基于FPGA的洗衣機控制器的設計21頁

1、湖南文理學院課程設計報告課程名稱： 自動化專業(yè)課程設計 專業(yè)班級： 自動化 2班 學生姓名： 石 揚 指導教師： 彭 琛 完成時間： 報告成績： 評閱意見： 評閱教師 日期 基 于 F P G A 的 洗 衣 機 控 制 器 的 設 計 摘 要基于FPGA的洗衣機控制器設計，主要通過使用VerilogHDL語言，在Quartus2上完成電路設計以及程序開發(fā)模擬。實現(xiàn)以洗衣機控制器為核心，加上必要的外圍電路，能夠?qū)ο匆聶C工作狀態(tài)自由控制。全部程序由控制器模塊，分頻模塊，按鍵去抖模塊，顯示譯碼模塊組成，頂層模塊使用原理圖實現(xiàn)，底層由Verilog HDL語句實現(xiàn)。核心控制器FPGA根據(jù)控制端口的信

2、號輸入，向洗衣機發(fā)出正傳，反轉(zhuǎn)，待機信號，并通過數(shù)碼管和LED燈顯示當前的工作狀態(tài)以及工作時間。該洗衣機控制電路可以方便快捷的實現(xiàn)對洗衣機的控制和狀態(tài)的顯示功能，同時具有緊急暫停待機功能，保證控制的可靠性，以及洗滌循環(huán)次數(shù)報警功能，提高任務精度。 目錄一、系統(tǒng)設計11、設計要求12、總體設計方案11.設計思路12.系統(tǒng)組成1二、單元硬件電路設計21、按鍵模塊22、顯示模塊23、中心控制模塊2三、軟 件 設 計31、控制模塊程序設計32、顯示譯碼程序設計43、按鍵去抖程序設計44、分頻模塊程序設計5四、系統(tǒng)仿真測試51、控制模塊仿真52、顯示譯碼模塊仿真73、分頻模塊仿真84、按鍵去抖模塊仿真8

3、五、心得體會9六、參考文獻10七、附錄11附錄一：電路使用說明11附錄二：電路原理圖11附錄三：程序代碼121.控制器模塊程序122.顯示譯碼模塊程序153.按鍵去抖模塊程序164.分頻模塊程序17基于FPGA的洗衣機控制器的設計 一、系統(tǒng)設計1、設計要求1洗衣機的狀態(tài)為待機5s正轉(zhuǎn)60s待機5s反轉(zhuǎn)60s，并用3個LED燈和7段顯示器分別表示其工作狀態(tài)和顯示相應工作狀態(tài)下的時間。2可自行設定洗衣機的循環(huán)次數(shù)，這里設置最大的循環(huán)次數(shù)為15次。3具有緊急情況的處理功能。當發(fā)生緊急情況時，立即轉(zhuǎn)入待機狀態(tài)，緊急情況解除后，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)步驟；4洗衣機設定循環(huán)次數(shù)遞減到零時立即報警，以表示洗衣機設定的

4、循環(huán)次數(shù)已經(jīng)結(jié)束。2、總體設計方案1、設計思路題目要求設計一個洗衣機控制電路，實現(xiàn)對洗衣機工作狀態(tài)的控制。1. 中心控制模塊基本實現(xiàn)要求功能，包括計時、LED輸出、電機正反轉(zhuǎn)信號輸出、洗滌循環(huán)置數(shù)設置。2. 分頻模塊實現(xiàn)從高頻向低頻轉(zhuǎn)換，供中心控制模塊使用3按鍵去抖模塊，實現(xiàn)對按鍵的去抖功能。4. 數(shù)碼顯示電路，將10進制時間通過數(shù)碼管顯示出來。2、系統(tǒng)組成洗衣機控制電路主要由中心控制模塊、按鍵模塊，顯示模塊，時鐘分頻模塊，四部分組成組成。FPGA鍵盤模塊（按鍵，撥碼開關等）顯示模塊（數(shù)碼管，LED燈等）晶體振蕩模塊（產(chǎn)生100Hz信號）報警功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 二、單元硬件電路設計1、按鍵模塊設

