可编程微波炉控制器系统设计.doc

2004年山东省大学生电子设计竞赛 可编程微波炉控制器系统设计E甲2408参赛学校：山东科技大学所在院系：信息科学与工程学院作者：郑德生 孙明浩 王祺祥 赛前及文稿整理辅导教师：陈新华 崔建明 摘 要 本微波炉控制系统采用当今先进的SOPC技术(System On a Programmable Chip可编程单芯片系统)，这是一种新型的有利于快速投放市场，具有可重构性，高效自动化的设计方法。它极大地改变电子产品和系统的设计思想，开发手段和实现方法，该设计思想和方法在微波炉控制系统的设计中得到了充分的应用和体现。该系统应用Altera公司最近公布的Nios嵌入式软核微处理器，它是16/32位可编程软件内核，是世界上第一个面向可编程逻辑基于RISC的嵌入式微处理器。配上Altera公司最近研制的可与之相配套的APEXAPEX20CycloneCycloneStratixStratix等FPGA系列芯片,构成了高效高性能高集成度的电子产品。我们本次参赛所应用的是Cyclone-EP1C20型芯片组成的SOPC开发板。经过我们进一步的软硬件扩展设计，应用新型的EDA Quartus 4.1软件和用C/C+软件编程，实现了嵌入式微处理器clinux操作系统的内核移植，准确地设计了一个微波炉工作过程控制器。其功能已达到了大赛所要求的全部内容，另外还有了较大的创新和扩展:利用重量的大小实现对烹调时间长短的选择智能控制；通过WEB页和TCP/IP协议，实现了Internet远程信息控制；通过LCD显示网络IP地址和定时剩余时间。实现了智能信息家电的诸多功能。通过本次电子设计大赛，不但提高了我们当代大学生学习新科技的兴趣，而且提高了我们学习新知识和创新的能力和意识，受到了一次非常好的工程训练，这将极大地影响到我们今后的学习工作，终身受益。关键词： 智能信息家电 微波炉FPGA 嵌入式微处理器 SOPC clinux操作系统 Nios软核 AbstractThe controlling system of the microwave oven is adopted the advanced SOPC(System On a Programmable Chip) technology.And the SOPC is a newest designing method that is advantaged to be put in the market,rebuildable and efficiently automatic.Besides,it fully changes the thought of electronical products,the designing systems,the explodering means and the achieveing methods. And we apply the designing thought and way on the microwave ovens controling system. The system is based on the Niosthat is one of the embedded software cores published by the Altera company recently.The rest two parts are ARM and MIPS.The Niosis a 16/32 Bits programmable software core. Besides it is the first programmable logical MPU based on RISC.It is used the SOPC development band made up of Cyclone EP1C20 chips that is one part of the FPGA chips,such as,Stratix,Stratix,Cyclone,Cyclone.We use the things,which are made up of the Quartus4.1 of EDA software,the operating system of clinux,the programme of C/C+ and the extended designs of software and hardware, to finish the controlling system of microwave oven exactly.Its functions have finished all the contents of the competition besides the right smart innovation and development.For example ,there are three parts. Firstly,it can control cook intelligently according to the weight of food .Secondly,it can display through the LCD.Thirdly,it can loginned by internet according to WEB and TCP/IP protocol.In other words,it complete the functions and needs on Intelligent Information Device of the families.The Electronic Design Contest not only improves our interest on learnning new information,but also accelerates our capability and consciousness on innovation.Whats more,the Electronic