基于VHDL的洗衣机控制器设计.docx
《基于VHDL的洗衣机控制器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于VHDL的洗衣机控制器设计.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于VHDL的洗衣机控制器设计
数字系统设计与硬件描述语言
期末考试作业
题目：
洗衣机控制器的设计
学院：
电子信息工程学院
专业：
物联网工程
学号：
3014204328
姓名：
刘涵凯
2016-12-10
一、选题设计描述
1.功能介绍
洗衣机控制器，能够实现开始与暂停、注水，洗涤、排水、脱水和警报提醒的功能，并且可以随时更改洗衣模式。
洗衣机提供两种模式：
模式1：
注水-洗涤-排水-注水-洗涤-排水-脱水；模式2：
脱水。
洗衣模式决定洗衣时间。
默认模式为模式2。
洗衣机界面如下图所示：
运转方式如下图所示：
2.算法简介
总程序描述：
总程序通过调用5种模块，在洗衣机控制器输入变化时，立刻转换模式并产生对应输出。
当开关关闭时，所有输出为0；暂停时，除显示开关状态的输出外，所有输出为0。
开关开启后，设置洗衣模式，之后按下“开始”即可开始工作。
在洗衣机控制器输入变化时，立刻转换模式并产生对应输出。
电子元器件模型如下图所示：
switch为开关信号，modelselect为开关选择信号，clkin为系统时序脉冲信号，sorp为开始/暂停信号。
waterstate为注水程序的工作状态，washrstate为洗涤程序的工作状态，drainstate为排水程序的工作状态，drystate为脱水程序的工作状态。
alarmout为警报提醒的状态。
switchstate为数码管显示的开关的状态（0/1），spstate为数码管显示的开始/暂停的状态（0/1），state为数码管显示的洗衣机工作状态（0~4），currentmodel为数码管显示的当前模式（0~2），timedecade为数码管显示的剩余时间的十位，timeunit为数码管显示的剩余时间的个位。
下面介绍各模块功能与算法：
1）开关与模式选择模块
a接收开关信息，b接收模式选择信息。
c输出总电路的开关信息（开启洗衣机并且设置完毕电路后，即可准备工作，等待“开始”信号）。
e为开关信息，将输入到数码管中显示。
time1与time2分别代表洗衣时间的十位和个位，将输入到计数器与警报模块中。
y为模式信息，将输入到码管中显示。
2）开始/暂停模块
a接收开关信息，b接收开始/暂停信息，clk接收系统时序脉冲信号。
startorpause输出受开始/暂停信息调控的系统时序脉冲信号。
y为开始/暂停信息，将输入到码管中显示。
3）计数器与警报模块
clk接收受开始/暂停信息调控的系统时序脉冲信号，a接收开关信息，time1和time2分别接收洗衣时间的十位和个位。
alarm输出警报信息；
outtime1和outtime2分别为剩余时间的十位和个位，将输入到数码管中显示，同时将输入到控制模块中。
。
在脉冲信号的控制下，剩余时间逐渐减少，当剩余时间为0时，停止减小，并开启警报。
4）控制模块
a接收开关信息，b接收开始/暂停信息，time1和time2分别接收剩余时间的十位和个位。
water、wash、drain、dry分别输出注水、洗涤、排水、脱水的控制信息。
act为模块内部使用的BUFFER量。
控制模块根据剩余时间的多少决定工作状态。
如：
剩余时间为16-30分钟时洗涤，31-35分钟时注水。
则剩余时间33分钟时，water为1，其他控制信息为0；剩余时间21分钟时，wash为1，其他控制信息为0。
5）译码器与数码管显示模块
b接收开关信息，a接收4位二进制数据。
q在数码管上显示字形。
二、程序源代码及说明
程序代码由主程序及5个模块代码组成
1）主程序
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYxyjIS
PORT（switch,modelselect,clkin,sorp:
INSTD_LOGIC;--电源开关、模式选择、时钟、开始/暂停按键状态的输入
waterstate,washstate,drainstate,drystate,alarmout:
OUTSTD_LOGIC;--注水程序、洗涤程序、排水程序、脱水程序、警报状态的输出
switchstate,spstate,state,currentmodel,timedecade,timeunit:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0））;--工作状态、工作模式、剩余时间的输出
ENDENTITYxyj;
ARCHITECTUREbehaveOFxyjIS
COMPONENTmodel--调用开关与模式选择模块
PORT（a,b:
INSTD_LOGIC;
c:
OUTSTD_LOGIC;
e,time1,time2,y:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0））;
ENDCOMPONENTmodel;
COMPONENTcount--调用计数器与警报模块
PORT（clk,a:
INSTD_LOGIC;
time1,time2:
INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
alarm:
OUTSTD_LOGIC;
