数电课设报告.docx

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数电课设报告

数字电路与逻辑设计

课程设计报告

题目：

电梯控制器的设计与实现

专业：

班级：

学号：

姓名：

电话：

邮件：

分组：

完成日期：

指导教师：

团队成员：

姓名

班级

学号

贡献百分比

实验部分完成情况

（亮点、完成、基本完成、未完成、时间）

总分：

实验部分70%+

报告30%）

检查老师签名：

1课程设计概述

1.1课设目的

通过硬件描述语言VHDL的编程，深入了解并掌握可编程芯片PLD的设计技术，加强学生对《数字逻辑》课程所学知识综合利用的能力。

培养学生创造性思维能力和独立解决实际问题的能力。

1.2课设要求

（1）能够全面地应用课程中所学的基本理论和基本方法，完成从设计逻辑电路到设计简单数字系统的过渡。

（2）能力独立思考、独立查阅资料，独立设计规定的系统。

（3）能够独立地完成实施过程，包括安装、布线、测试和排除故障。

1.3课设任务

（1）制定出详细设计方案；

（2）通过VerilogHDL完成规定的设计任务，然后进行编译和仿真，保证设计的正确性；

（3）生成容丝图文件，下载到Basys2开发板，通过实际线路进行验证；

（4）对复杂系统的设计采取模块化、层次化的设计方法；

（5）撰写设计报告，并对存在的问题进行分析、提出改进意见。

1.4实验环境

开发环境ISEProjectNavigator:

ISE是使用XILINX的FPGA的必备的设计工具。

目前官方提供下载的最新版本是14.4。

它可以完成FPGA开发的全部流程，包括设计输入、仿真、综合、布局布线、生成BIT文件、配置以及在线调试等，功能非常强大。

ISE除了功能完整，使用方便外，它的设计性能也非常好，拿ISE9.x来说，其设计性能比其他解决方案平均快30%，它集成的时序收敛流程整合了增强性物理综合优化，提供最佳的时钟布局、更好的封装和时序收敛映射，从而获得更高的设计性能。

先进的综合和实现算法将动态功耗降低了10%。

Basys2开发板：

Basys2开发板是一个电路设计实现平台，任何人都可以通过它来搭建一个真正的数字电路。

Basys2是围绕着一个XilinxSpartan-3EFPGA芯片和一个AtmelAT90USBUSB控制器搭建的，它提供了完整、随时可以使用的硬件平台，并且它适合于从基本逻辑器件到复杂控制器件的各种主机电路。

