利用WHDL設(shè)計(jì)洗衣機(jī)控制器

1、利用VHDL設(shè)計(jì)洗衣機(jī)控制器1 引言2 選題研究的意義21 課題來源22 課題研究的背景23 研究的目的和意義4 應(yīng)解決的主要問題與應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求241 需解決的主要問題洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件是控制器。洗衣機(jī)控制電路包括控制器、控制對(duì)象、狀態(tài)顯示電路、計(jì)時(shí)器與報(bào)警電路。它是一閉環(huán)系統(tǒng)，部結(jié)構(gòu)有洗衣機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)23 / 23換時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生器、狀態(tài)計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器和狀態(tài)譯碼器，它能自動(dòng)發(fā)出順序循環(huán)控制信號(hào)（S、R、L），并同時(shí)完成在該狀態(tài)下的計(jì)時(shí)功能。另外，它還向控制對(duì)象提供一個(gè)工作過程的周期信號(hào)（T），作循環(huán)次數(shù)累計(jì)?？刂茖?duì)象是由4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和4位數(shù)值比較器構(gòu)成，它對(duì)T作計(jì)數(shù)，與此同時(shí)與人

2、工輸入的預(yù)置循環(huán)數(shù)比較，隨時(shí)將反應(yīng)受控器自身狀態(tài)的信號(hào)反饋給控制器，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。242 需實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)控制器的控制功能 洗衣機(jī)的狀態(tài)為待機(jī)5s正轉(zhuǎn)60s待機(jī)5s反轉(zhuǎn)60s，并用3個(gè)LED燈和7段顯示器分別表示其工作狀態(tài)和顯示相應(yīng)工作狀態(tài)下的時(shí)間。自行設(shè)定洗衣機(jī)的循環(huán)次數(shù)，這里設(shè)最大的循環(huán)次數(shù)為15次。 具有緊急情況的處理功能。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí),立即轉(zhuǎn)入到待機(jī)狀態(tài),緊急情況解除后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)步驟。 洗衣機(jī)設(shè)定循環(huán)次數(shù)遞減到零時(shí)立即報(bào)警,以表示洗衣機(jī)設(shè)定的循環(huán)次數(shù)已經(jīng)結(jié)束。 輸入變量：時(shí)鐘CLK，直接清零RD，暫停/連續(xù)EN，設(shè)定洗衣機(jī)的循環(huán)次數(shù)SET。輸出變量：三個(gè)工作狀態(tài)S、R、L，

3、一個(gè)過程周期T（T4），8421BCD碼Q7Q0輸出與報(bào)警信號(hào)。25 國外研究現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢(shì)與存在的主要問題26設(shè)計(jì)工具介紹3 洗衣機(jī)控制器設(shè)計(jì)的方案論證3.1 洗衣機(jī)控制器設(shè)計(jì)的方案選擇設(shè)計(jì)洗衣機(jī)控制器，通?？梢杂萌N方法來實(shí)現(xiàn)。方法一，可以用純機(jī)械式來設(shè)計(jì)控制器。本方法利用機(jī)械原理來設(shè)計(jì)定時(shí)器。例如可以利用彈簧儲(chǔ)存能量和釋放能量的過程得到定時(shí)時(shí)間。其原理如同機(jī)械式(上發(fā)條)的鐘表。由于長(zhǎng)時(shí)間工作，金屬容易疲勞，一旦出現(xiàn)這樣的情況，其定時(shí)的誤差變大，導(dǎo)致定時(shí)不準(zhǔn)確。同時(shí)由于金屬的疲勞和磨損等，可能引發(fā)定時(shí)器停擺，輪子打滑，進(jìn)水等問題。但機(jī)械式控制器具有制造方便，成本低等特點(diǎn)，所以在很多場(chǎng)合應(yīng)

4、用面依然比較廣。方法二，利用單片機(jī)控制。利用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制器也是一種理想的設(shè)計(jì)方案。其優(yōu)點(diǎn)突出，主要表現(xiàn)為：前期開發(fā)投入少，效率高，設(shè)計(jì)周期短，控制精度較高。但單片機(jī)芯片單價(jià)高，如果大批量生產(chǎn)，其性價(jià)比較低；另外，在實(shí)際工作過程中容易出現(xiàn)死機(jī)，程序調(diào)用混亂等問題。方法三，采用FPGA。FPGA具有體積小，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。它一方面克服了機(jī)械式控制器所引發(fā)的定時(shí)器停擺，輪子打滑，進(jìn)水等缺點(diǎn)；另一方面也克服了利用單片機(jī)設(shè)計(jì)的控制器的問題，不易出現(xiàn)死機(jī)，程序調(diào)用混亂等問題。同時(shí)，采用大批量生產(chǎn)時(shí)，其性價(jià)比高。雖然方案二也能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)，但程序結(jié)構(gòu)繁冗，用戶看起來不太直觀。方案三只用一個(gè)轉(zhuǎn)換器就能實(shí)現(xiàn)，

