄存器的值为 1, 则电梯处于运行等待状态 ; 如果此时 N+1 层以上的上升或下降寄存器有请求或者 N 层及以下的上升或下降寄存器有请求, 电梯处于上升运行状态,Fst 的值为 11, 其余情况下电梯处于下降运行状态,Fst 的值为电梯运行楼层计数及提前延时关门控制进程 (P4): 该进程由进程 P1 产生的秒脉冲信号驱动, 响应 CloseX DelayX 信号完成提前关门和延时关门请求, 并根据 Fst 的状态对楼层计数器 Fc 进行相应的增减主体控制模块的 VHDL 代码如下 : LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

3 USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY Dtkz_Kzq IS PORT(CLK: IN STD_LOGIC; -- 时钟信号 Up: IN STD_LOGIC; -- 上升请求 Down: IN STD_LOGIC; -- 下降请求 Fch: IN STD_LOGIC; -- 楼层选择 Close: IN STD_LOGIC; -- 提前关门 Delay: IN STD_LOGIC; -- 延时关门 R_S: IN STD_LOGIC; -- 电梯运行开关 Lamp: OUT STD_LOGIC; -- 运行或停止灯 RWD: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); FOD: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); FCD: OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0)); END Dtkz_Kzq; -- 运行 / 等待时间 -- 所在楼层指示 -- 楼层选择指示 ARCHITECTURE Dtkz_1 OF Dtkz_Kzq IS SIGNAL ur,dr:std_logic_vector (9 DOWNTO 1); -- 上升或下降请求寄存器 SIGNAL fd,fc:integer RANGE 0 TO 8; -- 楼选指示及楼层计数器 SIGNAL wc:std_logic_vector (2 DOWNTO 0); -- 运行或等待计数器 SIGNAL dic,fcr,clkin:std_logic; -- 时钟 2 分频及楼选复位 SIGNAL fst:std_logic_vector (1 DOWNTO 0); -- 电梯运行状态变量 SIGNAL closex,delayx:std_logic; -- 提前及延迟关门变量 fcd<=conv_std_logic_vector(fd,4)+1; fod<=conv_std_logic_vector(fc,4)+1; rwd<='0'& wc; fcr<=wc(2) AND (NOT wc(1)) AND wc(0); closex<=close AND (NOT fst(1)); delayx<=delay AND (NOT fst(1)); P0:PROCESS(clk) IF (clk'event AND clk='1') THEN lamp<=fst(1); END PROCESS P0; P1:PROCESS(clk) -- 分频及楼选信号产生进程 IF (clk'event AND clk='1') THEN dic<=not dic; IF (fd=8) THEN fd<=0; fd<=fd+1; END PROCESS P1; P2:PROCESS(ur,dr,fd,up,down,fch,fc,wc,r_s,fcr) -- 楼层请求寄存器置位与复位进程 VARIABLE num,t:integer RANGE 0 TO 9; num:=fc+1; t:=fd+1; IF (r_s='1') THEN -- 电梯运行时 -- 选择楼层大于当前楼层或有上升请求 IF (((t>num) AND (fch='1')) OR (up='1')) THEN CASE t IS WHEN 1 => ur(1)<='1'; WHEN 2 => ur(2)<='1'; WHEN 3 => ur(3)<='1'; WHEN 4 => ur(4)<='1'; WHEN 5 => ur(5)<='1'; WHEN 6 => ur(6)<='1'; WHEN 7 => ur(7)<='1'; WHEN 8 => ur(8)<='1';

4 WHEN 9 => ur(9)<='1'; -- 电梯运行时间到 ELSIF (fcr='1') THEN CASE num IS WHEN 1 => ur(1)<='0'; WHEN 2 => ur(2)<='0'; WHEN 3 => ur(3)<='0'; WHEN 4 => ur(4)<='0'; WHEN 5 => ur(5)<='0'; WHEN 6 => ur(6)<='0'; WHEN 7 => ur(7)<='0'; WHEN 8 => ur(8)<='0'; WHEN 9 => ur(9)<='0'; -- 选择楼层小于当前楼层或有下降请求 IF (((t<num) AND (fch='1')) OR (down='1')) THEN CASE t IS WHEN 1 => dr(1)<='1'; WHEN 2 => dr(2)<='1'; WHEN 3 => dr(3)<='1'; WHEN 4 => dr(4)<='1'; WHEN 5 => dr(5)<='1'; WHEN 6 => dr(6)<='1'; WHEN 7 => dr(7)<='1'; WHEN 8 => dr(8)<='1'; WHEN 9 => dr(9)<='1'; -- 电梯运行时间到 ELSIF (fcr='1') THEN CASE num IS WHEN 1 => dr(1)<='0'; WHEN 2 => dr(2)<='0'; WHEN 3 => dr(3)<='0'; WHEN 4 => dr(4)<='0'; WHEN 5 => dr(5)<='0'; WHEN 6 => dr(6)<='0'; WHEN 7 => dr(7)<='0'; WHEN 8 => dr(8)<='0'; WHEN 9 => dr(9)<='0'; ur<=" "; dr<=" "; END PROCESS P2; P3:PROCESS(ur,dr,fc,fst,wc,r_s) -- 电梯运行次态控制进程 IF (r_s='1') THEN -- 电梯运行时 IF (wc="110") THEN IF ((ur OR dr)=" ") THEN CASE fc IS WHEN 0 => -- 电梯在第 1 层 IF ((ur(1) OR dr(1))>'0') THEN WHEN 1 => -- 电梯在第 2 层