Basys2板上集成了大量的I/O设备和FPGA所需的支持电路，让用户能够构建无数的设计而不需要其他器件。

用户设计可以不局限于Basys2板本身，还可以通过四个标准的扩展连接口延伸到面包板、用户自定义电路或Pmod模板中。

所有6针接口上的信号都受到ESD和短路保护，从而确保在任何环境中的使用寿命。

Basys2开发板兼容所有版本的XilinxISE工具。

Basys2附带一个用于供电和编程的USB下载线，所以就不需要其他供电器件或编程下载线。

2基本方案设计

2.1设计需求

（1）电源开关同时作为电路总清零信号，当其状态为Off不工作，为On时电梯电路进入工作状态；

（2）电源打开，电源指示灯亮；

（3）电梯门开时，开关门指示灯亮，否则，灭；

（4）电梯上行时，上行指示灯亮，下行指示灯灭；

（5）电梯下行时，下行指示灯亮，上行指示灯灭；

（6）电梯处于某层时，所在楼层的led灯亮，否则灭；

（7）相邻两层运行时间为9s，用一盏Led灯连续闪烁9次表示，并用时间数码管显示倒计时；

（8）电梯初态1、3、6、8楼均可；

（9）电梯可上可下，它到达某楼层开门后有5s的自动关门设置，若在这5s期间，按下关门键，则立刻关门；

（10）楼层显示数码管显示电梯当前所在的楼层，同时计时显示数码管显示楼层间的倒计时，不运行时不显示时间；

（11）电梯处于某层时，可以选择要到达的楼层，但是选择本楼层没有任何反应；

（12）电梯运行原则

原则1：

每个被选择的楼层都要停，然后继续运行；

原则2：

目前运行方向优先，仅当电梯已到达当前设定的最高或最低层后，方能改变设定的运行方向和楼层；

原则3：

当电梯在运行过程中，按开门关门键无反应；

原则4：

当处理完所有的请求之后，电梯停在该层，如果再有请求，遵循就近原则。

2.2总体结构设计

图2-1

将电梯的运行简化为如图2-1的示意模型。

根据模型图，将电梯运行行为分状态进行处理，分为5个状态：

理想状态、上升状态、下降状态、开门状态和关门状态。

根据设计需求将电路分为以下6个模块：

电梯中心控制模块、请求综合模块、数码管译码显示模块、计数模块、楼层LED灯模块和时钟分频模块。

具体运行状态如下图2.2.1所示：

图2.2.1运行状态图

2.2.1时钟分频模块

模块需求：

该模块为时钟分频，共构建三个时钟脉冲，分别为1秒时钟，半秒时钟和显示扫描时钟。

1秒脉冲用于整个运行状态之中，所有模块和状态的改变时间为1秒。

半秒时钟用于9秒倒计时时的灯的闪烁控制，周期为半秒。

显示扫描时钟用于造成视觉延迟，使楼层和时间同时显示。

模块需求：

该模块是为了实现对Basys2开发板的系统时钟进行分频，以满足电路显示所需要的频率。

端口说明：

Inputports：

clk。

为Basys2开发板系统时钟

Outputports：

cp，cp2，cp3。

其中cp为一秒分频时钟，cp2为数码管显示扫描时钟，cp2为倒计时点的半秒闪点时钟。

引脚说明：

NET"clk"TNM_NET=clk；

TIMESPECTS_clk=PERIOD"clk"20nsHIGH50%；

NET"clk"LOC=B8；

2.2.2LED灯显示管理模块

模块需求：

该模块是为了直观的通过LED灯的亮暗来指示电路的运行状态和当前电梯所处在的状态以及楼层。

到达楼层则对应楼层灯亮起；上升和下降各对应一盏灯；开门灯亮关门灭；总开关开启则灯亮。

端口说明及引脚绑定：

Inputports：

总开关（reset），1秒时钟（cp）,下一个状态（next_state），当前显示楼层（led），倒计时综合（tim），开关门键（open_close），5秒计数器（count1），9秒计数器（count2）。

Outputports：

电源灯（light_sum），开关门指示灯（light_5），楼层指示灯（light1，light3，light6，light8），上行指示灯（ligh_up），下行指示灯（light_dw）。

引脚绑定：

NET"light1"LOC=P4；

NET"light3"LOC=N4；

NET"light6"LOC=N5；

NET"light8"LOC=P6；

NET"light_5"LOC=M5；

NET"light_dw"LOC=M11；

NET"light_sum"LOC=G1；

NET"light_up"LOC=P7；

2.2.3数码管显示模块

模块需求：

该模块是为了显示当前电梯所在楼层、电梯运行时所要求的两项倒计时和半秒闪点，倒计时包括楼层间运行时间9s倒计时和开门后5s倒计时。

该模块同时又分为四个数码管位选模块和七段译码器显示模块。

数码管位选模块端口说明及引脚绑定：

Inputports：

数码管选位扫描时钟（cp2），倒计时（tim），当前楼层（led）。

Outputports：

输出数码管编码（dx），时间和楼层输出总汇总参数（dout），所选择的数码管接口（d_tmp_num）。

七段译码器显示模块端口说明及引脚绑定：

Inputports：

输出数码管编码（dx），时间和楼层输出总汇总参数（dout），所选择的数码管接口（d_tmp_num），半秒闪点参数（sec）。

Outputports：

译码器对应的显示编码（q_out）。

引脚绑定：

NET"dx[3]"LOC=F12；

NET"dx[2]"LOC=J12；

NET"dx[1]"LOC=M13；

NET"dx[0]"LOC=K14；

NET"dout[7]"LOC=L14；

NET"dout[6]"LOC=H12；

NET"dout[5]"LOC=N14;