5、程序簡(jiǎn)單也能較好的完成設(shè)計(jì)任務(wù)。且移植性好，功能更容易擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)選擇方案三實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)控制器的功能。3.2數(shù)字系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)流程 3.2.1設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖8如圖2所示。洗衣機(jī)控制電路包括控制器，控制對(duì)象，狀態(tài)顯示電路，計(jì)時(shí)器與報(bào)警電路?？刂破魇窍到y(tǒng)的核心部件。它是一閉環(huán)系統(tǒng)，部結(jié)構(gòu)有5s和60s信號(hào)產(chǎn)生器，狀態(tài)計(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)選擇器和狀態(tài)譯碼器，它能自動(dòng)發(fā)出順序控制信號(hào)（S、R、L），并同時(shí)完成在該狀態(tài)下的計(jì)時(shí)功能。另外，它還向控制對(duì)象提供一個(gè)工作過程的周期信號(hào)(T)，作循環(huán)次數(shù)累計(jì)?？刂茖?duì)象是由4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和4位數(shù)值比較器構(gòu)成，它對(duì)T作計(jì)數(shù)，與此同時(shí)與人工輸入的預(yù)置循環(huán)數(shù)比

6、較，隨時(shí)將反應(yīng)受控器自身轉(zhuǎn)臺(tái)的信號(hào)反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能8。圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖狀態(tài)顯示電路是通過3個(gè)LED燈來顯示洗衣機(jī)的狀態(tài)：當(dāng)洗衣機(jī)暫?；虺霈F(xiàn)緊急情況時(shí)第二個(gè)LED燈亮，當(dāng)洗衣機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)第一個(gè)LED燈都亮，當(dāng)洗衣機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，只有第三個(gè)LED燈亮。報(bào)警控制電路的功能是當(dāng)設(shè)定的循環(huán)次數(shù)減到零時(shí)提示用戶。LED燈和數(shù)碼管顯示電路：通過LED燈來顯示洗衣機(jī)的各種工作狀態(tài)，利用數(shù)碼管來顯示時(shí)間。3.2.2洗衣機(jī)控制框圖蜂鳴報(bào)警系統(tǒng)（根據(jù)機(jī)器運(yùn)行的過程或狀態(tài)給出蜂鳴或報(bào)警）供電系統(tǒng)（提供控制板電源）門蓋狀態(tài)檢測(cè)（檢測(cè)洗滌過程中門蓋狀態(tài)）供排水系統(tǒng)（按照一定的洗滌中期進(jìn)水或排水）電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（驅(qū)

7、動(dòng)電機(jī)按照一定的周期或節(jié)奏洗滌與脫水）負(fù)載檢測(cè)系統(tǒng)（ 檢測(cè)衣物重量 ）用戶接口（獲得用戶輸入同時(shí)反映機(jī)器狀態(tài)）控制器圖3 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)3.2.3洗衣機(jī)控制系統(tǒng)流程圖洗滌洗滌放入衣物水流設(shè)置水位設(shè)置模式選擇洗滌時(shí)間設(shè)置默認(rèn)洗滌時(shí)間手動(dòng)設(shè)置洗滌時(shí)間進(jìn)水進(jìn)水排水進(jìn)水清洗排水脫水自動(dòng)斷電圖4 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)流程圖3.2.4洗衣機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖S0S1S2S211S221S3S4S5S222S212S8S7S6圖5 洗衣機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖4 設(shè)計(jì)論述系統(tǒng)有3個(gè)工作狀態(tài)：正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，暫停，由狀態(tài)標(biāo)志量count控制。count=0時(shí)，洗衣機(jī)正轉(zhuǎn)，時(shí)間持續(xù)60s；count=1時(shí)洗衣機(jī)第一次暫停，時(shí)間持續(xù)5s；co

