项目三 电梯控制器设计（FPGA综合应用设计）
(一个很简陋的电梯控制器设计，但是应该可以过关了吧？️)
项目三 电梯控制器设计
- 实验目的
- 实验内容
- 实验方法及原理介绍
- 下面给出完整的代码实现：
-
- scan_led_hex_disp模板:
- debounce_button模板:
- Elevator模板：
- 引脚分配文件：
- 上板实验效果：
实验目的
通过实验，巩固有限状态机设计方法，并设计实现一个电梯控制器。
实验内容
利用 BASYS 开发板资源设计一个 5 层楼的电梯控制器系统，并能在开发板上
模拟电梯运行状态，具体要求如下：
- 利用开发板的 5 个按键作为电梯控制器的呼叫按钮；
- 利用 led 灯分别显示楼层 1~5 的呼梯状态；
- 利用数码管显示电梯运行时电梯所在楼层；
- 利用时钟分频设计电梯控制器控制电梯每秒运行一层。
实验方法及原理介绍
-
电梯控制器系统控制流程图（电梯厢内视角）
-
系统输入/输出变量
对于一个系统，首先需要一个时钟输入，设为 clk；按键输入，设为btn；数码管显示输出设为 seg；叫梯楼层状态灯输出，设为 nfloor。 -
按键设计
- 本实验使用板上 5 个按键按钮模拟电梯的叫梯按键，1 层按键为 BTNU，2 层按键为 BTNL，3 层按键为 BTNC，4 层按键为 BTNR，5 层按键为 BTND。所以，定义一个 5 位按键寄存器 btn_pre_re，同时考虑到防抖（按键按下去和松开会产生抖动现象会影响到我们的操作），在对按键寄存器进行赋值的时候要注意时间延时。
- 对于电梯按键，当没有叫梯时，按键相应的 LED 指示灯应处于熄灭状态；当有叫梯时，按键相应的 LED 指示灯应处于点亮状态；当在某一层已经叫梯，但是由于某种原因发现所叫梯不是自己想要的梯层时，能够取消此层的叫梯状态。
- 防抖设计为每 200ms 读取一次叫梯按键信息，因此需要生成一个周期为 200ms 的时钟信号，程序代码如下：
parameter N=99_999999;
always@(posedge clk)
begin
clk_200ms<=0;
if(count<N/5)
count<=count+1;
else
begin
count<=0;
clk_200ms<=1;
end
end
- 叫梯按键赋值程序如下：
reg [4:0]btn_pre_re,btn_off;
always@(posedge clk_200ms)
begin
btn_pre_re=btn_pre_re^btn;
btn_pre_re=btn_pre_re&btn_off;
end
- 需要注意的是，重复进行叫梯按键操作，可以进行叫梯或取消叫梯服务，因此使用了一个异或代码（请自行画出电路图）。
- 显示设计
电梯控制器包括两种显示，即数码管显示电梯所在楼层和 LED 灯显示所叫楼层服务。
下面给出完整的代码实现：
scan_led_hex_disp模板:
实现“电梯控制器包括两种显示，即数码管显示电梯所在楼层和 LED 灯显示所叫楼层服务”。
`timescale 1ns / 1ps
module scan_led_hex_disp(clk,reset,btn,an,sseg,current_floor,Floor_call_state_output);
parameter n = 5;
input clk;
input reset;
input [n-1:0] btn; //第一个数码管显示的数字：电梯叫梯楼层
//input [3:0] dp_in, //小数点控制
output reg [3:0] an; //片选,使能端
output reg [7:0] sseg; //段选
output [n-1:0] current_floor;
output [n-1:0] Floor_call_state_output; //第一个数码管显示的数字：电梯所在楼层
wire stop;
localparam N = 18; //使用低16位对50Mhz的时钟进行分频(50MHZ/2^16)
reg [N-1:0] regN; //高两位作为控制信号，低16位为计数器，对时钟进行分频
reg [n-1:0] hex_in; //段选控制信号
always@(posedge clk, posedge reset)
begin
if(reset)
regN <= 0;
else
regN <= regN + 1;
end
reg dp;
debounce_button u2(.clk(clk),.rst(reset),.key(btn),.key_pulse(),.current_floor(current_floor),.Floor_call_state_output(Floor_call_state_output),.stop(stop));
always@ *
begin
case(regN[N-1:N-2])
2'b00:begin
an = 4'b0111; //选中第1个数码管
hex_in = current_floor; //数码管显示的数字由hex_in控制，显示current_floor：电梯所在楼层
dp = ~stop; //控制该数码管的小数点的亮灭
end
2'b01:begin
an = 4'b0111; //选中第二个数码管
hex_in = current_floor;//数码管显示的数字由hex_in控制，显示current_floor；电梯所在楼层
dp = ~stop;
end
2'b10:begin
an = 4'b1110;//选中第三个数码管
hex_in = Floor_call_state_output;//数码管显示的数字由hex_in控制，显示Floor_call_state_output,也就是电梯叫梯的楼层；
dp = 1;
end
default:begin
an = 4'b1110;//选中第四个数码管
hex_in = Floor_call_state_output;//数码管显示的数字由hex_in控制，显示Floor_call_state_output,也就是电梯叫梯的楼层；
dp = 1;
end
endcase
end
always@ *
begin
case(hex_in)
5'b00000: sseg[6:0] = 7'b0000001; //共阳极数码管
5'b00001: sseg[6:0] = 7'b1001111;
5'b00010: sseg[6:0] = 7'b0010010;
5'b00100: sseg[6:0] = 7'b0000110;
5'b01000: sseg[6:0] = 7'b1001100;
5'b10000: sseg[6:0] = 7'b0100100;
default: sseg[6:0] = 7'b1111111;
endcase
sseg[7] = dp; //控制小数点，小数点亮，代表电梯停止移动了；不亮，则是电梯上移动或者下移
end
endmodule
debounce_button模板:
实现“按键消抖”。
本实验使用板上 5 个按键按钮模拟电梯的叫梯按键，1 层按键为 BTNU，2 层按键为 BTNL，3 层按键为 BTNC，4 层按键为 BTNR，5 层按键为 BTND。所以，定义一个 5 位按键寄存器 key_pulse，同时考虑到防抖（按键按下去和松开会产生抖动现象会影响到我们的操作），在对按键寄存器进行赋值的时候要注意时间延时。
