北邮数电实验 洗衣机控制器.docx
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1、北邮数电实验 洗衣机控制器数字电路与逻辑设计实验 基于CPLD 的简易洗衣机控制器的设计与实现 姓名 学院信息与通信工程学院 专业信息工程 班级 学号 班内序号 1 1. 实验任务要求 1.1. 基本要求: 洗衣机的工作步骤为洗涤、漂洗和脱水三个过程,工作时间分别为:洗涤30 秒,漂洗25 秒,脱水15 秒;掌握QuartusII图形模块单元的生成与调用。 用一个按键实现洗衣程序的手动选择:A、单洗涤;B、单漂洗;C、单脱水;D、漂洗和脱水;E、洗涤、漂洗和脱水全过程。 用发光二极管显示洗衣机的工作状态,并倒计时显示每个状态的工作时间,全部过程结束后,应有声音提示使用者,并保持在停止状态,直至
2、再次开始。 用点阵动画显示洗衣机工作过程中进水、波轮或滚筒转动、排水和甩干等的工作情况,四种工作情况的动画显示要有区别且尽可能的形象。 用一个按键实现暂停洗衣和继续洗衣的控制,暂停后继续洗衣应回到暂停之前保留的状态。 1.2. 提高要求: 三个过程的时间有多个选项供使用者选择。 可以预约洗衣时间。 自拟其它功能。 2. 系统设计 2.1. 设计思路 按照实验要求,整个系统可按功能分为时钟分频、逻辑控制、按键功能、蜂鸣器报警、数码管显示、LED显示、点阵显示。设计思路是先完成分频和逻辑控制的基本功能,在此基础上加入按键控制、报警和几个显示功能。 2.1.1 输入部分: 设置了外部时钟,开始信号,
3、暂停/继续信号,状态选择信号。 2.1.2 控制部分: 分频进程,将外部输入的50MHz时钟信号分频为1Hz和500Hz时钟信号,应用于倒计时计数和扫频; 逻辑控制进程,在符合前提条件的情况下,根据预置的状态对输入数据进行分析判断,对应相应过程的洗衣,并完成不同状态的转变,将改变的输出信号送至输出部分显示; 按键防抖动进程,避免在切换瞬间,因按键的来回弹跳对信号造成误操作; 按键状态控制进程,判断按键前一状态来确定下一状态。 2.1.3 输出部分: LED显示进程,显示当前选择的洗衣状态。 2 数码管计数扫频及显示进程,将各个洗衣状态对应的时间及倒计时情况进行显示; 点阵动画行扫描、计时及显示
4、进程,根据不同的洗衣状态设计不同动画,并进行显示; 报警进程,通过判断本次洗衣过程是否结束来发出报警信号。 2.2. 总体框图 2.2.1 总体框图 2.2.2 MOS图 2.2.3流程图 3 开始接通电源选择模式否开始?是运行过程否继续?过程暂停是暂停?否是过程结束 否报警结束?是结束2.3.分块设计 2.3.1 分频进程 进程说明 分频程序由2个程序来实现,利用分频的思想,从50MHz经过分频模块,得到1Hz和500Hz的时钟信号,其中1Hz的时钟信号用于其他进程的计时,500Hz时钟信号用于数码管扫频、点阵行扫频、按键防抖等进程。 信号说明 clock:输入的时钟信号; clk:第一个进
5、程分频后1Hz的时钟信号,每触发一次高电平时间为1秒; clk1:第二个进程分频后500Hz的时钟信号。 2.3.2逻辑控制进程 4 进程说明 为整个程序的主体,在输入拨码的高电平上升沿触发时,进行不同洗衣模式的切换;根据选择的洗衣模式,确定洗衣的时间。与led及点阵相关的代码是之后写进去的,为了逻辑思考的方便和减少代码量没有重新写进程。 长状态中三个分状态的切换,通过一个计时器、一个计数器和一个变量来完成。在倒计时开始后,变量记录下一个分状态的时间长,在状态切换时赋值给倒计时变量;同时,在倒计时开始后,点阵时间计数器开始计时,在小过程动画切换时间点,计数器计数,用于控制点阵显示进程。 LED
