基于FPGA电梯控制器的设计毕业论文.doc

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1、石家庄铁道大学四方学院毕业设计电梯控制器的设计The Design of Elevator Controller 2011 届 电气工程 系专 业 电子信息工程 学 号 20086377 学生姓名 张炜玮 指导教师 高迎霞 完成日期 2011年5月25日毕业设计成绩单学生姓名张炜玮学号20086377班级方0809-3专业电子信息工程毕业设计题目基于FPGA电梯控制器的设计指导教师姓名高迎霞指导教师职称讲师评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任)签字： 年 月 日毕业设计任务书题目基于FPGA电梯控制器的设计姓名张炜玮学号20086377班级方0809-3专业电子

2、信息工程承担指导任务单位电气工程系导师姓名高迎霞导师职称讲师一、主要内容该项目主要模拟电梯控制的整个过程实现电梯控制。主要包含硬件部分和软件部分，硬件部分完成模拟电梯控制所需控制电路和显示部分，软件部分通过VHDL语言完成电梯控制的整个过程。两者协调工作可以完成电梯控制的整个过程。二、基本要求设计一个多层单轿厢电梯控制器，该控制器可以完成3个楼层的载客服务。电梯入口和内部设有请求上下开关，供乘客选择到达楼层。电梯运行遵循方向优先原则，即上升（下降）时只响应上升（下降）信号，直到执行完最顶层（底层），再转入另一模式。电梯具有延时功能，并能够正确显示电梯的运行情况、电梯所在楼层。三、主要技术指标1

3、完成主要功能。2. 原理图，波形图。3. 使用说明书撰写。4. 论文正文不少于1万字，查阅文献资料不少于10篇，其中外文文献2篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于3000汉字。四、应收集的资料及参考文献VHDL语言开发。Quartus 开发工具。关于cyclone系列相关FPGA开发文档。EP1C12Q240C8芯片的使用手册和接口电路。五、进度计划第1 周第2周 开题报告和任务分配第3周第7 周 需求分析，概要设计第8 周第12 周 详细设计，中期考核第13 周第14 周 写论文第15 周第16 周 上交论文，答辩教研室主任签字时间 年 月 日 毕业设计开题报告题 目基于FPGA电梯控制器

4、的设计学生姓名张炜玮学号20886377班级080903专业电气工程系一、研究背景当今社会，随着城市建设的不断发展，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采样、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器取代微机实现信号控制。从控制方式和性质上来说，这两中方法并没有太大的区别。目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电路控制系统（“早期安装的电梯多位继电器控制系统”）、FPGA的控制系统、微机控制系统。继电器

5、控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰，微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。而FPGA控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已经成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造。二、国内外研究现状1.1国内电梯现状随着我国城乡居民生活水平的不断提高,住宅和一般公共建筑内,空调和电梯成为最大的两只“电老虎”。据测算,在冬夏两季,建筑中空调的能耗一般占整个建筑能耗的50%,因此控制

6、空调温度、使用节能空调,对降低建筑能耗起着至关重要的作用。与此同时,电梯的耗能不容忽视,据了解,目前我国星级酒店每年每平方米耗电量为150度,其中将近一半用于电梯。中国电梯行业协会认为,2005年我国所有电梯中,如果80%采用节能电梯,全年可节电122亿度。如果2015年全部采用节能电梯,将节电800亿度,几乎相当于三峡大坝一年的发电量。 1.2 国外电梯的情况目前，国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。此外，家用小型电梯将成为电梯家族中新的组成部分。电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对

7、现代电梯而言，应具有高度的安全性。事实上，在电梯上己经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。然而，只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面电子商务资料库保证电梯的最终高质量。在国外己法规实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队和维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。因此，可以说乘坐电梯更安全。美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是:乘电梯比走楼梯安全5倍。据资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为

