北邮数电实验 洗衣机控制器.docx

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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.实验任务要求

1.1.基本要求：

（1）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（进水5秒，洗衣15秒，排水5秒，甩干5秒），漂洗25秒（进水5秒，漂洗10秒，排水5秒，甩干5秒），脱水15秒（排水5秒，甩干10秒）；掌握QuartusII图形模块单元的生成与调用。

（2）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。

（3）用发光二极管显示洗衣机的工作状态（洗衣、漂洗和脱水），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，直至再次开始。

（4）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。

（5）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：

（1）三个过程的时间有多个选项供使用者选择。

（2）可以预约洗衣时间。

（3）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，暂停/继续信号，状态选择信号。

2.1.2控制部分：

（1）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；

（2）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；

（3）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；

（4）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：

（1）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；

（3）点阵动画行扫描、计时及显示进程，根据不同的洗衣状态设计不同动画，并进行显示；

（4）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

2.2.2MOS图

2.2.3流程图

2.3.分块设计

2.3.1分频进程

（1）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。

（2）信号说明

clock:

输入的时钟信号；

clk:

第一个进程分频后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

（1）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（比如70秒的全过程）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显示的实现为直接把选择状态的二进制码进行赋值。

（2）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

（1）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。

（2）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

（1）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。

（2）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。

2.3.5数码管显示进程

（1）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感觉两个数码管同时亮。

（2）信号说明

clk2:

分频后500Hz时钟信号；

cnt:

扫频计数器，直接控制cat[5..0]和t的切换；

time:

倒计时过程中的当前时间；

cat[5..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；

distime[4..0]:

表示6个数码管将要显示的数字。

2.3.6报警器进程

（1）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。

（2）信号说明

clk:

1Hz时钟信号；

state:

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

（1）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。

（2）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；

row[7..0]:

点阵列变量；

colorg[7..0]、colorr[7..0]:

点阵列变量。

3.仿真波形及波形分析

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

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按键部分

3.3.1仿真波形图

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pause信号，继续开始。

3.4数码管部分

3.4.1仿真波形图

3.4.2仿真使用代码

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"、"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

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alarm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