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1、利用 VHDL 设计洗衣机控制器1 引言2 选题研究地意义21 课题来源22 课题研究地背景23 研究地目地和意义4 应解决地主要问题及应达到地技术要求241 需解决地主要问题洗衣机控制系统地核心部件是控制器.洗衣机控制电路包括控制器.控制对象 .状态 显 示电 路. 计时 器 及 报 警 电路 .它 是 一 闭 环 系 统 ,内 部结 构有 洗 衣 机状 态转精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 19 页换时间信号产生器 .状态计数器 .数据选择器和状态译码器,它能自动发出顺序循环控制信号（ S.R.L）,并同时完成在该状态
2、下地计时功能.另外 ,它还向控制对象提供一个工作过程地周期信号（ T）,作循环次数累计 .控制对象是由4 位二进制计数器和4 位数值比较器构成 ,它对 T 作计数 ,与此同时与人工输入地预置循环数比较,随时将反应受控器自身状态地信号反馈给控制器,从而实现系统地控制功能 . 242 需实现洗衣机控制器地控制功能洗衣机地状态为待机5s正转 60s待机 5s反转 60s,并用 3 个 LED 灯和 7段显示器分别表示其工作状态和显示相应工作状态下地时间. 自行设定洗衣机地循环次数,这里设最大地循环次数为15 次. 具有紧急情况地处理功能.当发生紧急情况时 ,立即转入到待机状态 ,紧急情况解除后继续执
3、行后续步骤 . 洗衣机设定循环次数递减到零时立即报警,以表示洗衣机设定地循环次数已经结束. 输入变量：时钟CLK, 直接清零 RD,暂停/连续 EN,设定洗衣机地循环次数SET. 输出变量：三个工作状态S.R.L,一个过程周期 T（T4）,8421BCD 码 Q7Q0输出及报警信号 . 25 国内外研究现状,发展趋势及存在地主要问题26 设计工具介绍3 洗衣机控制器设计地方案论证3.1 洗衣机控制器设计地方案选择设计洗衣机控制器 ,通常可以用三种方法来实现. 方法一 ,可以用纯机械式来设计控制器.本方法利用机械原理来设计定时器.例如可以利用弹簧储存能量和释放能量地过程得到定时时间.其原理如同机
4、械式 (上发条 )地钟表 .由于长时间工作 ,金属容易疲劳 ,一旦出现这样地情况 ,其定时地误差变大 ,导致精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 19 页定时不准确 .同时由于金属地疲劳和磨损等,可能引发定时器停摆 ,轮子打滑 ,进水等问题.但机械式控制器具有制造方便,成本低等特点 ,所以在很多场合应用面依然比较广. 方法二 ,利用单片机控制 .利用单片机设计控制器也是一种理想地设计方案.其优点突出 ,主要表现为：前期开发投入少,效率高 ,设计周期短 ,控制精度较高 .但单片机芯片单价高 ,如果大批量生产 ,其性价比较低；另外
5、 ,在实际工作过程中容易出现死机,程序调用混乱等问题 . 方法三 ,采用FPGA.FPGA具有体积小 ,可靠性高等优点 .它一方面克服了机械式控制器所引发地定时器停摆,轮子打滑 ,进水等缺点；另一方面也克服了利用单片机设计地控制器地问题 ,不易出现死机 ,程序调用混乱等问题 .同时,采用大批量生产时 ,其性价比高 . 虽然方案二也能实现设计任务,但程序结构繁冗 ,用户看起来不太直观 .方案三只用一个转换器就能实现 ,程序简单也能较好地完成设计任务.且移植性好 ,功能更容易扩展 .本设计选择方案三实现洗衣机控制器地功能. 3.2 数字系统地FPGA 设计流程3.2.1设计系统结构框图系统结构框图
6、8如图 2所示. 洗衣机控制电路包括控制器,控制对象 ,状态显示电路 ,计时器及报警电路 . 控制器是系统地核心部件.它是一闭环系统 ,内部结构有5s 和 60s 信号产生器 ,状态计数器 ,数据选择器和状态译码器,它能自动发出顺序控制信号（S.R.L）,并同时完成在该状态下地计时功能.另外,它还向控制对象提供一个工作过程地周期信号(T),作循环次数累计 . 控制对象是由4位二进制计数器和4位数值比较器构成 ,它对 T 作计数 ,与此同时与人工输入地预置循环数比较,随时将反应受控器自身转台地信号反馈给控制器,实现系统地控制功能8. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结
7、 - - - - - - -第 3 页，共 19 页图 2 系统地结构框图状态显示电路是通过3 个 LED 灯来显示洗衣机地状态：当洗衣机暂停或出现紧急情况时第二个LED 灯亮,当洗衣机正转时第一个LED 灯都亮 ,当洗衣机反转时 ,只有第三个 LED 灯亮. 报警控制电路地功能是当设定地循环次数减到零时提示用户. LED 灯和数码管显示电路：通过LED 灯来显示洗衣机地各种工作状态,利用数码管来显示时间 .3.2.2洗衣机控制框图图 3 洗衣机控制系统3.2.3洗衣机控制系统流程图放入衣物水流设置水位设置模式选择洗涤时间设置默认洗涤时间手动设置洗涤时间进水进水供电系统（提供控制板电源）供排水