5 IF ((ur(2) OR dr(2))>'0') THEN ((ur(9 DOWNTO 3) OR dr(9 DOWNTO 3)) >" ")) OR ((ur(1) OR dr(1))='0')) THEN WHEN 2 => -- 电梯在第 3 层 IF ((ur(3) OR dr(3))>'0') THEN ((ur(9 DOWNTO 4) OR dr(9 DOWNTO 4))>"000000")) OR ((ur(2 DOWNTO 1) OR dr(2 DOWNTO 1))="00")) THEN WHEN 3 => -- 电梯在第 4 层 IF ((ur(4) OR dr(4))>'0') THEN ((ur(9 DOWNTO 5) OR dr(9 DOWNTO 5))>"00000")) OR ((ur(3 DOWNTO 1) OR dr(3 DOWNTO 1))="000")) THEN WHEN 4 => -- 电梯在第 5 层 IF ((ur(5) OR dr(5))>'0') THEN ((ur(9 DOWNTO 6) OR dr(9 DOWNTO 6))>"0000")) OR ((ur(4 DOWNTO 1) OR dr(4 DOWNTO 1))="0000")) THEN WHEN 5 => -- 电梯在第 6 层 IF ((ur(6) OR dr(6))>'0') THEN ((ur(9 DOWNTO 7) OR dr(9 DOWNTO 7))>"000")) OR ((ur(5 DOWNTO 1) OR dr(5 DOWNTO 1))="00000")) THEN WHEN 6 => -- 电梯在第 7 层 IF ((ur(7) OR dr(7))>'0') THEN ((ur(9 DOWNTO 8) OR dr(9 DOWNTO 8))>"00")) OR ((ur(6 DOWNTO 1) OR dr(4 DOWNTO 1))="000000")) THEN WHEN 7 => -- 电梯在第 8 层 IF ((ur(8) OR dr(8))>'0') THEN ((ur(9) OR dr(9))>'0')) OR ((ur(7 DOWNTO 1) OR dr(7 DOWNTO 1))=" ")) THEN WHEN 8 => -- 电梯在第 9 层

6 IF ((ur(9) OR dr(9))>'0') THEN WHEN OTHERS=>NULL; fst<="00"; END PROCESS P3; P4:PROCESS(dic,wc,fst,closex,delayx) -- 楼层计数及关门时间控制进程 IF (dic'event AND dic='1') THEN -- 分频后的时钟上升沿 IF (wc="000" OR closex='1') THEN wc<="110"; IF (delayx='0') THEN wc<=wc-1; wc<="010"; IF (wc="001") THEN -- 电梯处于运行状态 IF (fst="11") THEN -- 电梯上升, 楼层加 1 fc<=fc+1; ELSIF (fst="10") THEN -- 电梯下降, 楼层减 1 fc<=fc-1; END PROCESS P4; END Dtkz_1; ⒉ 显示模块显示模块用于实现电梯控制器状态指示, 其输入为电梯控制器主控模块的运行状态输出信号, 输出信号用于驱动共阴极 LED 数码显示管该模块的 VHDL 代码如下 : LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY Dtkz_Led IS PORT( Lin:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -- 输入 BCD 码 Lout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0)); -- 输出七段码 END Dtkz_Led; ARCHITECTURE Dtkz_2 OF Dtkz_Led IS PROCESS (Lin) CASE Lin IS -- 字形段码, 依次为 "G F E D C B A" WHEN "0000" => Lout<=" "; -- 显示 0 WHEN "0001" => Lout<=" "; -- 显示 1 WHEN "0010" => Lout<=" "; -- 显示 2 WHEN "0011" => Lout<=" "; -- 显示 3 WHEN "0100" => Lout<=" "; -- 显示 4 WHEN "0101" => Lout<=" "; -- 显示 5 WHEN "0110" => Lout<=" "; -- 显示 6 WHEN "0111" => Lout<=" "; -- 显示 7 WHEN "1000" => Lout<=" "; -- 显示 8 WHEN "1001" => Lout<=" "; -- 显示 9 WHEN OTHERS => Lout<=" "; -- 其它情况灯灭

7 END PROCESS; END Dtkz_2; 8.4 仿真分析由于要以数码形式显示三个信号, 因此电梯控制器由一个主体控制模块与三个显示模块构成, 如图 8-3 所示图 8-3 电梯控制器的顶层原理图对主体控制模块进行功能仿真得到的仿真波形如图 8-4 所示当信号 Close 为高电平时, 电梯进入运行次态控制进程, 通过判断上升下降请求寄存器每一位的值, 决定电梯的运行状态, 并通过状态指示信号输出该状态图 8-4 控制模块仿真波形

a b c d e f g C2 C1 2

a b c d e f g C2 C1 2 IN1 IN2 0 2 to 1 Mux 1 IN1 IN2 0 2 to 1 Mux 1 Sel= 0 M0 High C2 C1 Sel= 1 M0 Low C2 C1 1 to 2 decoder M1 Low 1 to 2 decoder M1 High 3 BCD 1Hz clk 64Hz BCD 4 4 0 1 2 to 1 Mux sel 4