可編程微波爐控制器的設(shè)計(jì)

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在涉及通信、國(guó)防、航天、醫(yī)學(xué)、工業(yè)自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、儀器儀表等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，EDA技術(shù)的含量正以驚人的速度上升；電子類的高新技術(shù)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)也日益依賴于EDA技術(shù)的應(yīng)用。設(shè)計(jì)者的工作僅限于利用軟件的方式來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的描述，在EDA工具的幫助下并應(yīng)用相應(yīng)的FPGA/CPLD器件，就可以得到最后的設(shè)計(jì)結(jié)果。盡管目標(biāo)系統(tǒng)是硬件，但整個(gè)設(shè)計(jì)和修改過(guò)程如同完成軟件設(shè)計(jì)一樣方便和高效，從而使產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期大為縮短、性能價(jià)格比大幅提高。不言而喻，EDA技術(shù)將迅速成為電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的極其重要的組成部分。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Altera MAXⅡ系列性價(jià)比較高的EPM240T100C5可編程邏輯器件作為信號(hào)處理及系統(tǒng)控制核心，完成包括分頻、計(jì)數(shù)、顯示等一系列工作，結(jié)合所需的外圍模塊，組成一個(gè)最小系統(tǒng)，完成按鍵控制、LED顯示、音頻提示?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。

    利用CPLD/FPGA可編程的特點(diǎn),使電路大為簡(jiǎn)化，利用軟件Quartus II和硬件描述語(yǔ)言VHDL對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行編程、調(diào)試和仿真，使得設(shè)計(jì)、調(diào)試方便便捷，充分地發(fā)揮了CPLD/FPGA的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)。
2 微波爐控制器的整體設(shè)計(jì)方案
　根據(jù)該微波爐的功能設(shè)計(jì)要求，軟件設(shè)計(jì)可由：分頻器、狀態(tài)控制器、 數(shù)據(jù)裝載器大、計(jì)時(shí)器、顯示器、微波加熱信號(hào)鎖存器6個(gè)模塊組成。各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

2.1 分頻器fredivn的設(shè)計(jì)
　在接口電路中,時(shí)鐘信號(hào)的作用至關(guān)重要，一般CPLD的外部時(shí)鐘信號(hào)可達(dá)到幾十MHz，但是由于一些接口電路的特性所致，這樣高頻率的時(shí)鐘不適合電路工作，所以應(yīng)該引入時(shí)鐘分頻電路產(chǎn)生適合接口的工作頻率。分頻模塊的設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生合適的掃描時(shí)鐘、計(jì)數(shù)時(shí)鐘和閃爍時(shí)鐘，其外部接口如圖3所示。時(shí)鐘發(fā)生器的輸入是全局時(shí)鐘clk，是從50 MHz的石英晶振得到的信號(hào)。輸出信號(hào)是掃描時(shí)鐘clk 1 kHz、clk 5 Hz和clk 1 Hz。
    部分關(guān)鍵程序如下：
------1 kHz分頻---------------
process(clk)
variable count0:integer range 0 to 24999;
begin
if clk'event and clk='1' then
    if count0=24999 then
           clk0<=not clk0;
           count0:=0;
           else count0:=count0+1;
    end if;
end if;
clk1kHz<=clk0;
end process;
------5 Hz分頻---------------
process(clk0)
variable count1:integer range 0 to 99;
begin
if clk0'event and clk0='1' then
     if count1=99 then clk1<=not clk1;count1:=0;
           else count1:=count1+1;
     end if;
end if;
clk5 Hz<=clk1;
end process;
-----1 Hz分頻-----------------
process(clk0)
variable count2:integer range  0 to 499;
begin
if clk0′event and clk0=′1′ then
     if count2=499 then clk2<=not clk2;count2:=0;
           else count2:=count2+1;
        end if;
end if;
clk1Hz<=clk2;
end process;
end;

2.2 狀態(tài)控制器state的設(shè)計(jì)
　通常狀態(tài)機(jī)是控制單元的主體，它接收外部信號(hào)及數(shù)據(jù)單元產(chǎn)生的狀態(tài)信息，產(chǎn)生控制信號(hào)。微波爐狀態(tài)控制器state的功能是控制微波爐工作過(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并發(fā)出有關(guān)控制信息，因此可用一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)微波爐工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)換條件及輸出信號(hào)進(jìn)行分析，可得到其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。