NET"dout[4]"LOC=N11；

NET"dout[3]"LOC=P12；

NET"dout[2]"LOC=L13；

NET"dout[1]"LOC=M12；

NET"dout[0]"LOC=N13；

2.2.4电梯中心控制模块

模块需求：

该模块部分是电梯控制系统的核心部分，它的功能是对请求的一系列回应，不断改变电梯运行状态。

端口说明：

Inputports:

电源开关（reset），5秒计数器（count1），开关门请求（open_close），目的楼层请求（d），下降楼层请求（dw）,上升楼层请求（up），当前楼层编码（now_f），当前模式（state），下一步模式（next_state），半秒时钟（cp3），楼层（led），电梯运行状态（ud_f）。

Outputports：

下一个状态（next_state），当前状态（state），到达当前最高楼层（top），到达当前最低楼层（down），楼层（led），当前楼层编码（now_f），电梯运行状态（ud_f）。

2.2.5请求综合模块

模块需求：

将所有电平信号转为冲激信号，对输入的命令进行综合分析。

Inputports：

所有上行请求（up3，up6，up1），所有下降请求（dw6，dw3，dw8），所有内部目的楼层请求（d1，d3，d6，d8），开关门信号（open_close），电源开关信号（reset）。

Outputports：

上行请求（up），下降请求（dw），目的楼层请求（d）。

引脚绑定：

NET"d1"LOC=A7;

NET"d3"LOC=M4;

NET"d6"LOC=C11;

NET"d8"LOC=G12;

NET"dw3"LOC=F3;

NET"dw6"LOC=B4;

NET"dw8"LOC=K3;

NET"up1"LOC=N3;

NET"up3"LOC=E2;

NET"up6"LOC=G3;

NET"open_close"LOC=P11;

NET"reset"LOC=L3;

NET"reset"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

NET"d1"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

NET"d3"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

NET"d6"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

NET"d8"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

NET"dw3"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

NET"dw6"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

NET"dw8"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

NET"up1"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

NET"up3"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

NET"up6"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

NET"open_close"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;

2.2.6计数模块

模块需求：

该模块用于上行楼层的9秒计数、开门的5秒计数和半秒闪点的计数，最后对于要输出的时间进行汇总输出。

Inputports：

一秒分频信号（cp），开关门信号（opn_close），开关门信号（reset）。

Outputports：

9秒计数器（count2），5秒计数器（count1），倒计时时间汇总（tim），半秒计数（sec）。

2.3详细设计

该体统详细设计如下图2.3.1所示。

时钟分频模块产生实验所需脉冲；外部输入请求通过请求综合模块将所有电平信号转换为脉冲信号，并且将信号整理分类，将请求与楼层编码对应；整理好的请求将在电梯中心控制系统控制电梯的运行状态，根据不同的条件进行不同的变化。