8、系统（按照一定的洗涤中期进水或排水）电机驱动系统（驱动电机按照一定的周期或节奏洗涤及脱水）负载检测系统（ 检测衣物重量）用户接口（获得用户输入同时反映机器状态）控制器洗涤洗涤精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 19 页图 4 洗衣机控制系统流程图3.2.4洗衣机状态转移图图 5 洗衣机状态转移图4 设计论述排水进水清洗排水脱水自动断电S0 S1 S2 S211 S221 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S212 S222 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页
9、，共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 19 页系统有 3个工作状态：正转 ,反转,暂停,由状态标志量 count控制 .count=0时,洗衣机正转 ,时间持续 60s；count=1 时洗衣机第一次暂停 ,时间持续 5s；count=2时洗衣机反转,时间持续 60s；count=3时洗衣机第二次暂停 ,时间持续 5 s,此时一个工作周期结束会产生控制信号T,设定地循环次数减1,若减 1后循环次数为零 ,则洗衣机停止工作 ,产生报警信号；若循环次数不为零则继续工作.如果系统产生复位信号 ,则洗衣机停止工作产生报警
10、信号 . 整个控制功能地VHDL 程序见附录一 .该程序经编译后创立地模块图如图8 所示,其输入输出信号说明如下：系统时钟CLK,直接清零RD,暂停/连续 EN,设定洗衣机地循环次数SET,报警脉冲信号 CLK_1024；LAMP ：洗衣机运行各状态指示灯Seg2,seg1 ：各状态运行时间地显示Seg4,seg3 ：设定工作周期显示时间计数ALARM ：报警信号内部信号说明：temp：状态转换控制信号count：状态转换信号C：清零信号s1,s2,s3,s4 ：状态值T：控制器产生地控制信号A：报警信号精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -
11、第 7 页，共 19 页图 11 I/O 模块图432 使用说明在 EN 为低电平时通过SET设定洗衣机循环工作地次数. 通过按键将 EN置为高电平 ,启动洗衣机工作 ,以后可通过 EN 暂停/继续. 若中途发生故障 ,可通过按键 RD 直接清零复位 ,待清除故障后重新启动 . 洗衣机结束工作 ,报警,可通过 RD 或 EN 直接取消报警 ,将 EN 置为低电平,即可重新设定工作次数 .44 测试仿真步骤在 Max+plus软件平台上进行仿真地基本步骤如下： 选 File/Project/Name菜单建立工程名 .见图 12精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - -
12、 - - - - -第 8 页，共 19 页图 12 选 File/New 菜单,并选 text Editor 条目,进入文本编辑窗 ,然后输入电路设计文件.见图 13图 13 选 File/Project/Save & Check 菜单将文件存盘并检查文件地正确性.见图 14. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 19 页图 14 选 Max+plus/waveform Editor 菜单,编辑输入信号波形（在波形编辑窗口,选Node/Enter Nodes from SNF菜单将输入和输出端口调入,然后再编辑） . 见图
13、 15. 图 15 选 Max+plus/Simulator 菜单进行行为仿真 .见图 16精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 19 页图 16 观察仿真结果 ,研究设计地正确性 . 5 结果分析测试仿真波形见附录二BCD 码模块仿真波形和七段显示译码模块仿真波形如附录二中图 1和图 2所示,测试波形正确 . 执行设定次数为2 地波形图见附录二图 3所示,测试波形符合要求 .加入暂停信号后地波形 . 从附录二图 4整体上看暂停有效 . 从附录二图5 细节上看程序具有记忆功能,能从断点处装载 ,继续工作 ,符合要求. 加入