    該狀態(tài)機(jī)有8個(gè)狀態(tài)。當(dāng)狀態(tài)機(jī)的reset信號(hào)為0時(shí)，狀態(tài)機(jī)復(fù)位到idle狀態(tài)，當(dāng)reset信號(hào)為1時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于工作狀態(tài)或待機(jī)狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換關(guān)系是:當(dāng)前狀態(tài)是idle狀態(tài),在時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí),如果輸入信號(hào)test=0或stall_1=0或stall_2=0或stall_3=0,則轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)tap1或tap2或tap3或tap4, 否則仍停留在idle狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了微波爐上電復(fù)位時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)test=0時(shí)，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入測(cè)試狀態(tài)tap1。當(dāng)stall_1=0或stall_2=0或stall_3=0時(shí)，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入檔位狀態(tài)tap2或tap3或tap4其中一個(gè)狀態(tài)后,而這三個(gè)狀態(tài)之間也可以相互轉(zhuǎn)換。在每一個(gè)檔位狀態(tài)內(nèi)，同時(shí)也嵌入了計(jì)數(shù)狀態(tài)tap5，只要設(shè)置好輸入時(shí)間，如果start=0則可以進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)，否則仍停留在其中狀態(tài)之一內(nèi)。當(dāng)處于計(jì)時(shí)狀態(tài)時(shí)，如果stop=0，則轉(zhuǎn)入停止?fàn)顟B(tài)tap6，使微波爐處于停止工作狀態(tài)，而停止?fàn)顟B(tài)tap6與計(jì)時(shí)狀態(tài)tap5之間也是可以相互轉(zhuǎn)換的，當(dāng)start=0，則轉(zhuǎn)回計(jì)時(shí)工作狀態(tài)，否則仍停留在停止?fàn)顟B(tài)tap6。當(dāng)計(jì)時(shí)完畢，則由計(jì)數(shù)器輸出done=1信號(hào)，從計(jì)時(shí)工作狀態(tài)tap5轉(zhuǎn)換到結(jié)束狀態(tài)tap7。不管處于哪個(gè)狀態(tài)，只要reset為0，則狀態(tài)機(jī)會(huì)立刻轉(zhuǎn)換為初始狀態(tài)idle。
　狀態(tài)機(jī)state的外部接口如圖5所示。

2.3 數(shù)據(jù)裝載器data的設(shè)計(jì)
　數(shù)據(jù)裝載模塊的控制信號(hào)基本是從狀態(tài)機(jī)輸出的信號(hào)中得到的。其功能主要是實(shí)現(xiàn)時(shí)間數(shù)據(jù)的輸入、微波爐控制器當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)的輸出。當(dāng)處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)“0000 0”將會(huì)送到寄存器內(nèi)，寄存器再把數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)輸出端口；在測(cè)試狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)“8888 8”會(huì)被送到寄存器內(nèi)，寄存器再把數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)輸出端口；在結(jié)束狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)為“donE 0”會(huì)被送到寄存器內(nèi)，寄存器再把數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)輸出端口。在啟動(dòng)檔位時(shí)，檔位數(shù)據(jù)也會(huì)被輸入到寄存器中，這時(shí)就可以輸入時(shí)間數(shù)據(jù)，時(shí)間數(shù)據(jù)的輸入有4位——分高位min_h、分低位min_l、秒高位sec_h、秒低位sec_l，每一個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)的輸入也會(huì)送到寄存器內(nèi)，再送到數(shù)據(jù)的輸出端口。其中bn和sn是閃爍使能信號(hào)的輸出。數(shù)據(jù)裝載器的輸入與輸出端口如圖6所示。

