微波炉eda

一 设计题目和要求设计题目为：微波炉定时控制器设计要求：1、复位开关： 2、启动开关： 3、烹调时间设置： 4、烹调时间显示：5、七段码测试：6、启动输出：7、按TEST键可以测试七段码管，显示为“8888”； 8、设定时间后，按启动键开始烹调，同时七段码显示剩余时间，时间为0时，显示烹调完成信息“CDEF”二 方案分析 根据题目要求，现需设计一个微波炉控制器，通过该控制器再配以4个七段数码二极管完成微波炉的定时及信息显示。该系统控制部分以FPGA芯片为核心，根据该微波炉控制器的功能设计要求，本系统可由以下4个模块组成： 时钟分频模块； 时间初始化模块； 烹调倒计时模块； 显示译码模块。系统端口图如下： clk是秒时钟脉冲输入，它接收每秒一个时钟脉冲的节拍信号。reset为复位信号，高电平有效，用于芯片的复位功能。test为测试信号，高电平有效，用于测试4个七段数码二极管工作是否正常。 start 为开始加热信号。sec1、sec10、min1、min10 为设定时间的秒位、十秒位、一分位、十分位。selectLed 为数码管位选信号共3位。Led 为数码管段码信号共7位。鉴于本课题，流程简单，所以用一般的VHDL语言设计，没有使用状态机。如果用状态机设计 状态图如下态图可以看出设计较为复杂，因而采用基本的vhdl 方法实现，反而更为简洁。时钟模块 由于需要实现倒计时功能 所以采用了 2KHz 频率 分频后 作为倒计时时钟 。设定时间模块 使用四个按钮分别设定 时间的 秒位 十秒位 一分位 十分位 单独控制，十秒位最大为5，其他位最大为9，超过则为0，重新计数。当检测到开始加热信号时，开始减计数。在设计此模块时 也考虑了多种方案：（1）设计四个按钮的初始话模块，四个按钮分别控制秒，十秒，分，十分4个数值的初始化； （2）设计两个按钮的初始化模块，两个按钮分别提供一个移位信号和一个加信号；由于考虑到产品的方便使用，和程序的复杂程度，相比两个方案，方案一明显更有优势。显示译码模块 采用的是动态扫描位选输出数据，不需对四个数码管都进行绑定。因为需要四个数码管，静态显示根本没法实现。测试信号 测试信号直接控制显示输出 按下后 不接收从倒计时模块传递的数据 直接显示 8888 。设计测试信号 test 时，开始讲 test 信号的检测放在设定时间模块 。 由于该模块本来就较为复杂，test信号的加入，并不是最好的方案。而且当test 信号 为高电平时 ，还需要通过 tsec1 ,tsec10,tmin1 ,tmin10 四个中间信号传递给译码模块 所以在设计此功能时，直接将信号处理 加在了显示译码模块 。使各模块功能更为平均。程序进程功能：数据显示分频模块 时间设定和倒计时减计数 复位 start sec1 sec10 tmin1 tmin10 测试 三 程序流程图 开始 结束减计数是否完毕 减计数开始Start 按键是否按下 时间设定 系统复位初始化 四 单元模块设计4.1 分频模块设计分频模块主要利用2Khz的时钟信号进行分频。得到1s的clock 时钟信号，用于计数模块的时钟信号。试验箱上有1Khz，2Khz，2MHz 等多个时钟信号。而在这里采用2Khz的信号使用。2Khz/2000=1s，所以采用2Khz进行千分频得到1s的信号。分频程序端口图如下： 分频程序如下：if reset = 1 then clock = 0;setFreq := 0 ;elsif clkevent and clk = 1 then setFreq := setFreq + 1;if setFreq = 2000 then setFreq := 0; clock = not clock ;end if;end if分频时序仿真结果：软件仿真采用的时钟周期为 1us，所以分频后得到的时间为2ms 。分频频率的选定，必须要考虑到译码模块的动扫描频率。选择的频率太小，将导致数码管显示不流畅等问题。4.2 时间设置模块设计时间设定模块主要用于对时间设定初始值而用，其中设有clk 和clock 两时钟信号，分别用于外接按钮信号和减计数。设定时间采用四个按钮控制，sec1、sec10、min1、min10 分别为 一秒，十秒，一分，十分的控制信号。而信号 tSec1、tSec10、tMin1、tMin10 为传递信号，传递给显示模块。 时间设置模块端口图： clk 信号 用于检测按钮的状态 ，当有按钮按下时，则相应的时间信号 加一 。 但 sec1 、 min1 、min10最大为 9 ，累加至9后，再次按下按钮累加则置0。sec10 为十秒位 所以最大为 5 ，再次按下累加则置零。 采用这种设计方案 可以降低产品的使用门槛 操作较为容易 。时间设定代码：if reset = 1 then time3 := 0000; - 复位处理elsif min10event and min10 = 1 then - 设置十分位时间if time3 9 then time3 := time3 + 1; else time3 := 0000; - 十分位最大为9,超过置0end if;end if; 时间设定模块的中需要注意很多细节上的问题。首先，微波炉的时间最大为 99分59秒 ，不应该有 99分 99 秒。明白这点是后面写代码的基础。由于采用的是四个按钮单独控制各个时间位。还需要注意的是当各位的时间到达最大值后，再次按下按钮，应该回零处理。时间初始化时序图仿真：其中t0,t1,t2,t3 为输出显示信号，为方便观察tSec1,tSec10,tMin1,tMin10的数据，加入的测试信号 4.3 减计数模块设计当 检测到 start 按钮按下时 则启动减计数程序 开始减计数，本次课设没有采用状态机实现倒计时而是使用了 基本的 vhdl 处理 。 较状态机而言 ，程序更为简洁，更具有可读性。减计数由于 显示模块 为四位 十进制数 ，所以需要单独控制各位的数值。减计数模块端口图：( 1 ) 开始减计数后，判断，秒位是否为0000，不为零则依据 clock 时钟 开始递减。