8、80亿人次，而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。三、研究方案设计一个多层单轿厢电梯控制器，该控制器可以完成3个楼层的载客服务。电梯入口和内部设有请求上下开关，供乘客选择到达楼层。电梯运行遵循方向优先原则，即上升（下降）时只响应上升（下降）信号，直到执行完最顶层（底层），再转入另一模式。电梯能够正确显示电梯的运行情况、及电梯所在楼层。四、预期结果此系统是个3层楼的电梯控制器设计。该控制器可控制电梯完成3层楼的载客服务而且遵循方向优先原则。内部请求优先控制方式方案：类似于出租车的工作方式，先将车上的人送至目的地，再去载客。作为通用型电梯应该服务于大多数人，必须考虑电梯对内外请求的响应频率。在内

9、部请求优先控制方式中，当电梯外部人的请求和电梯内部人的请求冲突时，外部人的请求信号可能被长时间忽略，因而它不能作为通用型电梯的设计方案。单向层层停控制方式方案：等同火车头的运行方式，遇到即停止、开门。这种方案的优点在于“面面俱到”，可以保证所有人的请求都能得到响应。方向优先控制方案：指电梯运行到某一楼层的时先考虑这一楼层是否有请求：有则停止；无则继续前进五、主要技术指标：1.完成题目要求的主要功能；2.软件方面完成程序流程图；3.硬件方面完成电路原理图；4.使用说明书撰写；5.论文正文不少于1万字，查阅文献资料不少于10篇，其中外文文献2篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于3000汉字。六、

10、进度计划：第1周第2周 开题报告和任务分配第3周第7周 需求分析，概要设计第8周第12周 详细设计，中期考核第13周第14周 写论文第15周第16周 上交论文，答辩。指导教师签字时 间 年 月 日摘要摘要： 电梯作为现代化的产物，早在上个世纪就进入到我们的生活当中，对于电梯的控制，传统的方法是使用继电器-接触器控制系统进行控制，随着EDA技术的发展，FPGA已经广泛的应用到电子设计控制的各个方面中，本设计就是利用一片FPGA来实现对电梯的设计。 本设计是基于VHDL开发上的三层电梯控制器。以Quartus7.0为开发环境，最终将在EDA实验箱上实现三层电梯控制的基本功能显示。其功能包括：显示电

11、梯楼层数、响应楼层请求、电梯上升下降指示、电梯开关门。关键词：电梯控制、FPGA、VHDL、EDAAbstract：The life,as the modernized result,are entered in ourlife in last century.For the elevator control,the traditional approch is to use relay-contactor system to contorl.With development of EDA technology.FPGA has been widely used in all aspects

12、of electronic design control.The design is to use an FPGA to realize the elevator control.The project is based on the VHDL language development of three elevator controller.To Quartus 7.2 development environment,the ultimate test case in the EDA to achieve three basic functions of the life controlle

13、r demonstration.Its features include:show floor where the life current,showed that the request happened floors,floor to respond to the requset,closing delay setting elevator door open display.Key word : life control、FPGA、VHDL、ED目录第1章绪论11.1 问题的提出11.2 设计目的11.3 电梯控制的未来2第2章 设计的基础依据32.1 EDA概述32.1.1什么是EDA

14、32.1.2 EDA的特点42.1.3 EDA的应用42.2 FPGA的简介及特点52.3 VHDL语言及程序概述62.3.1 VHDL语言的发展72.3.2 VHDL语言的特点72.3.3 VHDL语言程序的基本结构82.4状态机的简介8第3章 设计功能与要求113.1电梯简要说明113.2电梯控制器的任务和要求113.3电梯控制器的设计思路113.4电梯处于各楼层是的分析123.5 电梯外部端口设计143.6三层电梯的电路总图153.7三层电梯的引脚分配15第4章 仿真结果与说明16第5章结论与展望215.1 结论215.2 展望21致 谢22参考文献23附 录I附录A 外文资料I附录B

15、程序清单IX第1章绪论1.1 问题的提出当今世界，部分地区人口高度密集，人和土地资源短缺的矛盾日趋激化。这就注定了必须合理地利用土地去解决人和土地的矛盾。而兴建高层建筑是其中的有效措施之一。因此，能使人们快速、便捷地到达目的楼层的电梯便应运而生了。在一些发达国家和地区，人均电梯拥有数量一般在每万人30台以上，某些国家甚至达到每万人120台以上，随着城镇化程度的加大，电梯市场会更加繁荣。中国的电梯市场增长也很乐观，目前，每年增长率为15%18%。随着电梯普及率的升温，人们对电梯的要求也会越来越高。如何更安全、更快捷地到达目的楼层，也就成了人们对电梯最为根本的要求。而电梯系统里控制这方面技术参数的

