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1、摘要本论文介绍了应用FPGA芯片和硬件描述语言(VHDL)设计微波炉控制器系统的方法。系统使用VHDL编程实现各底层模块的功能，顶层的设计采用图形输入完成。论文主要阐述模块化设计的思想和状态图的描述方法，以与他们在硬件描述语言中的应用，并展示了其在Quartus II 开发系统下的仿真结果。微波炉控制器系统是一个实用型的系统，系统不仅具有操作简单的功能，而且烹调效果好，你可以按照固定程序烹调一些家常菜，可以采取分时、分不同级别火力加热，既能节约时间又能节约能源。主要有以下几个模块：输入模块、控制模块和显示模块。输入模块实现按键扫描和键盘译码、控制模块包括状态转换控制、数据装载、烹饪计时、温度控
2、制、音效提示等等、显示模块涉与到显示译码和指示灯的闪烁。经过对系统做需求分析，详细功能设计、编码，模块连接，并利用FPGA实现相应的功能，经过波形仿真、下载调试，验证了设计方案的可行性与实现方法的有效性，基本实现了系统的要求。关键词：FPGA；VHDL；微波炉；状态图；定时器AbstractThis paper introduces the method that applying FPGA chip and VHDL to design the control system of microwave ovens.The system uses VHDL to fulfill the func
3、tion of each bottom module and the design of the top layer is completed via graphic entering.This paper mainly illustrates the idea of module design and description method of state chart and that their application in VHDL and simulation results in the develop system of Quartus II.Microwave controlle
4、r system is a utility-type system that includes not only the function of simple operation, but also good effect of cook. According to fixed routine, you can cook some homely dish via taking different time and different level firepower to heat, and this can not only save time,but also save energy.It
5、mainly includes a couple of modules as follows: input module, control module and display module. Input module fulfills key-press scanning and keyboard decoding,control module includes status switching control, data loading, cook time, temperature control,sound effect tip and so on, display module co
6、mes down to display coding decipher and the flashing of indicator light.Through the analysis of requirement,detailed function design, coding, module connection, using FPGA to fulfill relevant function. Throughwaveform simulation, download debugging, it verifies the feasibility of the design and the
7、effectiveness of realization method and basically fulfill the requirement of the system. Keywords: FPGA, VHDL, Microwave oven, Status chart, timer / 目 录1.绪论11.1.任务的提出11.2.课题的容和要求11.3.设计的目的和意义22.关键技术简介32.1.FPGA简介32.2.VHDL语言概述32.3.Quartus II 开发系统简介53.系统总体设计73.1.系统总体设计方案73.2.系统功能模块描述93.2.1.输入模块103.2.2.
8、控制模块103.2.3.显示模块113.3.系统的工作流程114.系统详细设计134.1.输入模块设计134.1.1.键盘扫描134.1.2.键盘译码164.1.3.输入模块的实现174.2.控制模块设计184.2.1.状态转换控制194.2.2.数据装载224.2.3.烹饪计时234.2.4.温度控制264.2.5.控制模块的实现294.3.显示模块设计315.系统仿真355.1.输入模块仿真355.2.状态转换控制器仿真355.3.数据装载器仿真365.4.烹饪计时器仿真375.5.显示译码器仿真396.结论41致42参考文献43附录441. 绪论随着人民生活水平的提高，微波炉开始进人越来
9、越多的家庭，它给人们的生活带来了极大的方便。微波炉由2450MHz的超高频来加热食物。它省时、省电、方便和卫生。作为现代的烹饪工具，微波炉的控制器体现着它的重要性能指标。目前大部分微波炉控制器采用单片机进行设计，电路比较复杂，性能不够灵活。本文采用先进的EDA技术，利用Quartus II工作平台和VHDL设计语言，设计了一种新型的微波炉控制器系统。该系统具有系统复位、时间设定、烹饪计时、温度控制和音效提示等功能，在FPGA上实现。1.1. 任务的提出在现代人快节奏生活中，微波炉已成为便捷生活的一部分。随着控制技术和智能技术的发展，微波炉也向着智能化、信息化发展。而现有市售的微波炉其主要弊端为
10、：不能按既有程序进行烹调，需要使用者根据食物的类型、数量、温度等因素去设定微波炉的工作时间，若设定的工作时间过长，含水分较多的食物可能会产生过热碳化的现象，若时间过短则达不到预期的烹调效果。不仅在节能方面未做过多考虑，使用者还需要经常翻看使用说明书才能完成操作过程。针对这些问题，笔者认为有必要研制一种操作简单且烹调效果好的微波炉，根据一些家常菜按固定程序烹调的现象，可采取分时、分档火力加热，节时又节能。1.2. 课题的容和要求本课题是基于FPGA的微波炉控制器设计，即设计一个具备定时、温控、信息显示和音响效应提示功能的微波炉控制器，实现一些功能：l 该微波炉控制器能够在任意时刻取消当前工作，复
11、位为初始状态。l 可以根据需要设置烹调时间的长短，系统最长的烹调时间为59分59秒；开始烹调后，能够显示剩余时间的多少。l 可以根据需要设置烹调最高温度值，系统最高的烹调温度为999；开始烹调后，能够显示系统当前温度值。l 可以控制火力大小，供选择的火力档位有高、中、低三个火力档位。l 音响效应提示直接外接一个蜂鸣器，同时用一个指示灯提示。l 显示微波炉控制器的烹调状态。1.3. 设计的目的和意义目前大部分微波炉控制器采用单片机进行设计，电路比较复杂，性能不够灵活。本设计采用先进的EDA 技术，利用VHDL 设计语言，设计一种新型的微波炉控制器。该控制器具有系统复位、状态控制、时间设定、火力档
12、位选择、烹饪计时、温度控制、显示译码和音效提示等功能，基于FPGA 芯片实现。该微波炉控制系统，除实现常规的解冻、烹调、烘烤的基本功能外，还进行了创新设计，实现了微波炉的自定义设置。本系统控制部分以FPGA芯片为核心，通过功能按键设置和手动数据输入，完成不同功能时自动以预置方案或者自定义方案加热。其中，预制方案提供烹调、烘烤、解冻等系统烹调流程，仅供用户选择，无需设置；而自定义方案，用户根据食物含量、重量等手动设置时间、温度和选择火力等操作。在烹饪过程中，能通过数码管显示或者指示灯提示知道食物的成熟度，可以智能控制。该系统在功能执行时，能实现门开关检测、键盘输入扫描、温度控制、LED显示、工作
13、状态指示、蜂鸣等。2. 关键技术简介2.1. FPGA简介FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。目前以硬件描述语言（Verilog 或 VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更
14、复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flipflop）或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有
15、比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。2.2. VHDL语言概述VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于 1982 年。1987 年底，VHDL被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以
16、是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,与端口)和部（或称不可视部分），既涉与实体的部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。VHDL 语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用，它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。归纳起来，VHDL 语言主要具有以下优点： (1) VHDL 语言功能强大，设计方式多样 VHDL 语言具有强大的语言结构, 只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以述十分复杂的硬件电路。同时, 它还具有多层次的电路设计描述功能。此外，VHDL 语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现，
