利用FPGA簡單設計微波爐控制器

1、摘 要本文介紹了應用 FPGA 芯片和硬件描述語言(VHDL)設計微波爐控制器的方法。系統(tǒng)使用VHDL 編程實現(xiàn)各底層模塊的功能，頂層的設計采用圖形輸入完成，主要闡述模塊化設計的思想和狀態(tài)圖的描述方法，以及他們在硬件描述語言中的應用，微波爐控制器系統(tǒng)是一個實用型的系統(tǒng)，系統(tǒng)不僅具有操作簡單的功能，而且實用性能非常出色，既能節(jié)約時間又能節(jié)約能源。主要有以下幾個模塊：輸入模塊、控制模塊和顯示模塊。輸入模塊主要實現(xiàn)按鍵掃描和鍵盤譯碼，控制模塊主要包括數(shù)據(jù)裝載、計時、溫度控制，顯示模塊涉及到顯示譯碼和指示燈的閃爍。經(jīng)過對系統(tǒng)做需求分析，驗證了設計方案的可行性及實現(xiàn)方法的有效性，基本實現(xiàn)了系統(tǒng)的要求。關

2、鍵詞：關鍵詞：FPGA；VHDL；微波爐；狀態(tài)圖；定時器目 錄1. 緒論.31.1 設計的主要目的.32主要設計概述.32.1系統(tǒng)總體方案設計.33. 系統(tǒng)模塊設計.43.1輸入模塊設計.4鍵盤掃描4鍵盤譯碼53.2 控制模塊設計.6數(shù)據(jù)裝載 7計時設置7溫度控制 93.3 顯示模塊設計.124.結(jié)論.14參考文獻.14附系統(tǒng)整體結(jié)構圖.151.1 設計的主要目的目前大部分微波爐控制器采用單片機進行設計，電路比較復雜，性能不夠靈活。本設計采用先進的 EDA 技術，利用 VHDL 設計語言，設計一種新型的微波爐控制器。該控制器具有系統(tǒng)復位、狀態(tài)控制、時間設定、火力檔位選擇、烹飪計時、溫度控制、顯

3、示譯碼和音效提示功能，基于 FPGA 芯片實現(xiàn)。本系統(tǒng)控制部分以 FPGA 芯片為核心，通過功能按鍵設置和手動數(shù)據(jù)輸入，完成不同功能時自動以預置方案或者自定義方案加熱。其中，預制方案提供烹調(diào)、烘烤、解凍等系統(tǒng)烹調(diào)流程，僅供用戶選擇，無需設置；而自定義方案，用戶根據(jù)食物含量、重量等手動設置時間、溫度和選擇火力等操作。在烹飪過程中，能通過數(shù)碼管顯示或者指示燈提示知道食物的成熟度，可以智能控制。該系統(tǒng)在功能執(zhí)行時，能實現(xiàn)門開關檢測、鍵盤輸入掃描、溫度控制、LED 顯示、工作狀態(tài)指示、蜂鳴。 2.1 系統(tǒng)總體方案設計根據(jù)題目要求，該系統(tǒng)控制部分以 FPGA 芯片為核心，實現(xiàn)時間設置、溫度設定、火力選擇

4、、音效響應提示、LED 數(shù)碼管顯示等，在硬件組成上，涉及到電源供電、按鍵輸入、LED 數(shù)碼管顯示、指示燈提示等。以下是該系統(tǒng)總體框圖，如圖下圖所示：本系統(tǒng)主要由輸入、控制和顯示部分組成。輸入部分主要完成用戶對控制功能的設置，采用按鍵作為輸入設備?？刂撇糠质潜鞠到y(tǒng)的核心，它接收用戶的輸入，完成相應的控制邏輯功能，并將當前的工作狀態(tài)等信息送到顯示部分。顯示部分主要監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)并提示用戶進行控制操作。以下是該系統(tǒng)功能模塊圖，如圖所示3. 系統(tǒng)模塊設計3.1 輸入模塊設計輸入模塊采用 4*4 矩陣鍵盤作為輸入設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入控制。矩陣鍵盤是一種常見的輸入裝置，在日常生活中，矩陣鍵盤在計算機、電話

5、、手機、微波爐等格式電子產(chǎn)品上已經(jīng)被廣泛應用，計算機鍵盤通常采用行列掃描法來確定所按下鍵的行列位置。由于鍵盤按鍵是一種機械開關，所以設計其控制電路時，需要涉及到鍵盤掃描、鍵盤譯碼，光靠矩陣鍵盤是無法完成按鍵輸入工作的。 鍵盤掃描鍵盤掃描鍵盤處理的重要環(huán)節(jié)是時序產(chǎn)生、鍵盤掃描和按鍵消抖，以下分別針對所涉及到的電路進行描述。1、時序產(chǎn)生電路、時序產(chǎn)生電路本時序產(chǎn)生電路中使用了三種不同頻率的工作脈沖波形：系統(tǒng)時鐘脈沖、掃描鍵盤時鐘、鍵盤消抖動時鐘。分別定義如下：CLK: IN STD_LOGIC; -系統(tǒng)時鐘脈沖CLK_SCAN : OUT STD_LOGIC; -掃描鍵盤時鐘 CLK_DEB :