8、unt=2時(shí)洗衣機(jī)反轉(zhuǎn)，時(shí)間持續(xù)60s；count=3時(shí)洗衣機(jī)第二次暫停，時(shí)間持續(xù)5 s，此時(shí)一個(gè)工作周期結(jié)束會(huì)產(chǎn)生控制信號(hào)T，設(shè)定的循環(huán)次數(shù)減1，若減1后循環(huán)次數(shù)為零，則洗衣機(jī)停止工作，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)；若循環(huán)次數(shù)不為零則繼續(xù)工作。如果系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，則洗衣機(jī)停止工作產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。整個(gè)控制功能的VHDL程序見附錄一。該程序經(jīng)編譯后創(chuàng)立的模塊圖如圖8所示，其輸入輸出信號(hào)說明如下：系統(tǒng)時(shí)鐘CLK，直接清零RD，暫停/連續(xù)EN，設(shè)定洗衣機(jī)的循環(huán)次數(shù)SET，報(bào)警脈沖信號(hào)CLK_1024；LAMP：洗衣機(jī)運(yùn)行各狀態(tài)指示燈Seg2，seg1：各狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間的顯示Seg4，seg3：設(shè)定工作周期顯示時(shí)間計(jì)數(shù)

9、ALARM：報(bào)警信號(hào)部信號(hào)說明：temp：狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)count：狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)C：清零信號(hào)s1，s2，s3，s4：狀態(tài)值T：控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)A：報(bào)警信號(hào)圖11 I/O模塊圖432 使用說明 在EN為低電平時(shí)通過SET設(shè)定洗衣機(jī)循環(huán)工作的次數(shù)。 通過按鍵將EN置為高電平，啟動(dòng)洗衣機(jī)工作，以后可通過EN暫停/繼續(xù)。 若中途發(fā)生故障，可通過按鍵RD直接清零復(fù)位，待清除故障后重新啟動(dòng)。 洗衣機(jī)結(jié)束工作，報(bào)警，可通過RD或EN直接取消報(bào)警，將EN置為低電平，即可重新設(shè)定工作次數(shù)。44 測(cè)試仿真步驟 在Max+plus軟件平臺(tái)上進(jìn)行仿真的基本步驟如下： 選File/Project/Name菜單建立

10、項(xiàng)目名。見圖12圖12 選File/New菜單，并選text Editor條目，進(jìn)入文本編輯窗，然后輸入電路設(shè)計(jì)文件。見圖13圖13 選File/Project/Save & Check 菜單將文件存盤并檢查文件的正確性。見圖14。圖14 選Max+plus/waveform Editor菜單，編輯輸入信號(hào)波形（在波形編輯窗口，選Node/Enter Nodes from SNF菜單將輸入和輸出端口調(diào)入，然后再編輯）。見圖15。圖15 選Max+plus/Simulator 菜單進(jìn)行行為仿真。見圖16圖16 觀察仿真結(jié)果，研究設(shè)計(jì)的正確性。5 結(jié)果分析測(cè)試仿真波形見附錄二BCD碼模塊仿

11、真波形和七段顯示譯碼模塊仿真波形如附錄二中圖1和圖2所示，測(cè)試波形正確。執(zhí)行設(shè)定次數(shù)為2的波形圖見附錄二圖3所示，測(cè)試波形符合要求。加入暫停信號(hào)后的波形。從附錄二圖4整體上看暫停有效。從附錄二圖5細(xì)節(jié)上看程序具有記憶功能，能從斷點(diǎn)處裝載，繼續(xù)工作，符合要求。加入RD信號(hào)后的波形附錄二圖6復(fù)位信號(hào)有效，復(fù)位后報(bào)警提示成功。6 設(shè)計(jì)總結(jié)設(shè)計(jì)過程中采用了VHDL語言進(jìn)行編寫，并用MAX + plus軟件進(jìn)行仿真，它主要是對(duì)洗衣機(jī)工作狀態(tài)、時(shí)間進(jìn)行控制，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我先對(duì)FPGA的結(jié)構(gòu)和VHDL的語法結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的掌握，然后著重根據(jù)設(shè)計(jì)原理和思路著手編程，其間參考了不少文獻(xiàn)資料，對(duì)計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇

12、器、譯碼器、數(shù)值比較器的功能、邏輯圖、引腳圖進(jìn)行分析，然后再在MAX + plus上進(jìn)行編譯仿真，分析波形，修改程序直至與設(shè)計(jì)要求相符。當(dāng)然在研究中還存在不少問題，比如我設(shè)計(jì)的洗衣機(jī)只是半自動(dòng)的，其功能還不完善，如水位的控制、脫水、漂洗的方式等都還沒設(shè)計(jì)出來；仿真的波形還沒完全達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)時(shí)間的延遲沒考慮清楚等，如果是對(duì)課題的進(jìn)一步研究可以增加洗衣機(jī)的功能，這就還需要增加傳感器等等，同時(shí)還可以添加一個(gè)測(cè)試程序，就可以更加直觀的看到仿真結(jié)果。參考文獻(xiàn)1 黃任. VHDL入門、解惑、經(jīng)典實(shí)例、經(jīng)驗(yàn)總結(jié). 第一版，：航空航天大學(xué)，2005.12 譚會(huì)生，瞿遂春. EDA技術(shù)綜合應(yīng)用實(shí)例與分析.