2.4 計(jì)數(shù)器counter的設(shè)計(jì)
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，counter為減數(shù)計(jì)數(shù)器，其最大計(jì)時(shí)99：59。因此可以用3個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和1個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。計(jì)數(shù)器的工作與狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)狀態(tài)機(jī)處在復(fù)位狀態(tài)、測(cè)試狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、結(jié)束狀態(tài)、檔位狀態(tài)都屬于不工作狀態(tài)，只有在計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)，才會(huì)工作。計(jì)數(shù)器如果進(jìn)入了停止?fàn)顟B(tài)，會(huì)保留當(dāng)前計(jì)數(shù)值，當(dāng)再次按下開(kāi)始鍵時(shí)，計(jì)數(shù)器由當(dāng)前值開(kāi)始計(jì)數(shù)。
    4個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)使能端相連、置數(shù)使能端相連，實(shí)現(xiàn)同時(shí)計(jì)數(shù)和同時(shí)置數(shù)。第一個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖是從1 kHz輸入的，第二個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖clk與第一個(gè)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位cn相連，第三個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖clk與第二個(gè)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位相連cn，第四個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖clk與第三個(gè)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位cn相連，設(shè)計(jì)中使用了庫(kù)中的一個(gè)4輸入與門，所有進(jìn)位輸出都連接到4輸入與門，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束，done輸出“1”信號(hào)。
2.5 微波加熱信號(hào)鎖存器latch_cook的設(shè)計(jì)
　對(duì)于latch_cook的設(shè)計(jì)，主要用來(lái)鎖存微波信號(hào)，數(shù)據(jù)的輸入由狀態(tài)控制得到，當(dāng)啟動(dòng)檔位1時(shí)，st1_en輸出信號(hào)為1、st1_en輸出信號(hào)為0、st1_en輸出信號(hào)為0，1_en與d1相連、 st2_en與d2相連、 st3_en與d3相連，也就是d1d2d3輸入端口的數(shù)據(jù)是啟動(dòng)檔位1的輸出數(shù)據(jù)“001”。同理，當(dāng)啟動(dòng)檔2時(shí)，d1d2d3輸入端口的數(shù)據(jù)為“010”，啟動(dòng)檔位3時(shí)，d1d2d3輸入端口的數(shù)據(jù)為“011”，其他狀態(tài)時(shí)latch_cook模塊設(shè)計(jì)中使用了兩個(gè)進(jìn)程。第一個(gè)進(jìn)程是把輸入微波信號(hào)賦給寄存器q,當(dāng)g使能信號(hào)為1時(shí)，判斷是哪個(gè)檔位微波加熱信號(hào)后，再對(duì)寄存器q進(jìn)行賦值。使能端g是從load_en取得信號(hào)值的。輸出load_en為1信號(hào)只有復(fù)位、測(cè)試、結(jié)束、檔位這幾個(gè)工作狀態(tài)。其中只有在檔位狀態(tài)時(shí)才能觸發(fā)進(jìn)程，其他都不能。第二個(gè)進(jìn)程是對(duì)微波信號(hào)的鎖存控制，eo與計(jì)數(shù)使能端相連，只有在計(jì)數(shù)時(shí)才能觸發(fā)進(jìn)程，使cook輸出信號(hào)值，否則cook輸出高阻抗信號(hào)。latch_cook的輸入、輸出端口如圖7所示。

    部分關(guān)鍵程序如下：
architecture one of latch_cook is
signal q:std_logic_vector(2 downto 0);
signal s:std_logic_vector(2 downto 0);
begin
s<=d1&d2&d3;
process(s)
begin
if g='1'then
case s is
    when"001"=>q<="001";--檔位3
    when"010"=>q<="010";--檔位2
    when"100"=>q<="100";--檔位1
    when others=>null;
    end case;
end if;
end process;