6、显示的实现为直接把选择状态的二进制码进行赋值。 信号说明 clk: 1Hz时钟信号; start、pause: 作为前提判断条件; state:洗衣状态对应的二进制码; time:倒计时时间变量; temp:记录下一状态时间的变量; add:点阵计时变量; point:计数器,记录当前时间对应的动画状态。 2.3.3按键防抖进程 进程说明 按键防抖动模块负责暂停/继续按键的防抖动功能。按键是机械式开关结构,在开关切换的瞬间会在接触点出现来回弹跳的现象,这种弹跳现象可能造成误动作而影响到正确性,当按下按键一次然后松开后,实际产生的按键信号跳动了多次,经过取样信号的检查后将会造成误判。因此必须加上
7、弹跳消除电路,避免误操作信号的发生。 以500Hz信号为时钟输入,变量m作为状态计数,当按键输入信号为高电平时,在时钟上升沿m加1,当m大于20时,即按键时间超过40ms时记为按键有效,把处理后信号赋值为高电平;否则按键无效,把处理后信号赋值为低电平。 信号说明 clk2:分频后500Hz时钟信号; pause_in:原始输入的按键信号; pause:输出的防抖动的按键信号; 2.3.4按键状态控制进程 进程说明 按键状态控制进程负责暂停/继续按键处理后的的电平状态切换。按键和拨码不同处在于松手后按键恢复低电平,因此要持续时间保持或改变电平状态,需要另写一进程进行控制。 使用变量pa作为0/1
8、计数,开始洗衣后,在防抖处理后的信号的上升沿时进行判断,若pa为1则维持暂停,输出低电平信号,同时pa赋值0;若pa为0.说明此时状态为暂停,按键后应该继续洗衣,所以输出高电平信号,同时pa赋值0。输出的信号就是其他进程中使用的暂停/继续信号。 信号说明 start:开始信号; pause1:输入的防抖动按键信号; pause:输出的保持状态按键信号。 5 2.3.5数码管显示进程 进程说明 数码管显示选定洗衣状态的总时间以及倒计时的情况。六个七段数码管中选择了两个来显示秒数的十位和个位,实际上轮流点亮而非一起点亮,通过使用扫频时钟信号和计数器来完成扫描,因为扫描频率足够大,利用人眼效应会使人
9、感觉两个数码管同时亮。 信号说明 clk2:分频后500Hz时钟信号; cnt:扫频计数器,直接控制cat5.0和t的切换; time:倒计时过程中的当前时间; cat5.0:数码管显示位,”111011”和”110111”随扫频信号反复切换; t:十位、个位要显示的数字,随扫频信号反复切换; distime4.0:表示6个数码管将要显示的数字。 2.3.6报警器进程 进程说明 使用1Hz信号时钟,在时钟上升沿判断当前状态,如果一个状态已结束,即state为”000”,则报警信号赋值为高电平,利用循环来限定蜂鸣器出响时间,出响时间即为计数器初值。 信号说明 clk: 1Hz时钟信号; stat
10、e:选定的洗衣状态; alarm:报警输出信号,高电平为出响; alarmtime:计数器,控制报警出响时间; 2.3.7点阵进程 进程说明 负责显示不同洗衣过程对应的图案。 可选择的每个洗衣状态中包含进水、洗衣、漂洗、排水、甩干多个小过程,需要一个计数器控制每个小过程的时间,分析实验要求发现每个小过程的时间都是5秒的倍数,所以把每个小动画设计成5秒一个周期的循环动画。 与数码管显示同理,点阵的变化显示也需要通过扫频处理,需要设置专门的计数器负责扫行计数。通过计数器产生点阵扫描,对行信号轮流进行扫描,为高电平的列信号表示被扫描行中对应列二极管发光。当扫描频率足够大时,可以让人以为不同行的二极管
11、同时点亮。 点阵的动画设计部分,设定了五种动画对应五个不同的小状态,设置变量记录当前时间对应的触发状态,进而控制点阵显示。 信号说明 clk: 1Hz时钟信号; start、pause、state:作为前提判断条件; periodtime:5s计时器,每个小过程的动画周期; runnum:扫行计数器; point:计数器,记录当前时间对应的动画状态; row7.0:点阵列变量; colorg7.0、colorr7.0:点阵列变量。 3. 仿真波形及波形分析 6 注:为方便仿真,我修改了频率,并把每个进程提取出来分别进行了仿真。 3.1 分频部分 3.1.1 仿真波形图 3.1.2 仿真使用代码
