Verilog简易电梯控制系统（2层）

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一、实验项目名称：简易电梯控制系统（2层）

二、实验学时：2

三、设计目标：

1.实现2层楼的简易电梯控制系统。

2.电梯有4个按键。

1楼外只有向上按键（KEY0），2楼外只有向下按键（KEY1），电梯内还有2个按键分别为1楼按键(KEY2)和2楼按键(KEY3）。所有楼层外和电梯内的按键产生的信号作为给电梯的运行请求信号。

3.电梯有4个指示灯（LED0、 LED1 、 LED2 、 LED3）。

LED0: 按下KEY0键,若电梯不在1楼，则LED0亮。

LED1: 按下KEY1键,若电梯不在2楼，则LED1亮。

LED2: 电梯在2楼，按KEY2键, 则LED2亮，电梯到1楼后LED2灭。

LED3: 电梯在1楼，按KEY3键, 则LED3亮，电梯到2楼后LED3灭。

4.有2个数码管，分别显示当前运行状态及楼层。

（1）1个数码管显示当前运行状态，电梯有三个运行状态：待机、上行、下行。

待机：电梯停在1楼或2楼且无请求信号时均为待机状态。

上行状态：电梯停在1楼，有KEY1或KEY3被按下，进入上行状态。

下行状态：电梯停在2楼，有KEY0或KEY2被按下，进入下行状态。

（2）1个数码管显示所在楼层，显示1或2；每一层楼之间的运行时间间隔为5秒。

5.有2个拨码开关。

（1）复位开关。向下拨动后，电梯复位回到1楼。

（2）启动开关。向上拨动后，按键有效，电梯正常工作。

6.增加其它功能后续发布，如能实现有加分：

1.电梯上行时，LED11至LED7五个指示灯从左到右每隔一秒点亮一个；

电梯下行时，LED7至LED11五个指示灯从右到左每个一秒点亮一个。

2.电梯运行到达心楼层时，蜂鸣器发出一声清晰“嘀”声。

3.电梯开始上行或者下行时，在最左边的两个数码管上倒计时显示运行时间4.9~0.0秒，精度为0.1s。到达新楼层时显示0.0秒

4.电梯上行时，楼层显示数码管前4s显示1，后1s显示2；

电梯下行时，楼层显示数码管前4s显示2，后1s显示1。

四、设计方案框图

五、程序代码：

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2022/06/02 19:34:35
// Design Name:
// Module Name: top
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//module top(input clk,input rst_n,input start,input  [3:0] key,output reg [4:0] state_led = 0,output reg buzzer = 1,output reg [3:0] led =0,output  [3:0] row,output  [7:0] data_seg,output  [5:0] data_dig); //--------------------------------------------------------------------------------------------------
//按键相关
assign row = 4'b1110;  //只需要用到最下面一行，不需要按建行扫描
//按键消抖
wire [3:0] key_xd;
ajxd u2 (
.clk  (clk),
.btn_in  ( key),
.rst_n  (rst_n),
.btn_out  (key_xd)
);
//定义四个按键信号，代表按下按键并消抖之后的信号
wire key0,key1,key2,key3;
//按键按下时定义为高电平
assign key0 = ~(key_xd[0]|row[0]);
assign key1 = ~(key_xd[1]|row[0]);
assign key2 = ~(key_xd[2]|row[0]);
assign key3 = ~(key_xd[3]|row[0]);
//--------------------------------------------------------------------------------------------------
/*
每一个按键都对应了一个五秒的计时器，
该计时器检测到按键上升沿信号后开始计时,
计时状态位--status：  1 = 计时中  ；  0 = 计时完成
*/
//四个状态位，分别代表了key0下行，key1上行，key2下行，key3上行状态
wire status_dow0;
wire status_up1;
wire status_dow2;
wire status_up3;
/*
四个按键信号延迟位 key_delay_x    x=0,1,2,3
为了完成"在上行状态时按下KEY0或KEY2下行，电梯到达2楼后立刻下行"这一要求
在计时器中添加了一个按键被按下后的延迟按键信号输出
其功能为：
若处于上行状态中，按下KEY0或KEY2，那么KEY0或KEY2对应的计时器会被触发，但由于
还处于上行状态，无法开启下行状态。于是将等待上行状态完成后模拟一次KEY0或KEY2被
按下的信号。相当于在上行状态结束的一瞬间再按下了KEY0或KEY2一次，以此来达到期望的效果。
在下行状态按下上行按键也同理
*/
wire key_d0;
wire key_d1;
wire key_d2;
wire key_d3;/*
用来记录四个按键是否被按下的信号，其主要作用是点亮按键对应的led灯
当按键被按下对应的flag就会置位为1，后面会用到该信号来点亮按键对应的
led灯
*/
wire flag0;
wire flag1;
wire flag2;
wire flag3;//定义两个楼层
reg lou1,lou2;
//定义5个状态---上行(key1)、上行(key3)、下行(key0)、下行(key2)、待机