6、OUT STD_LOGIC -鍵盤消抖動時鐘一般消抖動信號時鐘頻率必須比其它的電路使用的脈沖信號頻率更高,一般消抖動頻率是鍵盤掃描或 LED 頻率的 4 倍或更高。這里系統(tǒng)時鐘頻率取 50MHZ，掃描時鐘頻率取100KHZ，消抖時鐘頻率取 200KHZ。生成的電路符號如下，圖所示：CLKCLK_SCANCLK_DEBclk_geninst2、按鍵掃描電路、按鍵掃描電路所謂行列式鍵盤掃描，即用帶有 I/O 口的線組成行列式結(jié)構，按鍵設置在行列的交點上。行列式矩陣鍵盤原理：按鍵設置在行列線的交叉點，行列線分別連接到按鍵的兩端。列線通過上拉電阻截止+5V 電壓，即列線的輸出被定位到高電平狀態(tài)；判斷有

7、無按鍵按下時通過行線送出掃描信號，然后列線讀取狀態(tài)得到。其方法是依次給行線送低電平，檢查列線的輸入。若列線全為高電平，則代表所在行無按鍵按下，若列線出現(xiàn)低電平，則低電平所在的行和出現(xiàn)低電平的列的交叉點處有按鍵 按下。行掃描信號為 KEY_DRV3.0，列輸入信號為 KEY_IN3.0鍵盤譯碼鍵盤譯碼通過一個譯碼程序，將鍵盤掃描后的值根據(jù)需要設定成相應的按鍵。程序設計如下： key_decode : PROCESS(SC_CLK) BEGIN Z K_VALUE K_VALUE K_VALUE K_VALUE K_VALUE K_VALUE K_VALUE K_VALUE K_VALUE K_V

8、ALUE K_VALUE K_VALUE K_VALUE K_VALUE K_VALUE K_VALUE K_VALUE=K_VALUE; -默認情況為K_VALUE 保持原來狀態(tài)，相當于實現(xiàn)鎖存器 END CASE;生成相應的電路符號，如圖所示：SC_CLKKEY_DRV3.0KEY_IN3.0OUT_CLKOUT_DATA15.0key_decodeinst13.2 控制模塊設計控制模塊是整個微波爐控制器系統(tǒng)的核心，完成許多復雜的控制和數(shù)據(jù)處理任務，它通過輸入模塊提供的按鍵輸入實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息裝載處理，控制顯示模塊顯示相應的信息。控制模塊采用 FPGA 芯片作為主控芯片，其涉及到數(shù)據(jù)的裝載、狀

9、態(tài)控制轉(zhuǎn)換、烹飪計時、溫度控制、火力控制、音效提示等。其中，狀態(tài)控制轉(zhuǎn)換子模塊，其功能是控制微波爐工作過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并發(fā)出相關控制信號。數(shù)據(jù)裝載子模塊，其功能是根據(jù)按鍵信號設置定時時間、最高溫度、火力檔位，烹調(diào)屬性設置以及烹調(diào)數(shù)據(jù)信息裝載。烹飪計時子模塊，其功能是對時鐘進行減法計數(shù)，提供烹調(diào)完成時的狀態(tài)信號。溫度控制子模塊，其功能是在食物烹飪過程中進行溫度測定和控制，它同時實現(xiàn)火力控制。音效控制子模塊，其功能是控制微波爐工作時的音效提示，這里直接外接一個蜂鳴器實現(xiàn)該功能。其功能子模塊圖如下，圖所示：控控制制模模塊塊Control數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)裝裝載載子子模模塊塊ZZQ烹烹飪飪計計時時子子模模塊塊

10、JSQ溫溫度度控控制制子子模模塊塊KWQ音音效效控控制制子子模模塊塊ALARM狀狀態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換控控制制子子模模塊塊KZQ 數(shù)據(jù)裝載數(shù)據(jù)裝載數(shù)據(jù)裝載器 ZZQ，它本質(zhì)上就是一個三選一的數(shù)據(jù)選擇器。根據(jù)其應完成的邏輯功能，本設計可采用一個進程來完成，但由于三個被選擇的數(shù)據(jù)只有一個來自輸入口，因此另兩個被選擇的數(shù)據(jù)則通過進程的說明部分定義兩個常數(shù)來產(chǎn)生。由于 ZZQ 裝入測試的數(shù)據(jù)可以用 8 個 8 作為顯示驅(qū)動信息數(shù)據(jù)，因此，將該用于顯示的常數(shù) ALLS 分解成 8 個“8”，其中 4 個“8”作為時間顯示驅(qū)動信息，3 個“8”作為溫度顯示驅(qū)動信息，1 個“8”作為火力檔位顯示驅(qū)動信息，分別經(jīng)過八

