六层电梯控制系统 Verilog Quartus

名称：六层电梯控制系统 Verilog Quartus

软件：Quartus

语言：Verilog

开发板/平台：Cyclone IV FPGA开发板

功能介绍

该工程实现一个六层电梯控制系统，支持 1~6 层轿厢内选层，以及 1~5 层上行外呼和 2~6 层下降外呼。系统对按键进行同步、边沿检测和楼层编码，分别锁存各类请求，并按照当前楼层与运行方向安排后续状态。 顶层 elevator 集成运行控制、数码管楼层显示、方向状态 LED、开门/关门指示和蜂鸣器报警。forbid、故障、超重及障碍物输入可使电梯暂停运行，适合用于 FPGA 电梯控制、有限状态机和多模块 Verilog 工程学习。

运行环境

Verilog HDL，使用 Quartus 工程文件进行编译与配置，顶层模块为 elevator。工程包含 .qpf、.qsf、v4_pins.qsf 等项目与管脚分配文件，目标硬件为 Cyclone IV FPGA 开发板。

设计思路

系统采用分层模块化的 Verilog 设计，将按键输入、请求锁存、运行控制、状态机、楼层译码、时钟分频和报警功能拆分实现。外部上升与下降请求分别由 up_manager、down_manager 管理，轿厢内选层请求由 st_manager 锁存；key_logic 将低有效独立按键转换为楼层编码和请求脉冲，便于复用既有请求处理接口。 顶层通过 nextgen 根据当前楼层、运行方向和三类请求生成次态，再由 statemachine 保存电梯运行状态。divider 将系统时钟转换为电梯运行所需的慢速时钟，并把禁止运行、故障、超重和障碍物条件统一纳入暂停控制。position 与 pos_decoder 配合完成楼层显示，alarm、open_led、close_led 和 led 输出用于反映报警、开关门及运行方向状态。

模块结构

顶层模块为 elevator，主要由 key_logic、divider、up_manager、down_manager、st_manager、nextgen、statemachine、pos_decoder、state_decoder 和 alarm 等模块组成。key_logic 负责按键脉冲与楼层编码，三个 manager 模块负责不同来源的请求锁存和清除，nextgen 与 statemachine 完成状态转移控制。 工程同时包含 tb_elevator 测试平台，以及楼层译码、状态译码和时钟分频等配套模块。部分工程版本还集成 ap3216c_if、ap3216c 与 i2c_dri 接口模块，可结合项目目录中的源码进行扩展和学习。

开发板验证

工程配套 Cyclone IV FPGA 开发板的管脚约束与分配文件，可用于完成上板连接与验证。顶层模块提供系统时钟、复位、上下行外呼按键、轿厢内选层按键、故障、超重和障碍物输入，并输出楼层数码管、运行状态 LED、开关门指示及蜂鸣器信号。故障、超重或检测到障碍物时，系统可暂停电梯运行并配合报警逻辑进行状态提示。

演示视频

提供上板演示视频和演示视频，用于观察六层电梯控制系统的按键请求、楼层运行、状态指示、开关门显示及报警输出等实际演示过程。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

配套设计文档包含工程文件说明、程序编译、RTL 图、管脚分配、传感器连接关系，以及整体仿真图和按键处理、分频器、上升请求、下降请求、轿厢内请求、次态生成、状态机、楼层译码和报警模块说明。文档图片可用于配合源码理解模块连接和控制流程。

部分代码

以下展示顶层模块 elevator 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

module elevator (
    input        SYSCLKOUT,       // 系统时钟（例如 50MHz）
    input        forbid,          // 禁止运行信号，高电平时电梯停止（时钟被屏蔽）
    input        reset,           // 异步复位按键，高电平有效
    input  [4:0] up_key_n,        // 楼层外部上升请求按键，低电平表示按下，对应 1~5 层
    input  [4:0] down_key_n,      // 楼层外部下降请求按键，低电平表示按下，对应 2~6 层（1 楼无下降键）
    input  [5:0] in_key_n,        // 轿厢内部楼层请求按键，低电平表示按下，对应 1~6 层
    input        fault_sw,        // 故障拨码开关，高电平表示有故障
    input        overload_sw,     // 超重拨码开关，高电平表示超重
    input        obstacle_sw,     // 障碍物拨码开关，高电平表示检测到障碍物

    output [5:0] en,              // 数码管位选，固定 6'b111110（低电平选中一位）
    output [6:0] pos_out,         // 当前楼层显示输出到数码管
    output [5:0] led,             // 状态 LED 显示：上行或下行，低电平点亮
    output       open_led,        // 开门指示 LED，低电平点亮
    output       close_led,       // 关门指示 LED，低电平点亮
    output       beep             // 蜂鸣器输出，报警时为方波
);