为零则置位 借位判断位 borrow ，向十秒为借位。( 2 ) 当十秒为不为零时，如果 borrow 位 为1 则 减一后清零借位信号 borrow ，置位 一秒位为 1001 即为 9 。如果十秒位为零 borrow 为 1 ，则向一分位借位 。( 3 ) 当一分不为零 ，如果borrow 信号为 1 则 减一 清零借位信号borrow ，置位 十秒为 0101 即为 5 ，置位 一秒位 为 1001 即为 9 。如果一分位为零 borrow 为 1 ，则向十分位借位 。( 4 ) 当十分位不为零 ，如果 borrow 位 为 1 则 减一后清零借位信号 borrow ，置位 一分位和 一秒位 为 1001 即为 9 ，置位 十秒位 为 0101 。为零则 减计数完毕 。置位 tSec1 、tSec10 、 tMin1 、tMin10 为 1111 。结束减计数程序。减计数程序代码如下：timeTotal := time3&time2&time1&time0; - 并置各个时间位if timeTotal 0 then time0 := time0 - 1;- 不需要借位则直接用一秒位减一end if;end if;减计数模块的设计中，采用了if 嵌套的模式，处理各位的借位。当clock时钟上升沿到来即执行一次判断。程序中并没有采用直接对信号进行赋值，而是重新再进程中重新定义了四个临时的信号。处理完成后再赋值给中间信号 tSec1,tSec10,tMin1,tMin10。 由于变量赋值的即时性，程序也方便将信号赋给测试信号测试。程序中采用将四个数码管的各位并置后做一次判断的方法，判断是否减计数完毕。如果并置后二进制数在0000 00000 0000 0000 和 1001 10001 0101 1001 之间，即为00:00 - 99:59间 ，则继续减计数。 当并置后各位都为零时，则将数码管各位的值置一，此时四位并置后为 1111 1111 1111 1111 ，不在继续减计数，数据经过中间信号 传递给译码显示模块 译码后显示为 CDEF。减计数时序仿真：其中t0,t1,t2,t3 为输出显示信号，为方便观察tSec1,tSec10,tMin1,tMin10的数据，加入的测试信号 4.4 显示译码模块 显示译码模块采用动态扫描位选输出数据，不需对四个数码管都进行绑定。同时负责 test 信号的处理。当 test 按钮按下时 ，不再接收进程间传递信号tSec1、tSec10、tMin1、tMin10 的数据 ，直接给数码管送段码显示 1111111 。显示译码模块端口图： 显示译码负责对 0 - 9 的数字进行编码 编码表如下：还需对 完成信号 CDEF 进行编码 ：C 为 0111001;D 为 0111111;E 为 1111001;F 为 1110001;显示译码代码如下：case tMin10 iswhen 0000 = led3 := 0111111;when 0001 = led3 := 0000110;when 0010 = led3 := 1011011;when 0011 = led3 := 1001111;when 0100 = led3 := 1100110;when 0101 = led3 := 1101101;when 0110 = led3 := 1111101;when 0111 = led3 := 0000111;when 1000 = led3 := 1111111;when 1001 = led3 := 1101111;when 1111 = led3 := 0111001; -加热完毕 输出 C when others = led3 := 0111111 ; - 异常情况都输出 0end case; 显示译码模块的设计，由于加热完毕需要显示为CDEF 。所以采用了对每一位数码管单独设计译码模块。 检测到 1111 时，各位显示对应的字符。还需要注意对其他状态的处理，每个数码管只需要显示 0-9 和 一个1111 状态，还需对其他状态 置零处理 。 动态扫描的原理是通过高频率的时钟轮流切换 数码管的显示，即 高速切换 位码 逐个 送入 段码。但由于人眼无法察觉如此快速的切换和延迟作用，数码管显示内容和静态输出一样。由于需要四个数码管，所以采用了动态扫描实现显示。动态扫描代码如下 ： if clkevent and clk = 1 then - 扫描显示if count = 011 then- 只需四个数码管,当count = 3 时 将count 复位count := 000;elsecount := count + 1;end if;case count is - 依据位码选择对应数码管显示when 000 = led led led led null; end case;end if;动态扫描仿真：五 软件仿真代码完成后，开始进行仿真工作。 仿真中由于分频比为 2000 所以需将时钟设置小一些。仿真中所用时钟周期为 1us ，分频后所得时钟为 1ms 。时序仿真图 如下：其中t0,t1,t2,t3 为输出显示信号，为方便观察tSec1,tSec10,tMin1,tMin10的数据，加入的测试信号 程序和代码Library ieee ;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity microwave is port(clk,start,reset,test: in std_logic;min10,min1,sec10,sec1 : in std_logic; - 为设定时间的10分钟位 1分钟位 10秒钟位 1秒钟位light: out std_logic; - 启动输出显示灯selectLed: out std_logic_vector( 2 downto 0);- 数码管位选控制信号 即为 位码led : out std_logic_vector(6 downto 0) - 数码管 段码);end