process(oe)
begin
if oe='1'then--輸出信號(hào)
    cook<=q;
else
cook<="ZZZ";--呈現(xiàn)高阻抗
end if;
end process;
end;
2.6 顯示譯碼器LED的設(shè)計(jì)
　對(duì)于顯示電路,硬件上使用了串行連接的設(shè)計(jì)，即每個(gè)數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的引腳都接在一起，通過(guò)控制公共端控制相應(yīng)數(shù)碼管的亮滅(共陰極數(shù)碼管的公共端為高電平時(shí)，LED不亮；共陽(yáng)極的公共端為低電平時(shí)，LED不亮)。
    因此，在顯示模塊里有4個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)——數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描計(jì)數(shù)進(jìn)程、數(shù)碼管位動(dòng)態(tài)掃描進(jìn)程、數(shù)碼管閃爍顯示進(jìn)程、譯碼信號(hào)進(jìn)程。顯示模塊工作首先是動(dòng)態(tài)掃描計(jì)數(shù)，以1 kHz的掃描頻率進(jìn)行掃描計(jì)數(shù)。掃描所得到的計(jì)數(shù)值傳遞到數(shù)碼管位動(dòng)態(tài)掃描進(jìn)程中，控制數(shù)碼管的位選信號(hào)，即顯示完第一位后，接著顯示第二位，依此類推，一直顯示到第5位，顯示模塊接著繼續(xù)從第一位顯示，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)顯示。因?yàn)? kHz的掃描頻率使6個(gè)數(shù)碼管看上去是同時(shí)顯示的，實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)結(jié)果和狀態(tài)信息的顯示；譯碼信號(hào)進(jìn)程則根據(jù)動(dòng)態(tài)掃描所得到的信號(hào)值，選擇相應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)，只要計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)輸出或狀態(tài)發(fā)生變化，則數(shù)碼管的顯示也發(fā)生相應(yīng)的變化。對(duì)于數(shù)碼管閃爍顯示進(jìn)程，當(dāng)ficker_seg=1時(shí)，則段信號(hào)與1 Hz頻率相與后再送到輸出端去以1 s的頻率閃爍、一亮一暗、全段滅、全段亮，否則正常輸出段信號(hào)。顯示模塊的輸入、輸出端口如圖8所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試
　為了能夠準(zhǔn)確地對(duì)所編寫的軟件進(jìn)行調(diào)試，采用EMP240系列開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。圖9是一個(gè)模擬操作系統(tǒng)界面。

   系統(tǒng)調(diào)試的主要步驟如下：
    (1) 在上電復(fù)位時(shí)，系統(tǒng)操作界面顯示：00000。微波加熱信號(hào)為0。正處于待機(jī)狀態(tài)。
    (2)按下TEST測(cè)試鍵，5個(gè)數(shù)碼管所有段位點(diǎn)亮同時(shí)一亮一暗地交替閃爍著。按下復(fù)位鍵，系統(tǒng)返回復(fù)位待機(jī)狀態(tài)。
    (3) 右邊有三個(gè)檔位控制鍵，在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，只要按下其中一個(gè)鍵，就能對(duì)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。而三個(gè)檔位之間可以相互轉(zhuǎn)換。按下復(fù)位鍵，系統(tǒng)返回復(fù)位待機(jī)狀態(tài)。
    (4) 設(shè)定好時(shí)間后就可以按下開(kāi)始鍵，啟動(dòng)相應(yīng)微波加熱信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，如果要停止加熱，則按下停止鍵，系統(tǒng)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，微波加熱信號(hào)輸出為0，想要再次加熱，則按回開(kāi)始鍵。按下復(fù)位鍵，系統(tǒng)返回復(fù)位待機(jī)狀態(tài)。
    (5) 當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束后，輸出done顯示提示，微波加熱信號(hào)輸出為0。按下復(fù)位鍵，系統(tǒng)返回復(fù)位待機(jī)狀態(tài)。
    本系統(tǒng)以EMP240T100C5為主要控制芯片，綜合運(yùn)用了Quartus II開(kāi)發(fā)工具，使用VHDL硬件描述語(yǔ)言，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件功能基本都可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，程序經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真與調(diào)試，各項(xiàng)功能達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)。這種設(shè)計(jì)方案不僅使電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品性能的改進(jìn)和擴(kuò)展變得十分簡(jiǎn)單，同時(shí)它還代替了原有的許多單元電路或單片機(jī)的控制芯片和大量外圍電路，使電子電路設(shè)計(jì)更加靈活方便。為實(shí)現(xiàn)微波爐以及更多家用電器的信息化和智能化進(jìn)行了較深入的探索和實(shí)踐。
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