reg state_up1,state_up3,state_dow0,state_dow2,state_wait;wire rstout;//实现复位功能需要的中间变量
//当复位键按下，rstout表示产生的脉冲信号maichong u1(clk_1khz,rst_n,rstout );/*
例化计时器模块
*/
count_5 dow_count0 (
.clk  (clk),
.en  ((key0|rstout==0)&(lou2|(~state_wait))&(~led[2])),
.flag  (flag0),
.key_d (key_d0),
.wait1  (status_up1),
.wait2  (status_up3),
.status  (status_dow0)
);count_5 up_count1 (
.clk  (clk),
.en  (key1&(lou1|(~state_wait))&(~led[3])),
.flag  (flag1),
.key_d (key_d1),
.wait1  (status_dow0),
.wait2  (status_dow2),
.status  (status_up1)
);count_5 dow_count2 (
.clk  (clk),
.en  ((key2|rstout==0)&(lou2|(~state_wait))&(~led[0])),
.flag  (flag2),
.key_d (key_d2),
.wait1  (status_up1),
.wait2  (status_up3),
.status  (status_dow2)
);count_5 up_count3 (
.clk  (clk),
.en  (key3&(lou1|(~state_wait))&(~led[1])),
.flag  (flag3),
.key_d (key_d3),
.wait1  (status_dow0),
.wait2  (status_dow2),
.status  (status_up3)
);//--------------------------------------------------------------------------------------------------
/*
楼层及电梯状态判断
*/
//定义5个状态---上行(key1)、上行(key3)、下行(key0)、下行(key2)、待机
//reg state_up1,state_up3,state_dow0,state_dow2,state_wait;
//定义两个楼层
//reg lou1,lou2;
//初始状态：电梯停在一楼，待机状态
initial
begin
lou1 = 1;
lou2 = 0;
state_up1 = 0;
state_up3 = 0;
state_dow0 = 0;
state_dow2 = 0;
state_wait = 1;
end/*
使用计时器状态和楼层状态以及按键被按下的信号做逻辑判断
以此来改变楼层状态位和上下行状态位以及待机状态位
*/
always@(posedge clk)
begin
//    if(rst_n == 0)    //复位，所有状态皆回到初始值
//        begin
//            lou1 = 1;
//            lou2 = 0;
//            state_up1 = 0;
//            state_up3 = 0;
//            state_dow0 = 0;
//            state_dow2 = 0;
//            state_wait = 1;
//        endif (start == 1)   //启动begin                                   if(lou1&(~lou2)&(key_d1|key_d3)) //电梯不处于上行状态且电梯在一楼、KEY1或KEY3被按下，则电梯进入上行状态，跳出待机状态beginif(status_up1 == 1)   beginstate_up1 <= 1;state_wait <= 0;                           endelse if (status_up3 == 1)beginstate_up3 <= 1;state_wait <= 0;                           endend                                else  beginif((status_up1 == 0)&(state_up1 == 1)) //上行状态保持5秒后，status_up1/3置位、上行状态结束、进入待机状态、楼层状态翻转begin    state_up1 <= 0;state_wait <= 1;lou1 <= ~lou1;lou2 <= ~lou2;endelse if((status_up3 == 0)&(state_up3 == 1))begin    state_up3 <= 0;state_wait <= 1;lou1 <= ~lou1;lou2 <= ~lou2;endendif(lou2&(~lou1)&(key_d0|key_d2|(rstout==0))) //电梯不处于下行状态且电梯在二楼、KEY2或KEY0被按下，则电梯进入下行状态，跳出待机状态beginif(status_dow0 == 1)   beginstate_dow0 <= 1;state_wait <= 0;                           endelse if (status_dow2 == 1)beginstate_dow2 <= 1;state_wait <= 0;                           endend                                else  beginif((status_dow0 == 0)&(state_dow0 == 1))   //下行状态保持5秒后，status_dow0/2置位、下行状态结束、进入待机状态、楼层状态翻转begin    state_dow0 <= 0;state_wait <= 1;lou1 <= ~lou1;lou2 <= ~lou2;endelse if((status_dow2 == 0)&(state_dow2 == 1))begin    state_dow2 <= 0;state_wait <= 1;lou1 <= ~lou1;lou2 <= ~lou2;endend                end