当楼层数到达1、3、6或8层，对应LED灯亮起，同时上行、下行、开关门、电源总开关等均由LED等显示模块控制。

根据不同状态对应不同计数，最终由数码管显示模块控制显示楼层数和时间。

图2.3.1系统总体流程图

2.3.1时钟分频

该模块是为了实现对Basys2开发板的系统时钟进行分频，以满足电路显示所需要的频率。

该模块实现3种不同频率的信号以便实验，分别为1秒信号，半秒信号和数码管扫描信号。

具体设计如下2.3.2所示：

图2.3.2时钟分频流程图

2.3.2LED显示管理模块

该模块管理LED灯，当到达指定状态时对应LED灯亮起。

具体如下图2.3.3所示：

图2.3.3LED灯变化流程图

2.3.3数码管显示模块

该模块控制9秒倒计时、5秒倒计时、楼层数显示和半秒闪点显示。

具体如下图2.3.4所示。

图2.3.4数码管显示流程图

2.3.4电梯中心控制模块

根据命令调整电梯的运行状态，当完成某一状态时刷新命令。

具体如下图2.3.5所示。

图2.3.5电梯中心控制模块流程图

2.3.5请求综合模块

该模块实现对于机械输入请求的综合。

将所有电平请求转换为脉冲信号。

具体流程见下图2.3.6所示。

2.3.6请求综合流程图

2.3.6计数模块

该模块实现9秒计数、5秒计数和半秒闪点的计数，并将其综合至同一量统一输出。

具体流程图如下2.3.7所示。

图2.3.7计数流程图

2.4实验过程与调试

2.4.1仿真结果

主模块有13个输入，16个输出，其中输入依次为：

系统时钟（clk）、电源开关（reset）、内部请求（d1,d3,d6,d8）、外部请求（up1,up3,up6,dw3,dw6,dw8）、开关门键（open_close）；输出依次为:

5秒计时器（count1）、9秒计时器（count2）、楼层灯（light1,light3,light6,light8）、开关门灯（light_5）、电源总开关灯（light_sum）、上行灯（light_up）、下行灯（light_dw）、楼层请求汇总（d,dw,up）、倒计时汇总（tim）、楼层（led）。

为仿真便利，所有时钟周期均对应缩小。

仿真文件如下所示：

moduletest;

//Inputs

regreset;

regclk;

regup3;

regup6;

regup1;

regdw6;

regdw3;

regdw8;

regd1;

regd3;

regd6;

regd8;

regopen_close;

wirelight1;

wirelight3;

wirelight6;

wirelight8;

wirelight_5;

wirelight_up;

wirelight_dw;

wirelight_sum;

wire[7:

0]dout;

wire[3:

0]led,tim;

wire[3:

0]count1;

wire[3:

0]count2;

wire[7:

0]d;

wire[7:

0]dw;

wire[7:

0]up;

//Outputs

//InstantiatetheUnitUnderTest（UUT）

tk1uut（

.reset（reset）,

.clk（clk）,

.up3（up3）,

.up6（up6）,

.up1（up1）,

.dw6（dw6）,

.dw3（dw3）,

.dw8（dw8）,

.d1（d1）,

.d3（d3）,

.d6（d6）,

.d8（d8）,

.light1（light1）,

.light3（light3）,

.light6（light6）,

.light8（light8）,

.light_5（light_5）,

.light_up（light_up）,

.light_dw（light_dw）,

.light_sum（light_sum）,

.open_close（open_close）,

.dout（dout）,

.led（led）,

.tim（tim）,

.count1（count1）,

.count2（count2）,

.up（up）,

.dw（dw）,

.d（d）

）;

alwaysbegin

#1clk=~clk;

end

initialbegin

clk=1;

reset=0;

up1=0;

up3=0;

up6=0;

d1=0;

d3=0;

d6=0;

d8=0;

dw3=0;

dw6=0;

dw8=0;

open_close=0;

//Wait100nsforglobalresettofinish

#45reset=1;

#1reset=0;