outtime1,outtime2:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0））;
ENDCOMPONENTcount;
COMPONENTBCD7--调用译码器与数码管显示模块
PORT（b:
INSTD_LOGIC;
a:
INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
q:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（0TO6））;
ENDCOMPONENTBCD7;
COMPONENTstartpause--调用开始/暂停模块
PORT（a,b,clk:
INSTD_LOGIC;
startorpause:
OUTSTD_LOGIC;
e:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0））;
ENDCOMPONENTstartpause;
COMPONENTcontrol--调用控制模块
PORT（a,b:
INSTD_LOGIC;
time1,time2:
INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
water,wash,drain,dry:
OUTSTD_LOGIC;
act:
BUFFERSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0））;
ENDCOMPONENTcontrol;
SIGNALsig1,sig2,sigBCD7_1,sigBCD7_2,sigBCD7_3,sigBCD7_4,sigBCD7_5,sigBCD7_6:
STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
SIGNALaout,bout:
STD_LOGIC;
BEGIN
U1:
modelPORTMAP（a=>switch,b=>modelselect,c=>aout,y=>sigBCD7_1,time1=>sig1,time2=>sig2,e=>sigBCD7_5）;
U2:
startpausePORTMAP（a=>aout,b=>sorp,clk=>clkin,startorpause=>bout,e=>sigBCD7_6）;
U3:
controlPORTMAP（a=>aout,b=>sorp,time1=>sigBCD7_2,time2=>sigBCD7_3,water=>waterstate,wash=>washstate,drain=>drainstate,dry=>drystate,act=>sigBCD7_4）;
U4:
countPORTMAP（a=>aout,clk=>bout,time1=>sig1,time2=>sig2,alarm=>alarmout,outtime1=>sigBCD7_2,outtime2=>sigBCD7_3）;
U5:
BCD7PORTMAP（b=>aout,a=>sigBCD7_1,q=>currentmodel）;
U6:
BCD7PORTMAP（b=>aout,a=>sigBCD7_2,q=>timedecade）;
U7:
BCD7PORTMAP（b=>aout,a=>sigBCD7_3,q=>timeunit）;
U8:
BCD7PORTMAP（b=>aout,a=>sigBCD7_4,q=>state）;
U9:
BCD7PORTMAP（b=>aout,a=>sigBCD7_5,q=>switchstate）;
U10:
BCD7PORTMAP（b=>aout,a=>sigBCD7_6,q=>spstate）;
ENDARCHITECTUREbehave;
2）开关与模式选择模块
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITYmodelIS--开关与模式选择模块
PORT（a,b:
INSTD_LOGIC;--定义开关和模式选择按键的输入
c:
OUTSTD_LOGIC;--洗衣机工作开关的输出
e,time1,time2,y:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0））;--定义所需时间/min，time1为十位，time2为各位
ENDENTITYmodel;
ARCHITECTUREbehaveOFmodelIS
BEGIN
PROCESS（a,b）
BEGIN
IF（a='1'）THEN--开关开启时执行
CASEbIS
WHEN'1'=>y<="0001";time1<="0110";time2<="0000";--模式1：
60分钟
WHEN'0'=>y<="0010";time1<="0001";time2<="0000";--模式2：
10分钟
ENDCASE;
c<='1';e<="0001";--开关开启且模式选择完毕，开始工作
ELSEy<="0000";time1<="0000";time2<="0000";
c<='0';e<="0000";--开关关闭时不工作
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDARCHITECTUREbehave;
3）开始/暂停模块
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITYstartpauseIS--开始/暂停模块
PORT（a,b,clk:
INSTD_LOGIC;
startorpause:
OUTSTD_LOGIC;
e:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0））;
ENDENTITYstartpause;
ARCHITECTUREbehaveOFstartpauseIS
BEGIN
PROCESS（a,b）
BEGIN
IF（a='1'）THEN
CASEbIS
WHEN'1'=>startorpause<=clk;e<="0001";
WHEN'0'=>startorpause<='0';e<="0000";
ENDCASE;
ELSIF（a='0'）THEN
startorpause<='0';e<="0000";
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDARCHITECTUREbehave;
4）计数器与警报模块
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYcountIS--计数器与警报模块
PORT（clk,a:
INSTD_LOGIC;
time1,time2:
INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
alarm:
OUTSTD_LOGIC;
outtime1,outtime2:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0））;
ENDENTITYcount;
ARCHITECTUREbehaveOFcountIS
SIGNALintime11:
STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）:
="0000";
SIGNALintime22:
STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）:
="0000";
SIGNALintime3:
STD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）:
="01";--intime3与intime4联系，实现变量的合理赋值
SIGNALintime4:
STD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）:
="00";
BEGIN
PROCESS（time1）--此段的作用为当模式更改时，令变量重新赋值
BEGIN
IF（time1/="0110"）THEN
intime3<="10";
ELSIF（time1/="0001"）THEN
intime3<="11";
ELSEintime3<="01";
ENDIF;
intime11<=time1;
intime22<=time2;
ENDPROCESS;
PROCESS（clk,intime3,intime4）
VARIABLEintime1,intime2:
STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
BEGIN
IF（clk'EVENTANDclk='1'）THEN
IF（a='1'）THEN
IF（intime3/=intime4）THEN--第一个PROCESS运行时，变量被重新赋值
intime4<=intime3;
intime1:
=intime11;
intime2:
=intime22;
ENDIF;
IF（intime2/="0000"）THEN
intime2:
=intime2-'1';
alarm<='0';
ELSIF（intime1/="0000"）THEN
intime2:
="1001";
intime1:
=intime1-'1';
alarm<='0';
ELSEalarm<='1';
ENDIF;
outtime1<=intime1;
outtime2<=intime2;
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDARCHITECTUREbehave;
5）控制模块
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYcontrolIS--控制模块
PORT（a,b:
INSTD_LOGIC;
time1,time2:
INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
water,wash,drain,dry:
OUTSTD_LOGIC;
act:
BUFFERSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0））;
ENDENTITYcontrol;
ARCHITECTUREbehaveOFcontrolIS
BEGIN
PROCESS（time1,time2）
BEGIN
IF（a='1'）THEN
IF（b='1'）THEN
IF（time1&time2>"01010101"）THEN
act<="0001";--注水
ELSIF（time1&time2>"01000000"）THEN
act<="0010";--洗涤
ELSIF（time1&time2>"00110101"）THEN
act<="0011";--排水
ELSIF（time1&time2>"00110000"）THEN