5、有1個按鍵：add；1個撥碼開關start。add用于初始狀態(tài)下設置循環(huán)次數(shù)，沒按一次循環(huán)次數(shù)加一，start用于啟動和停止洗衣機。2、顯示模塊 設有3個LED燈，兩個數(shù)碼管，一個蜂鳴器。LED燈用來表示當前狀態(tài)，數(shù)碼管用來表示當前狀態(tài)所剩余時間。蜂鳴器用來表示洗衣是否完成，洗衣完成時蜂鳴器發(fā)出聲音。3、中心控制模塊中心控制模塊是以一片altera公司的Cyclone2系列FPGA為主體，配合一些外圍電路實現(xiàn)的。Cyclone2 系列FPGA采用全銅層、低K值、1.2伏SRAM工藝設計，裸片尺寸被盡可能最小的優(yōu)化。采用300毫米晶圓，以TSMC成功的90nm工藝技術(shù)為基礎，Cyclone II

6、 器件提供了4,608到68,416個邏輯單元（LE），并具有一整套最佳的功能，包括嵌入式18比特x18比特乘法器、專用外部存儲器接口電路、4kbit嵌入式存儲器塊、鎖相環(huán)（PLL）和高速差分I/O能力。 三、軟 件 設 計采用Quartus2作為開發(fā)工具對可編程邏輯器件FPGA的編程，底層由Verilog HDL語句實現(xiàn)，頂層使用原理圖實現(xiàn)。軟件設計由控制模塊，分頻模塊，按鍵去抖模塊，顯示譯碼模塊四部分組成，由于輸入時鐘為100 HZ，因此使用分頻模塊輸出1HZ的方波，給控制模塊提供每1s自加1的信號，控制模塊輸出的計數(shù)時間輸入給數(shù)碼管顯示譯碼模塊，通過譯碼模塊定時器的值可以在數(shù)碼管上顯示，

7、控制模塊由此1hz的方波信號可以控制洗衣機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、待機和報警工作方式。按鍵消抖模塊的作用是為了消除按鍵抖動而設立的。1、控制模塊程序設計控制模塊采用有限狀態(tài)機實現(xiàn)對洗衣機工作狀態(tài)的控制。狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖s0: 待機狀態(tài) s1:正轉(zhuǎn)狀態(tài) s2:待機狀態(tài) s3:反轉(zhuǎn)狀態(tài)軟件流程圖循環(huán)設置循環(huán)開始待機5秒正轉(zhuǎn)60秒待機5秒反轉(zhuǎn)60秒達到循環(huán)次數(shù)最大值循環(huán)結(jié)束循環(huán)次數(shù)未到報警開始2、顯示譯碼程序設計數(shù)碼管顯示譯碼模塊主要功能是把定時器送來的值譯碼并通過數(shù)碼管顯示出來。fpga的Verilog HDL硬件語言是并行的這有別于軟件的描述語言掃描方式。3、按鍵去抖程序設計在進行獨立按鍵或者矩陣式按鍵的設

8、計的時候，我們在按下鍵盤的時候其實并不只是按下去而是有一個抖動的過程，就連松手的過程也有抖動，然而這個抖動通常被人們所忽略，從而導致輸入數(shù)據(jù)的錯誤和亂碼，因此我們必須對按鍵進行按鍵的消抖處理。fpga的Verilog HDL語言是硬件描述語言，主要運用了狀態(tài)機和延時的消抖方式。4、分頻模塊程序設計該模塊通過輸入的clock信號（100HZ）分頻后得到1HZ，供給中心控制模塊，其余模塊使用未分頻的100HZ信號。 四、系統(tǒng)仿真測試1、控制模塊仿真 頂層原理圖設計 設置循環(huán)次數(shù)為3，按start后洗衣機開始工作。循環(huán)次數(shù)由3次減為2次，從電機反轉(zhuǎn)到待機狀態(tài)待機5秒后，電機正轉(zhuǎn)，開始第二次循環(huán)當按下