//Addstimulushere

end

endmodule数据全部初始化为0，而后电源按键（reset）脉冲一次启动程序，所有数据处于初始化状态，电梯位于1楼。

电梯初始状态仿真图如2.4.1所示。

图2.4.1电梯初始状态仿真测试图

之后外部按键up1，门开，倒计时5秒关门，之后内部按键d3,电梯状态仿真图如下2.4.2所示。

图2.4.2电梯运行仿真测试图

此时电梯处于三楼时，同时又内部请求d8和外部请求dw6，up1。

此时light_up亮，电梯应向上升到6楼开门之后到8楼开门后下降（light_dw亮）至1楼停止，到达对应楼层时灯亮；开门时light_5亮。

电梯运行如下图2.4.3所示。

图2.4.3电梯运行仿真测试图

此时电梯处于一楼，按键up3；当电梯运行至2楼时输入请求d1。

电梯会先处理up3到达3楼，之后返回1楼停止。

到达对应状态时对应灯亮。

电梯运行仿真如下图2.4.4所示。

图2.4.4电梯运行仿真测试图

以上仿真均与理论相符，说明设计正确。

2.4.2主要故障与调试

（1）故障1

问题描述：

某些地方的reset不起初始化作用

问题分析：

在某些always的敏感信号中未加入reset的初始化部分。

解决方法：

在always的敏感信号中加入reset的初始化部分。

（2）故障2

问题描述：

在下降过程中外部输入向上信号或在上升过程中输入向下信号，到达该楼层时也会开门。

问题分析：

在上升和下降状态时没有对信号进行分类处理。

解决方法：

改变写法，让上升请求只能在上升状态下实现，下降请求只能在下降状态下实现。

2.4.3模块内部图

1、主模块

参见图2.4.5，其功能为实现电梯运行总控制。

图2.4.5电梯控制系统顶层模块

输入：

clk:

系统时钟端

reset：

开关键

up3：

上3楼

up6：

上6楼

up1：

上1楼

dw6：

下6楼

dw3：

下3楼

dw8：

下8楼

d1：

到1楼

d3：

到3楼

d6：

到6楼

d8：

到8楼

open_close：

开关门键

输出：

reg[3:

0]count1：

5秒计数器

reg[3:

0]count2：

9秒计数器

reglight_5:

电源灯

light_up:

上升灯

light_dw:

下降灯

light1：

1楼灯

light3:

3楼灯

light6:

6楼灯

light8:

8楼灯

reglight_sum;总开关灯

reg[7:

0]dout:

总输出

reg[7:

0]d:

'到'楼层汇总

reg[7:

0]up:

'上'楼层汇总

reg[7:

0]dw:

'下'楼层汇总

reg[3:

0]led:

楼层

reg[3:

0]tim:

时间汇总

2.5功能测试

2.5.1电源总开关功能测试

按下reset键，light_sum灯亮，楼层处于1楼，时间显示为0。

测试如下图2.5.1所示

图2.5.1电源总开关功能测试

2.5.2电梯控制系统功能测试

当前电梯处于1楼，按下up1键，5秒倒计时开门。

测试如下图2.5.2所示。

图2.5.2开关门功能测试

同时按下up3,d6,dw8键，电梯上升，在3，6，8楼各停一次。

测试结果如下图2.5.3至图2.5.7所示

图2.5.3电梯运行至3楼开门状态图

图2.5.4电梯继续向上运行状态图

图2.5.5电梯运行至6楼开门状态图

图2.5.6电梯继续上升运行状态图

图2.5.7电梯停留在8楼状态图

此时电梯位于8楼，按下dw6键，当楼层显示为7时按下d8,则电梯会先下降到6楼后上升至8楼，最后一直停留在8楼。

测试如下图2.5.8至图2.5.11所示。

图2.5.8电梯下降至7楼状态图

图2.5.9电梯至6楼开门状态图

图2.5.10电梯上升至7楼状态图

图2.5.11电梯停留在8楼状态图

3实验方案的改进意见

3.1设计需求

（1）在实际生活中，电梯的输入都是一次性按键，而给的开发板上使用开关来进行输入，所以开关要做到无论何时关对输入无影响。

（2）将数码管显示更加清晰化，将各显示分开，使不使用的数码管不亮。

3.2改进方案

3.2.1请求综合模块结构设计

将所有电平信号转换为脉冲信号，保证命令的一次性输入。

具体转变如下表3.2.1所示

表3.2.1电平信号转换为脉冲信号

输入

输出

posedgeup1

up1_change=1

posedgeup3

up3_change=1

posedgeup6

up6_change=1

posedgedw3

dw3_change=1

posedgedw6

dw6_change=1

posedgedw8

dw8_change=1

posedged1

d1_change=1

posedged3

d3_change=1

posedged6

d6_change=1

posedged8

d8_change=1

3.2.2数码管显示模块详细设计

该模块将进行数码管的选择显示，是输出更加清晰，符合实际生活。

具体如下图3.2.2所示。

图3.2.2数码管显示模块详细流程

3.3仿真与测试

3.3.1请求综合模块模块仿真

给出仿真程序：

`timescale1ns/