最后，实现了“对于电梯按键，当没有叫梯时，按键相应的 LED 指示灯应处于熄灭状态；当有叫梯时，按键相应的 LED 指示灯应处于点亮状态；当在某一层已经叫梯，但是由于某种原因发现所叫梯不是自己想要的梯层时，能够取消此层的叫梯状态”。
`timescale 1ns / 1ps
module debounce_button (clk,rst,key,key_pulse,current_floor,Floor_call_state_output,stop);
parameter N = 5; //要消除的按键的数量
input clk;
input rst;
input [N-1:0] key; //输入的按键
output [N-1:0] key_pulse; //按键动作产生的脉冲
output [N-1:0] current_floor;
output [N-1:0] Floor_call_state_output;
output stop;
reg [N-1:0] key_pulse;
reg [N-1:0] key_rst_pre; //定义一个寄存器型变量存储上一个触发时的按键值
reg [N-1:0] key_rst; //定义一个寄存器变量储存储当前时刻触发的按键值
wire [N-1:0] key_edge; //检测到按键由高到低变化是产生一个高脉冲
//利用非阻塞赋值特点，将两个时钟触发时按键状态存储在两个寄存器变量中
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if (rst) begin
key_rst <= {N{1'b1}}; //初始化时给key_rst赋值全为1，{}中表示N个1
key_rst_pre <= {N{1'b1}};
end
else begin
key_rst <= key; //第一个时钟上升沿触发之后key的值赋给key_rst,同时key_rst的值赋给key_rst_pre
key_rst_pre <= key_rst; //非阻塞赋值。相当于经过两个时钟触发，key_rst存储的是当前时刻key的值，key_rst_pre存储的是前一个时钟的key的值
end
end
assign key_edge = key_rst_pre & (~key_rst);//脉冲边沿检测。当key检测到下降沿时，key_edge产生一个时钟周期的高电平
reg [17:0] cnt; //产生延时所用的计数器，系统时钟12MHz，要延时20ms左右时间，至少需要18位计数器
//产生20ms延时，当检测到key_edge有效是计数器清零开始计数
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if(rst)
cnt <= 18'h0;
else if(key_edge)
cnt <= 18'h0;
else
cnt <= cnt + 1'h1;
end
reg [N-1:0] key_sec_pre; //延时后检测电平寄存器变量
reg [N-1:0] key_sec;
//延时后检测key，如果按键状态变低产生一个时钟的高脉冲。如果按键状态是高的话说明按键无效
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if (rst)
key_sec <= {N{1'b1}};
else if (cnt==18'h3ffff)
key_sec <= key;
end
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if (rst)
key_sec_pre <= {N{1'b1}};
else
key_sec_pre <= key_sec;
end
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if (rst)
key_pulse <= {N{1'b0}};
else
begin
/*按键被按下后，存在一个时钟周期：key_sec_pre[x]=1和key_sec[x]=0。这时，key_pulse[x]<= ~key_pulse[x]，反转一下。
实现要求中的“重复进行叫梯按键操作，可以进行叫梯或取消叫梯服务” */
if(~key_sec_pre[4] & key_sec[4])
key_pulse[4] <= ~key_pulse[4];
if(~key_sec_pre[3] & key_sec[3])
key_pulse[3] <= ~key_pulse[3];
if(~key_sec_pre[2] & key_sec[2])
key_pulse[2] <= ~key_pulse[2];
if(~key_sec_pre[1] & key_sec[1])
key_pulse[1] <= ~key_pulse[1];
if(~key_sec_pre[0] & key_sec[0])
key_pulse[0] <= ~key_pulse[0];
end
end
Elevator u1(
.clk(clk), .rst(rst),.Floor_call_state(key_pulse),.current_floor(current_floor),.Floor_call_state_output(Floor_call_state_output),.stop(stop)
);
endmodule
Elevator模板：
实现“利用时钟分频设计电梯控制器控制电梯每秒运行一层”。
`timescale 1ns / 1ps
module Elevator(
clk, rst,Floor_call_state,current_floor,Floor_call_state_output,stop
);
input clk;
input rst;
input [4:0] Floor_call_state; //输入的按键
output reg [4:0] current_floor;
output reg [4:0] Floor_call_state_output;
output reg stop;
integer k;
reg [30:0] cnt=30'b0;
parameter M=100000000; //1s=1000000000ns
reg clk_out=0;
initial begin
stop=1;
Floor_call_state_output=5'b00001;
current_floor=5'b00001;
end
//时钟分频器：每过1s，clk_out=~clk_out。实现“每一秒钟，电梯移动一层”。
always @(posedge clk)
begin
if(rst)
begin
clk_out=0;
end
//从0开始计时的，所以cnt==M-1，一个循环是 1s
if (cnt==M-1)
begin
clk_out=~clk_out;
cnt=0;
end
else
begin
clk_out=0; //每次重新开始，都使 clk_out=0。好在cnt==M-1时，clk_out=~clk_out，产生clk_out的上升沿，