16、是电梯控制系统。因此，控制系统的设计就成了在电梯设计领域里最为核心的技术。在电子技术飞速发展的今天，现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品进一步提高 ，加速了电子设计激素的普及进程及技术革新。电子设计在日常生活和物质产品生产都占到了举足轻重的地位，这尤其体现在其对电子产品的开发和设计上。面对如此广袤的电梯市场，所谓“科技就是第一生产力”，处于科技前沿的电子设计技术很自然地就与电梯控制设计一拍即合，给设计师们以巨大的设计空间。因此，本设计就是希望在以开发更安全、更快捷的三层电梯控制系统为前提下，结合电子设计技术，对电梯控制

17、进行设计。1.2 设计目的三层电梯广泛应用在大型的货运之中。其使用便捷，货运周期短，效率高，成本低，对货运事业具有普相当的经济价值。在客运上，三层电梯虽然涉及楼层不高，应用范围不大，但就特殊而言，可以为一些上下楼层不方便的人们提供相当的帮助，照顾了这些特殊群体的感情。因此，在某些层面上说，三层电梯的设计也具有一定的社会价值。本着“一理通，百理明”的原则，本设计希望通过在简单的三层电梯控制设计之中如何解决升、降请求信号因电梯所处状态而产生的冲突等问题发散出去，由此及彼，对高层电梯控制的开发作一个技术的铺垫，对高层电梯设计者提供一个基础。针对目前中小型电梯所能实现的功能，本控制设计拟实现以下功能：

18、（1）每层电梯入口处设有上下请求开关，电梯内设有顾客到达层次的停站请求开关。（2）设有电梯入口处位置指示装置及电梯运行模式(上升或下降)指示装置。（3）电梯到达有停站请求的楼层，开门指示灯亮，开门8秒后，电梯门关闭(开门指示灯灭)，电梯继续进行，直至执行完最后一个请求信号后停留在当前层。 （4）能记忆电梯内外所有请求，并按照电梯运行规则按顺序响应，每个请求信号保留至执行后消除。 （5）电梯运行规则一当电梯处于上升模式时，只响应比电梯所在位置高的上楼请求信号，由下而上逐个执行，直到最后一个上楼请求执行完毕；如果高层有下楼请求，则直接升到由下楼请求的最高层，然后进入下降模式。当电梯处于下降模式时则

19、与上升模式相反。 （6）电梯初始状态为一层开门状态。1.3 电梯控制的未来电梯产业将走向信息化、网络化的道路。电梯控制系统如何与网络技术相结合将是未来电梯设计的主流趋势。在21世纪的今天如何提供用户满意产品和服务已成为关系到各企业生死存亡问题。电梯上网能确保为客户提供更优质全程的服务。在将来各大品牌厂家为了生存和发展都会在公共网络系统中建立自己电梯网站（电梯专用平台），这也是一条必由之路。电梯上网主要能实现以下功能：（1）用网络把所有电梯监管起来，保证电梯安全运行，确保乘客安全。（2）当电梯出现故障时，电梯通过网络向客户服务中心发出信号使维保人员能及时准确了解电梯出现故障的原因及相关信息，客户

20、的人身安全是否受到威胁，并在第一时间内赶赴事故现场进行抢修，同时通过网络对在电梯内乘客安慰，把电梯出现故障的负面影响降到最低。（3）也可以通过电梯网络在规定时间内自动扫描每台电梯内各部件以发现事故隐患做到事先维修，减少停梯时间，提高企业的服务。第2章 设计的基础依据现代电子设计技术的核心是EDA技术。基于EDA技术开发的实现三层电梯自动控制与目前主流的利用可编程逻辑控制器实现电梯控制紧密相连。硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分，VHDL是作为电子设计主流硬件的描述语言。使用VHDL语言进行程序的设计，在MAX +plus软件上对程序进行编译、仿真。在MAX +plus平台上的开发具有编程软