end
点亮LED灯
*/
always@(posedge clk )
beginif(rst_n == 1'b0)   //resetbeginled <= 0;endelseif(start == 1)  //startbeginled[0] <=  (status_dow0&(~status_dow2)&(lou2&(~lou1)))|((state_up1|state_up3)&flag0);led[1] <=  (status_up1&(~status_up3)&(lou1&(~lou2)))|((state_dow0|state_dow2)&flag1);led[2] <=  (status_dow2&(~status_dow0)&(lou2&(~lou1)))|((state_up1|state_up3)&flag2);led[3] <=  (status_up3&(~status_up1)&(lou1&(~lou2)))|((state_dow0|state_dow2)&flag3);end
end//--------------------------------------------------------------------------------------------------
/*
这里使用的是共阴极数码管，若为共阳极数码管则只需要改动数码管相关的一些代码
调用数码管动态显示模块控制数码管的显示
用两个七段（八段）数码管，一个显示楼层数字，一个显示上行、下行、待机状态。
上行用数码管a亮其他灭表示；待机用数码管g亮其他灭表示；下行用数码管d亮其他灭表示。
*/
reg [6:0] data_seg0;  //运行状态显示
reg [6:0] data_seg1;  //当前楼层显示
seg_scan  scan (
.clk  (clk),
.data_seg0  (data_seg1),
.data_seg1  (data_seg0),
.data_seg  (data_seg),
.data_dig  (data_dig)
);
//定义一个数码管状态变量，方便用数码管显示状态
wire [6:0] status_seg ;
assign status_seg = {lou1,lou2,state_up1,state_up3,state_dow0,state_dow2,state_wait};
always@(posedge clk)
begincase(status_seg)    7'b1000001:     //1楼待机begindata_seg0 <= 7'b1000000;data_seg1 <= 7'b0000110;end7'b1010000:    //1楼上行--status_up1--KEY1被按下begindata_seg0 <= 7'b0000001;data_seg1 <= 7'b0000110;end7'b1001000:    //1楼上行--status_up3--KEY3被按下begindata_seg0 <= 7'b0000001;data_seg1 <= 7'b0000110;end7'b0100001:    //2楼待机begindata_seg0 <= 7'b1000000;data_seg1 <= 7'b1011011;end7'b0100100:    //2楼下行--status_dow0--KEY0被按下begindata_seg0 <= 7'b0001000;data_seg1 <= 7'b1011011;end7'b0100010:    //2楼下行--status_dow2--KEY2被按下begindata_seg0 <= 7'b0001000;data_seg1 <= 7'b1011011;enddefault:    //其他情况，显示E，待机begindata_seg0 <= 7'b1000000;data_seg1 <= 7'b1111001;endendcase
end//--------------------------------------------------------------------------------------------------
//附加功能:蜂鸣器
//这里采用无源蜂鸣器，需要输入一定频率的方波信号
//输入信号频率决定了蜂鸣器发出的声音频率，这里采用500hz的方波信号//获得1khz的信号
reg [31:0] temp =0;
reg clk_1khz = 0;
always@(posedge clk)
beginif(temp == 49999)begintemp <= 0;clk_1khz <= 1;endelsebegintemp <= temp +1;clk_1khz <= 0;end
endreg lou1_dly;
reg turn = 0;
reg [15:0] cnt = 0;
//这是一个检测信号翻转的模块
//检测楼层状态是否翻转，若翻转则turn = 1并开始计时，计时完成后turn = 0
always@(posedge clk)
beginlou1_dly <= lou1;if(lou1 != lou1_dly)turn <= 1;else if(cnt == 100)turn <= 0;