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15、0;elset<=TIMES+8'b00000000;endendmodule-共陰極七段顯示譯碼模塊module decode(COUNT,oseg1,oseg2);input 7:0 COUNT;output 6:0 oseg1,oseg2;reg 6:0 oseg1,oseg2;always (COUNT7:0)begincase(COUNT3:0)4'h1: oseg1 = 7'b0000110;4'h2: oseg1 = 7'b1011011; 4'h3: oseg1 = 7'b1001111; 4'h4: ose

16、g1 = 7'b1100110; 4'h5: oseg1 = 7'b1101101; 4'h6: oseg1 = 7'b1111101; 4'h7: oseg1 = 7'b0000111; 4'h8: oseg1 = 7'b1111111; 4'h9: oseg1 = 7'b1100111; 4'ha: oseg1 = 7'b1110111;4'hb: oseg1 = 7'b1111100;4'hc: oseg1 = 7'b0111001;4'hd:

17、oseg1 = 7'b1011110;4'he: oseg1 = 7'b1111001;4'hf: oseg1 = 7'b1110001;4'h0: oseg1 = 7'b0111111;endcase case( COUNT7:4 )4'h1: oseg2 = 7'b0000110;4'h2: oseg2 = 7'b1011011; 4'h3: oseg2 = 7'b1001111; 4'h4: oseg2 = 7'b1100110; 4'h5: oseg2 = 7

18、'b1101101; 4'h6: oseg2 = 7'b1111101; 4'h7: oseg2 = 7'b0000111; 4'h8: oseg2 = 7'b1111111; 4'h9: oseg2 = 7'b1100111; 4'ha: oseg2 = 7'b1110111;4'hb: oseg2 = 7'b1111100;4'hc: oseg2 = 7'b0111001;4'hd: oseg2 = 7'b1011110;4'he: oseg2 =

19、 7'b1111001;4'hf: oseg2 = 7'b1110001;4'h0: oseg2 = 7'b0111111;endcase endendmodule-掃描選擇輸出模塊module scan4(rd,clk,seg1,seg2,seg3,seg4,c1,c2,c3,c4,seg); output6 : 0seg; output c1,c2,c3,c4; input clk,rd; input6 : 0seg1,seg2,seg3,seg4;reg6 : 0seg;reg c1,c2,c3,c4; reg1: 0sel;always(pose

20、dge clk)beginif (rd=1) sel<=0;else if(sel=3) sel<=0;elsesel<=sel+1;end always(sel)begincase (sel1: 0) 2'b00:beginseg<=seg1;c1=1;c2=0;c3=0;c4=0;end2'b01:beginseg<=seg2;c1=0;c2=1;c3=0;c4=0;end2'b10:beginseg<=seg3;c1=0;c2=0;c3=1;c4=0;end2'b11:beginseg<=seg4;c1=0;c2=

21、0;c3=0;c4=1;endendcaseendendmodule-整個(gè)洗衣機(jī)控制模塊module washer1(CLK,CLK_1024,SET,RD,EN,LAMP,seg,c1,c2,c3,c4,ALARM); output6 : 0seg; output c1,c2,c3,c4; output3 : 0LAMP; output ALARM; input CLK,CLK_1024,EN,RD; input3 : 0SET; reg7 : 0num; reg temp,C,ALARM; reg2 : 0count; reg7 : 0s1,s2,s3,s4; reg3 : 0LAMP,t

22、im;reg6:0seg;reg c1,c2,c3,c4;reg6 : 0seg1,seg2,seg3,seg4;reg7:0t;wire T,A; assign T=(count=0&&num=2&&LAMP=2)|!EN|RD); /控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)Tassign A=(!tim&&EN); /報(bào)警信號(hào)always /狀態(tài)轉(zhuǎn)換置數(shù) begin s1 <=8'h 60; s2 <=8'h 05; s3 <=8'h 60; s4 <=8'h 05; endalways (posedge CLK) /控制器模塊beginif(!RD)beginC<=0; if(EN&&!C) begin if(!temp&&tim) begin temp<=1; case(count) 0: begin num<=s1;LAMP<=4;count<=1;end 1: begin num<=s2;LAMP<=2;count<=2;end 2: begin num<=s3;LAMP<=1;count<=3;end 3: begin num