21、件具有采自易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等优点。2.1 EDA概述EDA在通信行业（电信）里的另一个解释是企业数据架构，EDA给出了一个企业级的数据架构的总体视图，并按照电信企业的特征，进行了框架和层级的划分。 EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。2.1.1什么是EDA 20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计

22、方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。 EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。E

23、DA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。 利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。 现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。2.1.2 EDA的特点(1) 高层综合和优化为了

24、能更好地支持自顶向下的设计方法，现代的EDA工具能够在系统进行综合和优化，这样就缩短了设计的周期，提高了设计效率。(2)采用硬件描述语言进行设计采用硬件描述语言进行电路与系统的描述是当前EDA技术的另一个特征。与传统的原理图设计方法相比，HDL语言更适合描述规模大的数字系统，它能够使设计者在比较抽象的层次上对所设计系统的结构和逻辑功能进行描述。采用HDL语言设计的突出优点是：语言的公开性和利用性；设计与工艺的无关性；宽范围的描述能力；便于组织大规模系统的设计；便于设计的复用，交流，保存和修改等。目前最常用的硬件描述语言有VHDL和Verilog HDL,它们都已经成为IEEE标准。（3）开放性

25、和标准化现代EDA工具普遍采用标准化和开放性框架结构，任何一个EDA系统只要建立了一个符合标准的开放式框架结构，就可以接纳其他厂商的EDA工具仪器进行设计工作。这样就可以实现各种EDA工具的优化组合，并集成在一个易于管理的统一环境下，实现资源共享。2.1.3 EDA的应用 随着电子技术的发展，可编程逻辑器件和eda技术已广泛应用于通信、工业自动化、智能仪表、图像处理、计算机等领域。EDA(ElectronincDesign Automation,电子设计自动化)技术是现代电子工程领域的一门新技术，它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。EDA技术的发展和推广应用极大地推动了电子工业的发

26、展。随着EDA技术的发展，硬件电子电路的设计几乎全部可以依靠计算机来完成，这样就大大缩短了硬件电子电路设计的周期，从而使制造商可以快速开发出品种多、批量小的产品，以满足市场的众多需求。EDA教学和产业界的技术推广是当今世界的一个技术热点，EDA技术是现代电子工业中不可缺少的一项技术。2.2 FPGA的简介及特点背景目前以硬件描述语言（Verilog或 VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数

27、学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flipflop）或者其他更加完整的记忆块。 系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。 FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这

28、些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。 CPLD与FPGA的关系早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可以编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。 CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而

29、FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让它可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。 CPLD和FPGA另外一个区别是大多数的FPGA含有高层次的内置模块（比如加法器和乘法器）和内置的记忆体。一个因此有关的重要区别是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或者动态重新配置而改变。一些FPGA可以让设备的一部分重新编辑而其他部分继续正常运行。 FPGA工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Outp

30、ut Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 FPGA的基本特点1）采用FPGA设计ASIC电路(特定用途集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RA

31、M进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。 2.3 VHDL语言及程序概述 VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardwar

32、e Description Language，诞生于 1982 年。1987 年底，VHDL被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。 VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外

33、部分的概念是VHDL系统设计的基本点。 2.3.1 VHDL语言的发展在集成电路制造工艺的发展的过程中，微电子设计工艺已经达到了深亚微米时代，在EDA设计中主要有软硬件协作设计的要求，现有的工具支持SOC设计尚有难度，迫切需要提高设计能力。在设计语言中，由于VHL和Verilog HDL是目前通用的设计语言，在设计大系统时，不够方便直观，所以需要进一步完善。电子产品随着技术的进步，更新换代日新月异，而掌握电子产品开发研制的动力源EDA技术，是我们国家工程技术人员不可推卸的责任，因为中国的设计公司大多还处在发展的初级阶段，所使用的设计工具都是几年前国外的主流工具。2.3.2 VHDL语言的特点V

34、HDL 语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用 , 它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。归纳起来 ,VHDL 语言主要具有以下优点：(1) VHDL 语言功能强大 , 设计方式多样 VHDL 语言具有强大的语言结构, 只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。同时, 它还具有多层次的电路设计描述功能。此外 ,VHDL 语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现, 这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL 语言设计方法灵活多样 , 既支持自顶向下的设计方式, 也支持自底向上的设计方法; 既支持模块化设计方法, 也支持层次化设计方法。 (2