act<="0001";--注水
ELSIF（time1&time2>"00010101"）THEN
act<="0010";--洗涤
ELSIF（time1&time2>"00010000"）THEN
act<="0011";--排水
ELSIF（time1&time2>"00000000"）THEN
act<="0100";--脱水
ELSEact<="0000";
ENDIF;
ELSEact<="0000";
ENDIF;
ELSEact<="0000";
ENDIF;
CASEactIS
WHEN"0001"=>water<='1';wash<='0';drain<='0';dry<='0';
WHEN"0010"=>water<='0';wash<='1';drain<='0';dry<='0';
WHEN"0011"=>water<='0';wash<='0';drain<='1';dry<='0';
WHEN"0100"=>water<='0';wash<='0';drain<='0';dry<='1';
WHENOTHERS=>water<='0';wash<='0';drain<='0';dry<='0';
ENDCASE;
ENDPROCESS;
ENDARCHITECTUREbehave;
6）译码器与数码管显示模块
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITYBCD7IS--译码器与数码管显示模块
PORT（b:
INSTD_LOGIC;
a:
INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;--数据输入
q:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（0TO6））;--7段输出
ENDBCD7;
ARCHITECTUREbehavOFBCD7IS
BEGIN
PROCESS（a）
BEGIN
IF（b='1'）THEN
CASEa（3DOWNTO0）IS--BCD7段译码表
WHEN"0000"=>q<="1111110";WHEN"0001"=>q<="0110000";
WHEN"0010"=>q<="1101101";WHEN"0011"=>q<="1111001";
WHEN"0100"=>q<="0110011";WHEN"0101"=>q<="1011011";
WHEN"0110"=>q<="1011111";WHEN"0111"=>q<="1110000";
WHEN"1000"=>q<="1111111";WHEN"1001"=>q<="1111011";
WHENOTHERS=>q<="0000000";
ENDCASE;
ELSEq<="1111110";
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDbehav;
三、仿真结果及分析
首先对每个模块进行仿真：
1）开关与模式选择模块
1、仿真结果表明，只有a为1时，输出变化。
但a为1的一瞬间便已有了模式，这不符合洗衣机的操作流程，所以在之后的模块中写入了控制其输出变化的程序。
2、仿真考虑多种情况，如：
a变换时、a为0且b变化时等，输出皆符合所需。
2）开始/暂停模块
1、仿真结果表明，只有a为1时，输出变化，产生受b控制的脉冲信号。
2、仿真考虑多种情况，如：
a变换时、a为0且b变化时等，输出皆符合所需。
3）计数器与警报模块
模块运行完全符合所需，输出了正确的剩余时间与alarm。
4）控制模块
1、对模块在开关、开始/暂停及剩余时间变化下控制的仿真。
2、仿真结果表明，暂停时（b为0），洗衣进程停止，开始时，进程继续；
3、仿真模拟了“暂停-切换模式-开始”的进程，输出符合所需。
5）译码器与数码管显示模块
1、对模块在开关及输入控制下的输出仿真。
2、仿真模拟了中途开关关闭与开启状态下数码管输出变化。
6）主程序
1、对洗衣机在开关、开始/暂停及模式选择控制下的工作进程进行仿真。
3、剩余时间的个位数（timeunit）和工作模式（state）过于密集，所以展开。
3、仿真结果表明，洗衣机在各输入控制下，可以很好地改变自己的工作状态。
四、心得体会
决定做洗衣机控制器后，我以宿舍楼内的洗衣机为模板编写了这套程序。
为了便于纠错，我决定分别编写每个元器件，当各个元器件的程序都正确后，再将它们整合在一起。
事实证明，每个元器件的编写途中都会出现各种各样的问题，这种方式可以最快速地发现错误并改正。
整个程序最大的问题出现在计数器与警报模块中。
当时，无论我怎样调试，输出的剩余时间都是0。
我在这个错误的纠正上花费了极大的精力，最后，我加入了几个输出来将程序内部变化表示出来，于是我发现了问题所在：
信号的初值只能为一个定值而不能为一个输入。
但另一个问题接踵而来：
我需要在输入转换时更改剩余时间为模式时间，但当输入不变时，怎样才能在process不停循环而变量只能在process内定义的情况下不重新给剩余时间赋值？
在咨询舍友后，我使用了intime3和intime4并增加了一个process来判断输入是否改变，问题得到了完美解决。
当各个元器件编写成功后，我将它们整合在一起，仿真出了初步结果。
但随后我发现了诸多问题，比如器件不受开关调控，并且洗衣机没有开始/暂停。
于是，我编写了开始/暂停模块，并更改各个模块使它们能够得到正确的控制。
本次洗衣机控制器的编写，使我对VHDL语言的理解进一步加深，并且在实践操作上的能力大大提高。
升级会员 