cnt=cnt+1'd1;
end
end
//当Floor_call_state发证变化，或者rst发生变化时，将Floor_call_state赋给Floor_call_state_output。
always @(*/*Floor_call_state,rst,current_floor,Floor_call_state_output*/)
begin
if(rst)
begin
Floor_call_state_output=5'b00001;
end
else
begin
Floor_call_state_output=Floor_call_state;
end
end
always @(posedge clk_out or posedge rst)
begin
if(rst)
begin
stop=1;
current_floor=5'b00001;
end
else if(Floor_call_state_output!=5'b00000)
begin
stop=0;
if(current_floor<Floor_call_state_output) //电梯所在楼层 低于 叫梯，就上升
current_floor={current_floor[3:0],current_floor[4]};
else if(current_floor>Floor_call_state_output) //电梯所在楼层 高于 叫梯，就下降
current_floor={current_floor[0],current_floor[4:1]};
else
stop=1;
end
else
begin
stop=1;
end
end
endmodule
引脚分配文件：
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {an[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {an[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {an[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {an[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {Floor_call_state_output[4]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {Floor_call_state_output[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {Floor_call_state_output[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {Floor_call_state_output[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {Floor_call_state_output[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {btn[4]}]
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set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {current_floor[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sseg[7]}]
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set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sseg[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sseg[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports reset]
set_property PACKAGE_PIN W4 [get_ports {an[3]}]
set_property PACKAGE_PIN V4 [get_ports {an[2]}]
set_property PACKAGE_PIN U4 [get_ports {an[1]}]
set_property PACKAGE_PIN U2 [get_ports {an[0]}]
set_property package_pin W18 [get_ports {Floor_call_state_output[4]}]
set_property PACKAGE_PIN U17 [get_ports {btn[4]}]
set_property package_pin V19 [get_ports {Floor_call_state_output[3]}]
set_property PACKAGE_PIN T17 [get_ports {btn[3]}]
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set_property package_pin E19 [get_ports {Floor_call_state_output[1]}]
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set_property package_pin U16 [get_ports {Floor_call_state_output[0]}]
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set_property PACKAGE_PIN W7 [get_ports {sseg[6]}]
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set_property PACKAGE_PIN V5 [get_ports {sseg[1]}]
set_property PACKAGE_PIN U7 [get_ports {sseg[0]}]
set_property PACKAGE_PIN V7 [get_ports {sseg[7]}]
set_property PACKAGE_PIN W5 [get_ports clk]
set_property PACKAGE_PIN R2 [get_ports reset]
- 上板子的逻辑可以这么想：最初电梯在1楼，叫梯为0楼（不叫梯）；然后按下叫梯的楼层“2楼”，(2-1)s后，电梯运行到2楼，自动开门上人，然后再按下“2楼”，关门；接下来再按下想要去的楼层，重复以上操作。
- 左边的七段数码管显示当前电梯所在楼层。
- 右边的七段数码管显示当前叫梯楼层。（当前的代码，只能一层一层的叫梯，即叫完一梯后，要再按一次该梯，取消当前叫梯后，才能叫下一梯）
上板实验效果：
当按下“5楼”叫梯，5s后：