microwave;architecture controller of microwave issignal tMin10,tMin1,tSec10,tSec1 : std_logic_vector(3 downto 0); - 最大设定时间为 99分59秒(5999s) signal clock : std_logic;begin setClock:process(clk,reset) - 分频模块 -variable setFreq : integer range 2002 downto 0 ; - 设置选定频率 2kHzbeginif reset = 1 then clock = 0;setFreq := 0 ;elsif clkevent and clk = 1 then setFreq := setFreq + 1;if setFreq = 2000 then setFreq := 0; clock = not clock ;end if;end if;end process; - 显示时间处理模块 -setTime:process(min10,min1,sec10,sec1,reset,test,start,clock) variable time0,time1,time2,time3 : std_logic_vector(3 downto 0); - 最大设定时间为 99分59秒(5999s)variable timeTotal : std_logic_vector(15 downto 0);variable turnOn : std_logic;beginif start = 1 then turnOn := 1 ;light = 1;elsif reset = 1 then turnOn := 0;light = 0; end if;if turnOn = 0 then if reset = 1 then time3 := 0000; - 复位处理elsif min10event and min10 = 1 then - 设置十分位时间if time3 9 then time3 := time3 + 1; else time3 := 0000; - 十分位最大为9,超过置0end if;end if;if reset = 1 then time2 := 0000; elsif min1event and min1 = 1 then - 设置一分位时间if time2 9 then time2 := time2 + 1; else time2 := 0000; - 一分位最大为9,超过置0end if;end if;if reset = 1 then time1 := 0000; elsif sec10event and sec10 = 1 then - 设置十秒位时间if time1 5 then - 十秒位最大为5time1 := time1 + 1; elsetime1 := 0000; - 十秒位最大为5,超过置0end if;end if;if reset = 1 then time0 := 0000; elsif sec1event and sec1 = 1 then - 设置一秒位时间if time0 9 then time0 := time0 + 1; else time0 := 0000; - 一秒位最大为9,超过置0 end if;end if;elsif clockevent and clock = 1 then if turnOn = 1 thentimeTotal := time3&time2&time1&time0; - 并置各个时间位if timeTotal 0 then time0 := time0 - 1;- 不需要借位则直接用一秒位减一end if;end if;end if;end if;tSec1 = time0;tSec10 = time1;tMin1 = time2;tMin10 led3 := 0111111;when 0001 = led3 := 0000110;when 0010 = led3 := 1011011;when 0011 = led3 := 1001111;when 0100 = led3 := 1100110;when 0101 = led3 := 1101101;when 0110 = led3 := 1111101;when 0111 = led3 := 0000111;when 1000 = led3 := 1111111;when 1001 = led3 := 1101111;when 1111 = led3 := 0111001; -加热完毕 输出 C when others = led3 := 0111111 ; - 异常情况都输出 0end case;case tMin1 is- 显示译码模块when 0000 = led2 := 0111111;when 0001 = led2 := 0000110;when 0010 = led2 := 1011011;when 0011 = led2 := 1001111;when 0100 = led2 := 1100110;when 0101 = led2 := 1101101;when 0110 = led2 := 1111101;when 0111 = led2 := 0000111;when 1000 = led2 := 1111111;when 1001 = led2 := 1101111;when 1111 = led2 := 0111111; -加热完毕 输出 D when others = led2 := 0111111; - 异常情况都输出 0end case;case tSec10 is- 显示译码模块when 0000 = led1 := 0111111;when 0001 = led1 := 0000110;when 0010 = led1 := 1011