end  //当turn = 1时向蜂鸣器输入1khz的信号，蜂鸣器响0.1s，这里蜂鸣器响的时间由上面的cnt计数器决定
//t = cnt_max / 1000     单位s
parameter cnt_max = 100;
always@(posedge clk_1khz)
beginif(turn == 1)beginif(cnt == cnt_max)cnt <= 0;elsecnt <= cnt + 1;endelsecnt <= 0;
end   //作为蜂鸣器的输入信号buzzer的声音频率为500hz
always@(posedge clk_1khz)
beginif(turn == 1)buzzer <= ~buzzer;else if(turn == 0)buzzer <= 0;
end                                                     //--------------------------------------------------------------------------------------------------
//附加功能：流水灯，上行状态将LED11---LED7从左到右每隔一秒依次点亮；
//                 下行状态将LED7---LED11从右到左每隔一秒依次点亮
//定义两个状态位控制流水灯的状态
wire state_up;//用来控制上行流水灯
wire state_dow;//用来控制下行流水灯
//为了防止预期以外的情况出现，这里采用了楼层和按键对应的led灯来共同控制流水灯的状态
assign state_up = (led[1]|led[3])&(lou1&(~lou2));
assign state_dow = (led[0]|led[2])&(lou2&(~lou1));/*
获得1.05hz的信号（总共5个灯，每隔一秒亮一个）
*/
reg [31:0] temp1 =0;
reg clk_1hz = 0;
always@(posedge clk or negedge state_up or negedge state_dow)
beginif(~(state_up|state_dow))begintemp1 <= 0;clk_1hz <= 0;endelse if(state_up | state_dow)beginif(temp1 == 47619046)begintemp1 <= 0;clk_1hz <= 1;endelsebegintemp1 <= temp1 +1;clk_1hz <= 0;endendelsetemp1 <= 0;
end//计数器
reg [3:0] cnt1 = 0;
always@(posedge clk_1hz or negedge state_up or negedge state_dow)
beginif(~(state_up|state_dow))begincnt1 <= 0;endelse if(state_up | state_dow)beginif(cnt1 == 5)cnt1 <= 0;elsecnt1 <= cnt1 + 1;endelsecnt1 <= 0;
endalways@(posedge clk )
beginif(state_up)begincase(cnt1)0 :state_led <= 5'b10000;1 :state_led <= 5'b11000;2 :state_led <= 5'b11100;3 :state_led <= 5'b11110;4 :state_led <= 5'b11111;default:state_led <= 5'b00000;endcaseendelse if(state_dow)begincase(cnt1)0 :state_led <= 5'b00001;1 :state_led <= 5'b00011;2 :state_led <= 5'b00111;3 :state_led <= 5'b01111;4 :state_led <= 5'b11111;default:state_led <= 5'b00000;endcaseendelse state_led <= 5'b00000;endendmodule//开关消抖部分module ajxd(input clk,input  [3:0] btn_in,output [3:0] btn_out,input rst_n);reg clk_20ms = 0;
reg [31:0] temp = 0;
always@(posedge clk)
beginif(rst_n == 0)begintemp <= 0;clk_20ms <= 0;endelse if(temp == 999999)begintemp <= 0;clk_20ms <= 1;endelse if(temp < 999999)beginclk_20ms <= 0;temp <= temp+1;end
end    reg [3:0] btn0;
reg [3:0] btn1;
reg [3:0] btn2;
initial
begin
btn0=0;
btn1=0;
btn2=0;
endalways@(posedge clk_20ms)
begin
btn0<=btn_in;
btn1<=btn0;
btn2<=btn1;
endassign btn_out=((btn0&btn1)&(~btn2) | (btn0&btn1&btn2) | ((~btn0)&btn1&btn2));endmodule//计时部分
module count_5(input en,    //使能位，即满足这次操作的条件input clk,input wait1,         //两个等待位，检测是否处于冲突状态input wait2,output reg flag =0,   //led灯使能信号,表示主灯，即每次操作第一次按下的灯output reg key_d,    //按键延迟信号output reg status = 0   //计数状态输出：为1计数、为0不计数，表示主灯所对应的状态);//等待位，如果该计时器被用于上行计时，那么如果处于下行状态时，计时器就会等待下行状态结束再开始计时