12、 3.1.3仿真波形分析 进程p1分频系数为10,进程q2分频系数为20。关于count的IF语句描述了一个计数模值为10的计数器,该计数器每一个计数周期结束,信号clk翻转一次,这样信号clk的周期为时钟信号clock周期的10倍,实现了对clock的10分频。20分频同理。实际实验中使用的是50MHz和7 500Hz的分频。 3.2 状态转换部分 3.2.1 仿真波形图 3.2.2 仿真使用代码 3.2.3仿真波形分析 初始状态为“000”,当模式选择开关高电平的上升沿到来时,状态改变一次。输出的LED状态显示依次为 001、010、100、100、110、111、000。 3.3 按键部
13、分 3.3.1 仿真波形图 8 3.3.2 仿真使用代码 3.3.3仿真波形分析 执行语句的条件为开始开关处于高电平,pause_in是输入的按键信号,当输入按键信号高电平持续时间大于3个时钟信号,输出pause1信号的为高电平,pause1信号才有效;否则,当输入按键信号高电平持续时间小于3个时钟信号,如第640ns之后的按键高电平信号,没有触发有效的pause1信号,即实现了防抖的功能。 第一个pause_in高电平信号之后,即pause1信号第一次置为高电平时,输出高电平的pause信号,进入暂停状态,此信号就是在其他进程中使用的最终信号;pause1信号第二次置为高电平时,输出低电平的
14、pause信号,继续开始。 3.4数码管部分 3.4.1 仿真波形图 9 3.4.2 仿真使用代码 10 11 3.4.3仿真波形分析 以40秒模式为例。执行语句的条件为开始开关处于高电平,观察仿真波形可以看到扫频时钟信号每触发一次高电平,扫行信号cat在110111和111011之前切换一次。 clk为计时信号,clk2为扫频信号,频率做了修改以便于仿真。 为了方便观察,我把原代码中的distime变量的改为了distime_ge和distime_shi两个变量。distime_ge为数码管显示的个位,可以看到,以cat信号两次高电平为周期,distime_ge的值变化一次,为1111011
15、、1111111、1110000、1011111、1011011、0110011、1111001、1101101、0110000、1111110,即从9到0递减;distime_shi为数码管显示的十位,可以看到distime_shi先是显示0110011,即最初的数字4,开始倒计时后显示1111001,即数字3,在十个clk时钟信号后变成1101101,即数字2。 3.5报警器部分 3.5.1 仿真波形图 3.5.2 仿真使用代码 12 3.5.3仿真波形分析 在state为“000”,即结束状态时,alarm为高电平,时间为4个时钟信号的长度,即蜂鸣器发出了4秒声响。state为其他值是a
16、larm均为低电平。 在时钟上升沿判断,当state为“000”时,进入计数循环,变量值从0累加到4时以后赋给alarm高电平。 3.6点阵时间分配部分 3.6.1 仿真波形图 3.6.2 仿真使用代码 3.6.3仿真波形分析 执行语句的条件为开始开关处于高电平,在每个时钟信号上升沿计数,add累加1,在动13 画切换时间点,比如add=5时,把动画对应的触发状态赋给变量point,在点阵动画设计进程中把point作为判断条件,使用case语句判断要调用的动画语句。 仿真波形以state为“100”为例,为了便于仿真把point用二进制信号表示。 3.7点阵动画设计部分 3.7.1 仿真波形图
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