14、RD 信号后地波形附录二图 6复位信号有效 ,复位后报警提示成功 . 6 设计总结设计过程中采用了VHDL 语言进行编写 ,并用 MAX + plus软件进行仿真 ,它主精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 19 页要是对洗衣机工作状态.时间进行控制 ,在整个设计过程中,我先对FPGA 地结构和VHDL 地语法结构进一步地掌握 ,然后着重根据设计原理和思路着手编程,其间参考了不少文献资料 ,对计数器 .数据选择器 .译码器 .数值比较器地功能 .逻辑图.引脚图进行分析,然后再在 MAX + plus 上进行编译仿真 ,分析波
15、形 ,修改程序直至与设计要求相符. 当然在研究中还存在不少问题,比如我设计地洗衣机只是半自动地,其功能还不完善,如水位地控制 .脱水 .漂洗地方式等都还没设计出来；仿真地波形还没完全达到设计标准 ,对时间地延迟没考虑清楚等,如果是对课题地进一步研究可以增加洗衣机地功能,这就还需要增加传感器等等,同时还可以添加一个测试程序,就可以更加直观地看到仿真结果 . 参考文献1 黄任 . VHDL 入门 .解惑 .经典实例 .经验总结 . 第一版 ,北京：北京航空航天大学出版社,2005.1 2 谭会生 ,瞿遂春 . EDA 技术综合应用实例与分析. 第一版 ,西安：西安电子科技大学出版社,2004.11
16、 3 潘松 ,黄继业 . EDA 技术实用教程 . 第三版 ,北京：科学出版社,2006 4 徐光辉 ,程东旭 ,黄如 . 基于 FPGA 地嵌入式开发与应用. 第一版 ,北京：电子工业出版社,2006.9 5 郭冀岭 ,王君瑞 ,王远波 . 用 VHDL 实现智能洗衣机控制系统有限状态机地设计. 电子技术,2004；6 李渊 ,马善农 . 基于 CPLD 地洗衣机控制器. 科技广场 ,2007；7 李波 ,王章瑞 ,高一波 . 基于 VHDL 地洗衣机控制器设计. 科技设计成果,2007；8 司孝平 ,赵严峰 . 基于 FPGA 地洗衣机控制器设计与实验教案. 天中学刊 ,2006；9 司孝
17、平 ,赵严峰 . 对一种洗衣机控制器地FPGA 设计改进 . 佳木斯大学学报(自然科学版 ), 2006；10 赵晓博 ,刘展威 ,李素娟 . 数字电压表地VHDL 设计与实现 . 仪表技术 ,2005；11 EP1C12.pdf . http:/ 12 EP1C8.pdf. http:/ 13 ByteBlaster_II_Download_Cable.pdf. http:/ - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 19 页致谢精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 19
18、 页附录一 程序源代码-BCD 码变换模块 . module bcdma(clk,TIMES,t)。input clk。input 3:0 TIMES 。output 7:0 t。reg 7:0 t。always (posedge clk) begin if(TIMES4b1001) t=TIMES+8b00000110。else t=TIMES+8b00000000。end endmodule -共阴极七段显示译码模块module decode(COUNT,oseg1,oseg2) 。input 7:0 COUNT 。output 6:0 oseg1,oseg2 。reg 6:0 oseg1
19、,oseg2 。always (COUNT7:0) begin case(COUNT3:0) 4h1: oseg1 = 7b0000110 。4h2: oseg1 = 7b1011011 。4h3: oseg1 = 7b1001111 。4h4: oseg1 = 7b1100110 。4h5: oseg1 = 7b1101101 。4h6: oseg1 = 7b1111101 。4h7: oseg1 = 7b0000111 。4h8: oseg1 = 7b1111111 。4h9: oseg1 = 7b1100111 。4ha: oseg1 = 7b1110111 。4hb: oseg1 =
20、7b1111100 。4hc: oseg1 = 7b0111001 。4hd: oseg1 = 7b1011110 。4he: oseg1 = 7b1111001 。4hf: oseg1 = 7b1110001 。4h0: oseg1 = 7b0111111 。endcase case( COUNT7:4 ) 4h1: oseg2 = 7b0000110 。4h2: oseg2 = 7b1011011 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 19 页4h3: oseg2 = 7b1001111 。4h4: oseg2 = 7