Design Contest will benifite our study and work for life. Keywords: System On a Programmable Chip : SOPC(可编程单芯片系统); Field Programmable Gate Array : FPGA(现场可编程逻辑器件); Embedded Nios Software Core : 嵌入式 Nios 软核; uclinux Operating System : uclinux 操作系统; Intelligent Information Device : 智能信息家电; Microwave Oven : 微波炉;引 言随着人们生活水平的提高和信息化的发展，家用电器层出不穷，各种功能越来越完善，其中微波炉是现代家庭的必备产品，它的质量和性能的高低,将会极大的影响人们的生活水平和质量。为此，我们选择了本次电子设计大赛的这方面的题目，其目的是作一个新的尝试。设计一个高质量的信息智能微波炉控制系统。 第1部分 方案论证与比较1.方案的论证根据题目要求，我们对系统方案进行多方面的分析和比较，一般来讲可以采用以下几种方案进行系统设计：1.1方案一用集成通用芯片组成的控制电路系统,能达到所要求的控制功能,但是由于其分散性,造成了PCB板设计复杂,周期性长,且保密性差,这种自低往上的设计方法目前应用的越来越少。1.2 方案二自70年代以来,单片机得到了广泛应用,它有8位微处理器,容易实现系统的智能化,而且方便，经济，但由于受内部存储器容量较小的制约,它必须扩展外围的存储器和其他一些芯片,且运算精度和速度有限。单片机虽能实现智能控制，但是却不能实现对嵌入式操作系统的clinux内核的移植，因此用它进行网关设计，通过TCP/IP协议实现信息化控制是比较困难的。1.3 方案三自90年代产生可编程逻辑器件以来,以它的体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等优点而受到了用户的青睐。复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)和现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它采用的是自顶向下(tap-down)的编程方法和先进的EDA(Electronic Design Automation)设计软件,可以应用硬件描述语言VHDL和Verilog或者是高级语言C或者C+,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。尤其是最近，世界上最大的FPGA芯片生产公司Altera公司和Xilinx公司纷纷发明了基于FPGA芯片的16/32位嵌入式软核微处理器，以及与之对应的大容量FPGA芯片。用以上软硬件和SOPC技术可以实现对操作系统的移植，能够进行更大，更复杂的智能化电子产品开发，实现WEB Server的功能，应用TCP/IP网络通信协议，实现Internet远程信息控制。2.方案的比较与选择：比较以上方案，很明显:方案一PCB板设计复杂,周期性长,且保密性差显然是不予采用的。方案二虽可以实现智能家电产品的功能,但受位数所限。许多功能都受到了限制,例如网络通信运算及精度等。方案二只可以实现小系统的智能家电产品。方案三明显优点是, 采用的是自顶向下(tap-down)的编程方法和SOPC单芯片编程技术, 设计开发周期短、设计制造成本低、投入市场最快集成度最高风险最小,开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点。可以实现微波炉的信息智能化控制。最大特点是技术含量高,发展空间大,有很大实用价值和发展前景。因此我们选择方案三,为实现微波炉以及更多的家用电器的信息化和智能化进行探索和实践。第2部分 系统分析1.系统功能分析微波炉控制器的系统功能设计实际上分为4大部分：第1个基本功能是顺序过程控制, 其基本功能流程如图1所示。第2个功能是智能化控制,是由A/D 0809芯片和传感器组成的,其主要的功能是实现根据重量，对烹调时间选择。这里是用电位器模拟的。其原理是把通过重量传感器采集来的模拟量，通过A/D芯片变成数字量，根据这些数字进行计算，判断并选择烹调的时间长短。第3个功能是实现了本地控制。若设定好工作状态和火力档（均不在0状态），则可以根据食物重量通过A/D转换得到的数据计算出需要设定的烹调时间进行设定； 第4个功能是微波炉的信息化控制，用户可以通过网页对微波炉控制器进行设置，以实现对微波炉的远程控制。即设定好火力档和状态，选择自动启动，则数据会经由WEB服务器上传到网页进行显示，显示的第一个网页为自动的定时时间，随后的网页为剩余时间；若设定手动，则设定设定时间为定时时间，随后的时间为剩余时间。复位待机检测显示电路设置输出功能和定时器初值启动定时和工作开始结束烹调双音频音响23秒结束返回重新开始Yes No图1 微波炉工作流程图是否重新开始 2.硬件系统分析 该微波炉硬件系统主要由SOPC开发板和控制系统扩展两大部分组成。选择合适的FPGA(Field Programmable Gate Array) 芯片是十分重要的。目前比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列。Altera公司的可编程逻辑器件有很多种，其中比较常用是FLEX 10K系列器件，但这些器件的容量较小，一般无法在这些FPGA/CPLD中放入微处理器或者IP核。最近几年 Altera公司研制出了APEX系列器件Cyclone系列器件Stratix系列器件，这些器件的功能越来越强，容量越来越大，不但可以嵌入各种典型的IP核，而且还可以嵌入1632位的微处理器，最近推出的Nios16/32位微处理器软核可以嵌入到以上芯片中。SOPC （System On a Programmable Chip可编程单芯片系统）是面向消费电子、工业、办公自动化、电信和汽车应用中的大量嵌入式控制功能而开发的一种新技术。