//这里的两个等待位分别对应了两个上行计数器的状态输出位---status
reg flag2 = 1;
always@(posedge clk)
beginif(wait1 | wait2)  //情况1：例：按下下行按键后再立刻按下上行按键中的某一个flag2 <= 0;    else              //情况2：例：只按下下行按键flag2 <= 1;
end        //使能位上升沿来临，计数器使能信号置位为1
//作用是记住按键被按下的状态
//flag1=1表示这个状态仍然成立，不管使能
reg flag1 = 1;
always@(posedge clk)
beginif(en == 1)      //若操作满足条件，则主灯亮flag <= 1;  else if (flag1 == 0)flag <= 0;
end//当使能位为1且不处于冲突状态时计时器开始计时，并将输出状态位置位为1
always@(posedge clk)
beginif(flag & flag2)status <= 1 ;else if (flag1 == 0)status <= 0;
end//在开始计时的时候获得一个冲激信号
//这个信号被用来模拟按键被按下的动作
reg [31:0] temp1 =0;
reg impluse = 0;
always@(posedge clk)
beginif(status == 0)begintemp1 <= 0;impluse <= 0;endelse if(temp1 < 10)begintemp1 <= temp1 +1;impluse <= 1;endelse begintemp1 <= temp1+1;impluse <= 0;end
end
//key_d = key_delay,是处于冲突状态时有按键被按下的延时信号，即冲突状态结束后模拟一次按键被按下的动作
always@(posedge clk)
beginif(impluse)key_d = 1;elsekey_d = 0;
end//获得1hz的信号，用来计时
reg [31:0] temp =0;
reg clk_1hz = 0;
always@(posedge clk)
beginif(status == 0)begintemp <= 0;clk_1hz <= 0;endelse if(temp == 49999999)begintemp <= 0;clk_1hz <= 1;endelsebegintemp <= temp +1;clk_1hz <= 0;end
end//开始计时
//计时完成后，计时器状态位复位，使能信号复位，等待下一次按键被按下
reg [2:0] count = 0;
always@(posedge clk_1hz or negedge status)
beginif(status == 0)begincount <=0;flag1 <= 1;endelse if(count == 4 )begincount <= 0;flag1 <= 0;endelsebegincount <= count + 1;flag1 <= 1;end
end   endmodule//数码管显示部分
module seg_scan(
input  clk,
input [6:0] data_seg0,
input [6:0] data_seg1,
output reg [7:0] data_seg,
output reg [5:0] data_dig
);
parameter clk_freq=50000000;//50Mhz
parameter scan_freq=200;//200hz
parameter scan_cont=clk_freq/scan_freq/2-1;reg [31:0] time_cont = 0;
reg  temp = 0;
always@(posedge clk)
beginif(time_cont<scan_cont)time_cont = time_cont+1;else  begintime_cont <= 0;temp <= ~temp;end
end            always@(posedge clk)
begincase(temp)0:begindata_seg<={1'b0,data_seg0};data_dig<=6'b111110;end1:begindata_seg<={1'b0,data_seg1};data_dig<=6'b111101;endendcase
end
/*         2:begindata_seg<={1'b0,data_seg2};data_dig<=6'b111011;end3:begindata_seg<={1'b0,data_seg3};data_dig<=6'b110111;end4:begindata_seg<={1'b0,data_seg4};data_dig<=6'b101111;end5:begindata_seg<={1'b0,data_seg5};data_dig<=6'b011111;end
*/
endmodule//脉冲module maichong(clk,rst,rstout );
input clk;
input rst;
output reg rstout=0;
//reg flag=0;
reg [4:0]count=0;
always@(posedge clk)
beginif(rst==0)  //开始复位beginif(count<20)begincount<=count+1;rstout<=0;                      endelsebeginrstout<=1;count<=20;endendelsebeginrstout<=1;count<=0;end
endendmodule