35、) VHDL 语言具有强大的硬件描述能力 VHDL 语言具有多层次的电路设计描述功能，既可描述系统级电路 , 也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。同时，VHDL 语言也支持惯性延迟和传输延迟，这样可以准确地建立硬件电路的模型。VHDL 语言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据类型。VHDL 语言既支持标准定义的数据类型，也支持用户定义的数据类型，这样便会给硬件描述带来较大的自由度。 (3) VHDL 语言具有很强的移植能力 VHDL 语言很强的移植能力主要体现在: 对于同一个硬件电路的 VHDL 语言描述 , 它可以从一个

36、模拟器移植到另一个模拟器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或者从一个工作平台移植到另一个工作平台上去执行。 (4) VHDL 语言的设计描述与器件无关 采用 VHDL 语言描述硬件电路时, 设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化, 而不需要考虑其他的问题。当硬件电路的设计描述完成以后 ,VHDL 语言允许采用多种不同的器件结构来实现。 (5) VHDL 语言程序易于共享和复用 VHDL 语言采用基于库 ( library) 的设计方法。在设计过程中 , 设计人员可以建立各种可再次利用的模块 , 一个大规模的硬件电路的设计不可能从门级

37、电路开始一步步地进行设计 , 而是一些模块的累加。这些模块可以预先设计或者使用以前设计中的存档模块, 将这些模块存放在库中 , 就可以在以后的设计中进行复用。 由于 VHDL 语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言 , 因此它可以使设计成果在设计人员之间方便地进行交流和共享, 从而减小硬件电路设计的工作量, 缩短开发周期。2.3.3 VHDL语言程序的基本结构实体（Entity结构体(Architecture) 包集合(Package)配(Configuration) 库(Library)2.4状态机的简介关于状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形，由一组节点和一组相应

38、的转移函数组成。状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前” 节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回“下一个”（也许是同一个）节点。这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态， 状态机停止。包含一组状态集（states）、一个起始状态（start state）、一组输入符号集（alphabet）、一个映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数（transition function）的计算模型。当输入符号串，模型随即进入起始状态。它要改变到新的状态，依赖于转换函数。在有限状态机中，会有有许多变量，例如，状态 机有很多与动作（actions）转换(M

39、ealy机)或状态（摩尔机）关联的动作，多重起始状态，基于没有输入符号的转换，或者指定符号和状态（非定有 限状态机）的多个转换，指派给接收状态（识别者）的一个或多个状态，等等。 传统应用程序的控制流程基本是顺序的：遵循事先设定的逻辑，从头到尾地执行。很少有事件能改变标准执行流程；而且这些事件主要涉及异常情况。“命令行实用程序”是这种传统应用程序的典型例子。 另一类应用程序由外部发生的事件来驱动换言之，事件在应用程序之外生成，无法由应用程序或程序员来控制。具体需要执行的代码取决于接收到的事件，或者它 相对于其他事件的抵达时间。所以，控制流程既不能是顺序的，也不能是事先设定好的，因为它要依赖于外部

40、事件。事件驱动的GUI应用程序是这种应用程序的典 型例子，它们由命令和选择（也就是用户造成的事件）来驱动。 Web应用程序由提交的表单和用户请求的网页来驱动，它们也可划归到上述类 别。但是，GUI应用程序对于接收到的事件仍有一定程度的控制，因为这些事件要依赖于向用户显示的窗口和控件，而窗口和控件是由程序员控制的。Web应用 程序则不然，因为一旦用户采取不在预料之中的操作（比如使用浏览器的历史记录、手工输入链接以及模拟一次表单提交等等），就很容易打乱设计好的应用程序逻辑。 显然，必须采取不同的技术来处理这些情况。它能处理任何顺序的事件，并能提供有意义的响应即使这些事件发生的顺序和预计的不同。有限