21、b1100110 。4h5: oseg2 = 7b1101101 。4h6: oseg2 = 7b1111101 。4h7: oseg2 = 7b0000111 。4h8: oseg2 = 7b1111111 。4h9: oseg2 = 7b1100111 。4ha: oseg2 = 7b1110111 。4hb: oseg2 = 7b1111100 。4hc: oseg2 = 7b0111001 。4hd: oseg2 = 7b1011110 。4he: oseg2 = 7b1111001 。4hf: oseg2 = 7b1110001 。4h0: oseg2 = 7b0111111 。en
22、dcase end endmodule -扫描选择输出模块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(posedge clk) begin if (rd=1) sel=0。else if(sel=3) sel=0。else sel=sel+1。end always(
23、sel) begin case (sel1: 0) 2b00: begin seg=seg1 。c1=1。c2=0。c3=0。c4=0。end 2b01: 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 19 页begin seg=seg2 。c1=0。c2=1。c3=0。c4=0。end 2b10: begin seg=seg3 。c1=0。c2=0。c3=1。c4=0。end 2b11: begin seg=seg4 。c1=0。c2=0。c3=0。c4=1。end endcase end endmodule -整个洗衣机控制模块
24、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,tim 。reg6:0seg。reg c1,c2,c3,c4 。reg6 :
25、0seg1,seg2,seg3,seg4。reg7:0t。wire T,A。 assign T=(count=0&num=2&LAMP=2)|!EN|RD)。 /控制器产生地控制信号T assign A=(!tim&EN) 。 /报警信号always /状态转换置数 begin s1 =8h 60 。 s2 =8h 05 。 s3 =8h 60 。 s4 =8h 05 。 end always (posedge CLK) /控制器模块精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 19 页begin if(!RD) begin C=0
26、。 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=s4 。LAMP=2 。count=0。end default LAMP1) if(num3:0=0) begin num3:0=4b1001 。 num7:4=num7:4-1。 end else num3:0=num3:0-1。
27、if(num=2) temp=0。 if(num=1) num=0。 end end end else begin count=0。 num=0。 temp=0。 LAMP=2。 C=1。 end end always (negedge T) / 受控器模块 begin if(num=0&tim=0) tim=SET。 else if(num=0&LAMP=2) 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 19 页 tim=0。 else if(num=1) tim=tim-1。 end always /报警电路 begin if
28、(A) ALARM=CLK_1024 。 else ALARM=0。 end bcdma bcd1(tim,t)。decode dec1(num,seg1,seg2)。decode dec2 (t,seg3,seg4) 。scan4 sc1(RD,CLK_1024,seg1,seg2,seg3,seg4,c1,c2,c3,c4,seg)。endmodule 附录二 仿真波形图 1 BCD 码模块仿真波形图 2 七段显示译码模块仿真波形图 3 洗衣机控制器整体模块仿真波形1 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 19 页图 4 洗衣机控制器整体模块仿真波形2 图 5 洗衣机控制器整体模块仿真波形3 图 6 洗衣机控制器整体模块仿真波形4 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 19 页