9、emergency緊急狀況按鈕計數(shù)器count保持不變，電機停止轉(zhuǎn)動當emergency結(jié)束后電機恢復轉(zhuǎn)動，洗衣機正常工作循環(huán)次數(shù)結(jié)束，count和times同時清零，洗衣機停止工作2、顯示譯碼模塊仿真3、分頻模塊仿真4.按鍵去抖模塊仿真 五、心得體會經(jīng)過2周的設計，通過不斷地努力與完善，終于完成了這次的專業(yè)綜合課程設計。從一開始的確定課題，到后來的資料查找、理論學習，這一切都使我的理論知識和動手能力進一步得到提高。在選擇課題、原理分析、調(diào)試過程中不可避免地遇到各種問題，這要求保持沉著冷靜，聯(lián)系書本理論知識積極地思考，遇到解決不了的可以請教同學或指導老師，雖然在設計過程中不可避免地遇到很多問題

10、，但是最后還是在老師以及同學的幫助下圓滿解決了這些問題，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)設計與最后調(diào)試，相關指標達到期望的要求，很好地完成了。經(jīng)過這次課程設計培養(yǎng)了我的設計能力以及全面的考慮問題能力。雖然設計的過程是痛苦的但是收獲成功的喜悅卻是如此的讓人激動。相信這次課程設計對我以后的學習及工作都會產(chǎn)生積極深遠的影響。 另外。通過使用VerilogHDL語言編程實現(xiàn)了一個洗衣機控制器，實現(xiàn)了各項控制要求，該控制器操作簡單，可用于實際的洗衣機控制器設計中。在Quartus2上完成電路設計以及程序開發(fā)模擬。實現(xiàn)以洗衣機控制器為核心，加上必要的外圍電路，能夠?qū)ο匆聶C工作狀態(tài)自由控制。全部程序由控制器模塊，分頻模塊，按

11、鍵去抖模塊，顯示譯碼模塊組成，頂層模塊使用原理圖實現(xiàn)，底層由Verilog HDL語句實現(xiàn)。核心控制器FPGA根據(jù)控制端口的信號輸入，向洗衣機發(fā)出正傳，反轉(zhuǎn)，待機信號，通過數(shù)碼管和LED燈顯示當前的工作狀態(tài)以及工作時間。該洗衣機控制電路可以方便快捷的實現(xiàn)對洗衣機的控制和狀態(tài)的顯示功能，同時具有緊急暫停待機功能，保證控制的可靠性，以及洗滌循環(huán)次數(shù)報警功能，提高任務精度。 六、參考文獻1、黑金開發(fā)板配套教程VerilogHDL那些事兒2、康華光主編電子技術(shù)基礎數(shù)字部分（第五版）3、陳明義主編電子技術(shù)課程設計實用教程S 2002年05月第1版4、EDA先鋒工作室設計與驗證Verilog HDL 5、

12、馬建國.孟憲元編著FPGA現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計 七、附錄附錄一：電路使用說明1.電路通電后，在start開關未閉合前可以通過add按鍵開關設置洗衣機洗滌循環(huán)次數(shù)（待機-正轉(zhuǎn)-待機-反轉(zhuǎn)，為一次循環(huán)）。2.設定循環(huán)次數(shù)以后，閉合start開關，洗衣機控制器開始工作。3.可以觀察到指示待機LEDSTOP燈亮5s，正轉(zhuǎn)LEDZHENG燈亮60S，待機LEDSTOP亮5s，反轉(zhuǎn)LEDFAN燈亮60s，如此循環(huán)直至工作允許時間為0，報警器發(fā)出警報。4.當按下emergency緊急情況鍵時，電機停止工作，開始進入待機狀態(tài)，同時LEDSTOP亮。附錄二：電路原理圖附錄三：程序代碼1.控制器模塊程序module