41、状态机正是为了满足这方面的要求而设计的。 有限状态机是一种概念性机器，它能采取某种操作来响应一个外部事件。具体采取的操作不仅能取决于接收到的事件，还能取决于各个事件的相对发生顺序。之所以能 做到这一点，是因为机器能跟踪一个内部状态，它会在收到事件后进行更新。为一个事件而响应的行动不仅取决于事件本身，还取决于机器的内部状态。另外，采取 的行动还会决定并更新机器的状态。这样一来，任何逻辑都可建模成一系列事件/状态组合。 状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。这样的归纳，主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。详解如下： 现态：是指当前所处

42、的状态。 条件：又称为“事件”。当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。 动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。 次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。第3章 设计功能与要求3.1电梯简要说明利用VHDL语言完成一个3层自动升降的电梯的控制电路，控制电路遵循方向优先原则控制电梯完成多层的载客服务，同时指示电梯运行情况和电梯所在楼层。3.2电梯控制器的任务和要求1、每层电梯入口处设有上、下请

43、求开关，使用者可以根据自身的上下楼需要按下相应按键；电梯内部设有到达楼层按钮，使用者可以选择到达楼层。2、设有电梯运行模式（上、下）标识和当前所在楼层标识。3、电梯运行模式等同于普通电梯运行模式，电梯一般按照提出请求的先后顺序进行响应。程序根据电梯当前位置和使用者所在楼层以及进入电梯后的要求控制运行状态。4、电梯初始模式为一层关门状态。3.3电梯控制器的设计思路本系统的主要输入有电梯外上下控制按钮Button（其中Button(0)表示一楼电梯外上升请求，Button(1)表示二楼电梯外上升请求， Button(2)表示二楼电梯外下降请求， Button(3)表示三楼电梯外下降请求）；电梯内到

44、达楼层控制按钮floor（其中floor(0)表示请求到达一层， floor(1)表示请求到达二层， floor(2)表示请求到达三层）。系统的输出包括电梯位置标识position，表示电梯当前所在楼层；电梯开门关门显示按钮door（当door=1时表示开门，door=0表示关门）；电梯当前运行状态按钮up_down（当up_down=1时表示电梯处于上升状态，当up_down=0时表示电梯处于下降状态）。系统主要通过当前所在楼层以及运行状态、后续请求判断运行方式。电梯处在第一层时，当它收到二层电梯外上下楼请求、三层电梯外下楼请求、一层电梯内到达二层和三层请求时，电梯会按照指令上升到相应楼层并

45、开门、关门；若收到一层电梯外上楼请求只做开门响应，随后根据使用者进入电梯后请求进行响应；其他请求不响应。当电梯处在第二层时，若系统收到二层电梯外上下楼请求只做开门响应；若收到三层电梯外下楼或二层电梯内到达三层请求，则做上楼响应、开门；若收到一层电梯外上楼或二层电梯内到达一层请求，则做下楼楼响应并开门；其他请求不响应。当电梯处在第三层时，若它收到二层电梯外上下楼请求、一层电梯外上楼请求、电梯内到达二层和一层请求时，电梯会按照指令下降到相应楼层并开门、关门；若收到三层电梯外下楼请求只做开门响应，随后根据使用者进入电梯后请求进行响应；其他请求不响应。若电梯正处在上升状态中收到外部请求，则只响应比当前

46、所在楼层高的楼层的请求，到达需要到达最高楼层时再响应低层请求。若电梯正处在下降状态中收到外部请求，则只响应比当前所在楼层低的楼层的请求，到达需要到达最低楼层时再响应高层请求。3.4电梯处于各楼层是的分析处于一楼时，不管是电梯内或电梯外，电梯都只可能接收到上升的请求信号。此时，电梯就进入预上升状态，准备作上升运行，如果电梯没有接收到请求信号，电梯则在一楼待机。处于二楼时，电梯则可能出现三种情况：1.电梯并没有接受到电梯内或电梯外的任何请求信号时，电梯则停留在当前楼层。2.电梯接收到上升请求信号，进入预上升状态。3.电梯接收到下降请求信号，进入预下降状态。处于最高层时，不管电梯内或电梯外电梯都只可能接收到下降的请求信号。此时，电梯就进入预下降状态，准备作下降运行。如果电梯没有接收到请求信号，电梯则停留在最高层。如图所示：图3-1 处于一楼 图3-2 处于二楼