北邮数电实验 洗衣机控制器.docx

1、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

2、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

3、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

4、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2.2.2 MOS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

5、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

6、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，

7、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

8、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

9、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cat5.0和t的切换；time:倒计时过程中的当前时间；cat5.0: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；distime4.0: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st

10、ate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

11、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

12、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

13、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pa

14、use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

15、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