13、xiyiji(add,ledzheng,ledfan,ledstop,clk,zheng,fan,start,alram,emergency,count);input add,clk,start,emergency; /add循環(huán)次數(shù)，start洗衣機工作emergency緊急工作output ledzheng,ledfan,ledstop,zheng,fan,alram,count; /ledzheng正轉(zhuǎn)ledfan反轉(zhuǎn)，ledstop暫停alram警報，count計數(shù)reg ledzheng,ledfan,ledstop;reg zheng,fan;reg alram;reg 3:0ti

14、m,times;reg 9:0 counter;reg 7:0 count;reg 3:0 state;parameter s0=4'b0001;parameter s1=4'b0010;parameter s2=4'b0100;parameter s3=4'b1000; /4種工作狀態(tài)always (posedge add) begin if(tim<15) /最大循環(huán)次數(shù)15次 tim<=tim+1'b1; else tim<=0; end always (posedge clk)begin if(start=0) /strart=

15、0時，賦初值 begin zheng<=0; fan<=0; count<=8'b00000000; times<=tim; alram<=1'b0; end else begin if(emergency=1) /緊急情況時，暫停 begin zheng<=1'b0; fan<=1'b0; ledstop<=1'b1; ledzheng<=1'b0; ledfan<=1'b0; end else case(state) s0:begin /狀態(tài)s0開始 if(times=0)

16、begin alram<=1'b1; count<=8'b00000000; end else begin zheng<=0;fan<=0; ledzheng<=1'b0; ledfan<=1'b0; ledstop<=1'b1; if(count=8'b00000101) /待機時間夠5秒 begin state<=s1; /狀態(tài)轉(zhuǎn)換到s1 zheng<=1;fan<=0; ledzheng<=1'b1; ledfan<=1'b0; ledstop<=

17、1'b0; count<=8'b00000001; end else count<=count+1'b1; end end s1:begin /狀態(tài)s1開始 zheng<=1;fan<=0; ledzheng<=1'b1; ledfan<=1'b0; ledstop<=1'b0; if(count=8'b00111100) /正轉(zhuǎn)夠60秒 begin state<=s2; /切換到s2 zheng<=0;fan<=0; ledzheng<=1'b0; ledfan&

18、lt;=1'b0; ledstop<=1'b1; count<=8'b00000001; end else count<=count+1'b1; end s2:begin /s2開始 zheng<=0;fan<=0; ledzheng<=1'b0; ledfan<=1'b0; ledstop<=1'b1; if(count=8'b00000101) /待機時間夠5秒 begin state<=s3; zheng<=0;fan<=1; ledzheng<=1&#

19、39;b0; ledfan<=1'b1; ledstop<=1'b0; count<=8'b00000001; end else count<=count+1'b1; end s3:begin /s3開始 zheng<=0;fan<=1; ledzheng<=1'b0; ledfan<=1'b1; ledstop<=1'b0; if(count=8'b00111100) /反轉(zhuǎn)夠60秒 begin times<=times-1'b1; count<=8

20、9;b00000001; state<=s0; zheng<=0;fan<=0; ledzheng<=1'b0; ledfan<=1'b0; ledstop<=1'b1; end else count<=count+1'b1; if(times=1&&count=8'b00111100) /如果循環(huán)次數(shù)結(jié)束，并且反轉(zhuǎn)夠60秒，則停止工作，報警 begin alram<=1'b1; count<=8'b00000000; end end default: begin st

21、ate<=s0; end endcase end endendmodule2.顯示譯碼模塊程序module shumaguan(qclock,code1,code2,discode,enable); input qclock; input 3:0code1,code2; output 6:0discode; output 1:0enable; reg 6:0discode; reg 1:0enable; reg 2:0count; reg 3:0code; always(posedge qclock) begin if(count=1) count<=0; else count&l

22、t;=count+1; case(count)3'b000: begin code<=code2;enable<=8'b10; end3'b001: begin code<=code1;enable<=8'b01; end endcase case(code)4'b0000:discode<=7'b1111110;4'b0001:discode<=7'b0110000;4'b0010:discode<=7'b1101101;4'b0011:discode<=7'b1111001;4'b0100:discode<=7'b0110011;4'b0101:discode<=7'b1011011;4&