11、個譯碼器譯碼后顯示驅(qū)動信息編碼。因此，該常數(shù)應是 8 個分段的 4 位 BCD 碼，即“1000 1000 1000 1000”和“1000 1000 1000 1000” ，同理，DONE 的 BCD 碼分別為“1010 1011 1100 1101”以顯示 donE 的常數(shù) DONE。通過上述分析，該模塊的主要程序可實現(xiàn)如下： PROCESS(DATA1,LD_TEST,LD_CLK,LD_DONE) IS VARIABLE TEMP:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); BEGIN LOAD DATA2 DATA2 DATA2 NULL; END CASE; END

12、 PROCESS;完成 VHDL 源程序的輸入，編譯、運行，生成相應的電路符號，如下圖所示：DATA115.0LD_TESTLD_CLKLD_DONEDATA215.0LOADALARMZZQinst5 計時設置計時設置計時器 JSQ 為減計數(shù)計數(shù)器，其最大計時時間為 59:59，因此可用兩個減計數(shù)十進制計數(shù)器 DCNT10 和兩個減計數(shù)六進制計數(shù)器 DCNT6 級聯(lián)構成。其中，兩個十進制的減法計數(shù)器用于分、秒的個位減法計數(shù)，兩個六進制的減法計數(shù)器用于分、秒的十位減法計數(shù)。由所學知識可知，計數(shù)的功能是累計輸入脈沖的個數(shù)，實現(xiàn)計數(shù)功能的數(shù)字電路即計數(shù)器，被計數(shù)的脈沖可以是周期性脈沖，也可以是非周

13、期性脈沖，通常加在計數(shù)器的時鐘脈沖輸入端，作為計數(shù)器的時鐘脈沖。因此，根據(jù)減法計數(shù)器隨計數(shù)脈沖的不斷輸入而遞減計數(shù)，在具體設計該十進制減法計數(shù)器和六進制減法計數(shù)器過程中，可以當計數(shù)值減到 0 時，其計數(shù)器的數(shù)值自動轉(zhuǎn)為定時設定時間，在十進制計數(shù)器的設計過程中，可表達為： IF CQI=0000 THEN CQI=1001; ELSE CQI=CQI-1;同理，六進制計數(shù)器的設計表達式為： IF CQI=0000 THEN CQI=0101; ELSE CQI=(cout-6) AND tout=(cout+5) THEN -設定值上下 5 度的范圍內(nèi)開始計時 enout=1; ELSE eno

14、ut=0; END IF;- 時鐘定時部分 PROCESS (CLK ,clearing , enin ) VARIABLE s , m : INTEGER RANGE 0 TO 60; VARIABLE e : INTEGER RANGE 0 TO 24; VARIABLE d : BIT; BEGIN d:=clearing XOR enin; IF (d=0) THEN s:=0; m:=0 e:=0; ELSIF (CLKEVENT AND CLK=1) THEN s:=s+1; IF (s=10) THEN s:=0;m:=m+1; IF (m=10) THEN m:=0;e:=e+

15、1; IF (e=24) THEN e:=0; hourout = e;-控制部分BEGIN IF (tin(cin+5) THEN -cin 是參數(shù)設定值 temp=1; ELSE temp=0; END IF; IF (CLKEVENT AND CLK=1) THEN control_bcdhourin) THEN ALARM=1; ELSE ALARMDOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7=0000000; END CASE; END PROCESS;生成電路符號，如圖所示：A

16、IN43.0DOUT76.0YMQinst44.結(jié)論本文是利用 ALTERA 公司的 QUARTUS 開發(fā)環(huán)境和軟件，進行 VHDL 程序設計，然后進行仿真，調(diào)試，實現(xiàn)了一個簡單的微波爐控制器系統(tǒng)的設計。設計的重點主要在系統(tǒng)的規(guī)劃以及程序的設計與調(diào)試上，要做到鍵盤與數(shù)碼管，LED 燈的一體化，需要在鍵位設置時進行準確的設計，通過鍵盤的掃描，和譯碼，達 到一鍵一碼的目的，做到功能的完善。設計的難點主要在功能控制上，數(shù)據(jù)和控制信號較多，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化也較為復雜，在設計中帶來了一些困難。本設計也存在一定的不足。由于本身能力和實驗器材的限制，無法在系統(tǒng)中建立完善的體制，只是實現(xiàn)了一個微波爐控制器的基本功能。參考文獻1 李華MCS- 51 系列單片機使用接口技術北京：北京航空航天大學出版社，19902 黃繼昌傳感器工作原理及應用實例北京：人民郵電出版社，19983 紀宗南單片機外圍器件實用手冊輸入通道器件分冊北京：北京航空航天大學出版社，19984 閻石數(shù)字電子技術基礎北京：高等教育出版社，20045 張志剛FPG