它集MCU和FPGA/CPLD的优点于一身，实现可定制，可重构的设计思路和方法。本微波炉系统设计是基于Nios软核处理技术。充分利用了Nios的特点，并且结合Internet及遥控和智能化技术。它的应用将给人们带来很大的方便特别适合经常离家在外地工作的上班族，让他们可以在任何时间任何地点随意控制家中的各种电器。例如在回家之前，在WEB页上通过网络发送信息打开空调,微波炉等家用电器。因此，这种系统不但提高了家用电器的性能，而且具有较好的市场前景，较高的经济实用和推广价值。 3.软件系统分析在软件开发过程中，我们利用Nios的微处理器的16位的指令集和16/32的数据通道，可以与Altera公司的系列芯片组合使用，其传送速度快，容量大。还应用C/C+编程，实现了clinux操作系统移植，用Quartus4.1进行软件编程，实现了部分硬件电路的设计与仿真。第3部分 系统设计1.硬件系统设计1. 1硬件系统系统框图SOPC开发板InternetSRAM SRAM BANK1512K16 2片EPROM SRAM FLASH 8M 2片 Cyclone EP1C20型 FPGA芯片JTAGMaster BlasterEJTAGEPC2并行I/OIEEE1284串行 I/ORS232LCD LED 按钮162 2片 7个LED扩展4片A/D图2 微波炉系统硬件图扬声器传感器以太网卡 1个 1.2.智能烹调的火力选档系统 0809SOPC开发板FPGA芯片8位数据BUSCLOCKABCREF+REF+5V地地压力传感器INC图3 压力传感器和A/D组成的控制系统2.软件系统设计2.1系统软件框图如下：扩展重量检测电路驱动键盘接口功能设置软件 全局数据结构自带LED驱动自带LCD驱动自带数码管驱动扩展LED驱动报警电路驱动微波炉控制器软件定时器进程图4 微波炉控制器软件框图功能设置页面状态显示页面WEB服务器2.2软件系统流程图功能设置？硬件初始化全局数据初始化注册定时器处理函数启动WWW服务启动定时器等待网页访问定时器信号图5 主函数流程图开始网页请求到达 YN获取设置数据 修改全局数据 执行新功能系统软件图6 网络请求处理流程图结束返回时钟信号到达 定时1键盘接口进行功能设置定时时间到微波炉停止时间 输出响铃信号 执行新功能显示新状态定时0 ?YNNNYY有键按下?定时=0 ?图7 时钟处理函数流程图 3.用硬件描述语言Verilog实现的分频音响电路该部分设计充分体现了应用软件描述语言Verilog实现的分频音响电路的优越性,硬件电路用软件编程实现方便快捷的特点。图8 分频音响顶层图图 9 分频音响仿真波形图Verilog程序如下：分频模块：module fenpin(clk,clkout,out500hz,out1khz,out1hz);input clk;output out500hz,out1khz,out1hz,clkout;reg out500hz,out1khz,out1hz,clkout;reg24:0 i0;reg15:0 j0; reg14:0 k0;reg 6:0 counter1=0; initial beginout1hz=0;out500hz=0;out1khz=0;i0=0;j0=0;k0=0; endalways(posedge clk)begini0=i0+1;j0=j0+1;k0=k0+1;counter1=counter1+1;if(k0=25000)beginout1khz=out1khz;k0=0;endif(j0=50000)beginout500hz=out500hz;j0=0;endif(i0=25000000)beginout1hz=out1hz;i0=0;end if(counter1=100) begin clkout=clkout; counter1=0; endend endmodule 第4部分：系统测试及结果分析1.基本功能测试 表1 基本功能测试 （1）功能测试工作状态 加热功能工作步骤上电手动按复位显示 时间预置基本要求三种状态烹调烘烤解冻LED模拟三档加热高中低换档指示灯模拟复位检测显示输出定时定时,开始工作结束烹调音响提示上电手动复位输出为0待机显示为00.004位预置按键时间设置00.0099.99实测 全部实现档位 高 高中中低 全部实现全部实现全部实现表2 基本功能测试 （2）功能设置 计时器设定初值按开启键计时到 基本要求计时以秒为单位定时减计时 选功能档t=0时,断开微波炉给出提示音,扬声器输出23秒的双音频提示实测实现实现实现2.发挥部分测试 表3 发挥功能测试功能设置微波炉火力档位输出显示智能控制信息控制实际实现高高中中低（增加一档）LCD显示用英文显示IP地址和定时剩余时间根据重量自动判断烹调时间，重量重时间长，反之时间短。具有暂停继续工作功能除了本地控制以外，应用WEB页和TCP/IP协议,实现了Internet远程控制说明备注本系统现场测试需要提供Internet网络系统。3信息控制WEB页显示图10 WEB主页图11 功能设置页面 图12 状态显示页面 4.结果分析该微波炉控制器，完成了大赛所要求的全部基本功能，并且还成功的进行了功能扩展，应用A/D-0809芯片，根据重量实现了判断烹调的时间长短重量轻加热时间长，反之时间短的智能化控制。另外还扩展了应用LCD用以显示Internet网络的IP地址和定时剩余时间。更主要的扩展是应用以上系统成功的编制WEB页,TCP/IP协议实现网络通信,实现了远程信息化控制。第5部分：操作说明功能设置：1微波炉工作状态标识（开发板上的LED左边的数码管）：0待机；1烘烤；2烹调；3解冻。2微波炉火力档位标识（开发板上的LED右边的数码管）：0待机；1高位（同时用开发板上的4个指示灯标示）；2中高位（同时用开发板上的3个指示灯标示）；3中位（同时用开发板上的2个指示灯标示）；4低位（同时用开发板上的1个指示灯标示）。3实现步骤：复位待机（上电或手动按开发板上