六、RTL仿真截图

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七、自己对设计要求完成度的评价：

基础部分
电梯处于1楼，按KEY3，LED3亮，电梯处于上行状态，楼层显示1；运行5秒至2楼后LED3灭，2楼待机。	已完成
电梯处于2楼，按KEY2，LED2亮，电梯处于下行状态，楼层显示2；运行5秒至1楼后LED2灭，1楼待机。	已完成
电梯处于1楼，按KEY1，LED1亮，电梯处于上行状态，楼层显示1；电梯运行至2楼后LED1灭，2楼待机。	已完成
电梯处于2楼，按KEY0，LED0亮，电梯处于下行状态，楼层显示2；运行至1楼后LED0灭，1楼待机。	已完成
电梯处于1楼，按KEY0或KEY2，指示灯均不应该亮，电梯1楼待机。	已完成
电梯处于1楼，按KEY3，LED3亮，电梯处于上行状态时，立刻按 KEY2，LED2亮，电梯继续运行至2楼，LED3灭；然后电梯自动返回1楼待机，LED2灭。	已完成
电梯处于1楼；按KEY3，LED3亮，电梯处于上行状态时，立刻按 KEY0，LED0亮，电梯继续运行至2楼，LED3灭；然后电梯自动返回1楼待机，LED0灭。	已完成
电梯处于1楼，按KEY1或 KEY3，让电梯运行至2楼待机；再按KEY1/ KEY3，指示灯均不应该亮，电梯继续待机。	已完成
电梯处于2楼，按KEY2，LED2亮，电梯处于下行状态时，立刻按 KEY3，LED3亮，电梯继续运行至1楼，LED2灭；然后电梯自动返回2楼待机，LED3灭。	已完成
电梯处于2楼，按KEY2，LED2亮，电梯处于下行状态时，立刻按 KEY1，LED1亮，电梯继续运行至1楼，LED2灭；然后电梯自动返回2楼待机，LED1灭。	已完成
将复位开关SW11拨至下方，电梯运行至1楼（运行时间5S）。	已完成
将启动开关SW0拨至下方，按任意按键均无反应。	已完成
发挥部分
电梯上行时，LED11至LED7五个指示灯从左到右每隔一秒点亮一个；电梯下行时，LED7至LED11五个指示灯从右到左每隔一秒点亮一个。	已完成
电梯运行到达新楼层时，蜂鸣器发出一声清晰“嘀”声。	已完成
电梯开始上行或下行时，在最左边两个数码管上倒计时显示运行时间4.9~0.0（秒），精度为0.1秒。到达新楼层时显示0.0（秒）。	未完成
电梯上行时，楼层显示数码管前4秒显示1，后1秒显示2；电梯下行时，楼层显示数码管前4秒显示2，后1秒显示1。	未完成