    // 内部连接信号定义
    wire       CLKOUT;            // 分频后的慢速时钟（约 0.5Hz）
    wire [5:0] position;          // 电梯当前位置（独热码，一位表示一层）
    wire [5:0] posout;            // 用于显示的楼层位置
    wire [1:0] updnflag;          // 电梯运行方向标志
    wire [5:0] currentstate;      // 电梯当前状态（由状态机输出）
    wire [5:0] nextstate;         // 电梯次态（由组合逻辑 nextgen 产生）
    wire [2:0] count;             // OPENWAIT 状态计数值

    // 内部请求信号：仍然使用 6 位向量表示 1~6 楼的请求
    wire [5:0] up_request;        // 锁存的上升方向外呼请求
    wire [5:0] down_request;      // 锁存的下降方向外呼请求
    wire [5:0] st_request;        // 锁存的轿厢内楼层请求

    // 来自按键信号处理模块的输出：
    // 为了复用原有的 up_manager / down_manager / st_manager 接口，
    // 将独立按键转换为“按键脉冲 + 楼层编码”的形式。
    wire       up_button;        // 上升请求脉冲
    wire       down_button;      // 下降请求脉冲
    wire       request_button;   // 车内楼层请求脉冲
    wire [2:0] floorsel_up;      // 上升请求使用的楼层编码
    wire [2:0] floorsel_down;    // 下降请求使用的楼层编码
    wire [2:0] floorsel_in;      // 车内楼层请求使用的楼层编码

    // 数码管位选：固定点亮 1 位，低电平选中
    assign en = 6'b111110;

    // 按键处理模块：
    // 在独立按键基础上完成同步、消抖（简化为边沿检测）和楼层编码。
    key_logic k1 (
        .SYSCLKOUT     (SYSCLKOUT),
        .reset         (reset),
        .up_key_n      (up_key_n),
        .down_key_n    (down_key_n),
        .in_key_n      (in_key_n),
        .up_button     (up_button),
        .down_button   (down_button),
        .request_button(request_button),
        .floorsel_up   (floorsel_up),
        .floorsel_down (floorsel_down),
        .floorsel_in   (floorsel_in)
    );

    // 分频器模块：
    // 将高速系统时钟 SYSCLKOUT 分频得到慢速时钟 CLKOUT。
    // forbid_eff 为 1 时，输出时钟被屏蔽，相当于电梯暂停运行。
    // 这里将 forbid、障碍物、故障、超重四种情况统一视为“暂停”条件。
    wire forbid_eff = forbid | obstacle_sw | fault_sw | overload_sw;
    divider d1 (
        .SYSCLKOUT (SYSCLKOUT),
        .forbid    (forbid_eff),
        .CLKOUT    (CLKOUT)
    );

    // 上升请求处理模块：
    // 接收各楼层的上升外呼请求，并根据当前状态、方向等在适当时机清除请求
    up_manager u1 (
        .reset        (reset),
        .st_request   (st_request),
        .down_request (down_request),
        .floorsel     (floorsel_up),
        .up_button    (up_button),
        .position     (position),
        .currentstate (currentstate),
        .up_request   (up_request),
        .updnflag     (updnflag)
    );

    // 下降请求处理模块：
    // 接收各楼层的下降外呼请求，并根据当前状态、方向等在适当时机清除请求
    down_manager d2 (
        .reset        (reset),
        .st_request   (st_request),
        .up_request   (up_request),
        .floorsel     (floorsel_down),
        .down_button  (down_button),
        .position     (position),
        .currentstate (currentstate),
        .down_request (down_request),
        .updnflag     (updnflag)
    );

    // 轿厢内楼层请求处理模块：
    // 根据车内楼层请求按键 in_key_n 的“按下沿”编码为 floorsel_in，
    // 锁存车内请求，当电梯在某层开门时自动清除该层请求
    st_manager s1 (
        .reset          (reset),
        .floorsel       (floorsel_in),
        .request_button (request_button),
        .position       (position),
        .currentstate   (currentstate),
        .st_request     (st_request)
    );

    // 次态生成模块：
    // 根据当前状态、当前楼层位置以及三种请求信号，按照“方向优先”原则
    // 计算电梯下一时刻应该处于的状态 nextstate
    nextgen n1 (
        .up_request   (up_request),
        .down_request (down_request),
        .st_request   (st_request),
// ... 以下代码略，完整源码请下载压缩包查看

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