基于VHDL的洗衣機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

摘要：為降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，提出一種基于VHDL的洗衣機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方案。該方案采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，并使用狀態(tài)機(jī)完成控制模塊的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)在QuartusⅡ開發(fā)平臺(tái)上完成設(shè)計(jì)、編譯和仿真，并在FPGA硬件實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行測(cè)試。仿真波形和測(cè)試結(jié)果均表明該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

為提高洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的智能性，以及定時(shí)和轉(zhuǎn)速的精確度，目前洗衣機(jī)控制系統(tǒng)通常采用數(shù)字電路而不是傳統(tǒng)的機(jī)械式控制。隨著EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)的發(fā)展，采用硬件描述語言在EDA開發(fā)軟件上完成電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真，并下載到可編程邏輯器件上調(diào)試已成為數(shù)字電路設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。

與傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法相比，EDA技術(shù)具有以下特點(diǎn)：1)用軟件方式設(shè)計(jì)硬件;2)用軟件方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)開發(fā)軟件自動(dòng)完成的;3)設(shè)計(jì)過程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真;4)系統(tǒng)可現(xiàn)場(chǎng)編程，在線升級(jí);5)整個(gè)系統(tǒng)可集成在一個(gè)芯片上，體積小、功耗低、可靠性高;6)設(shè)計(jì)的移植性好、效率高;7)適合分工設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作;8)設(shè)計(jì)成本低、設(shè)計(jì)周期短。基于此，我們使用硬件描述語言VHDL在EDA主流開發(fā)軟件QuartusⅡ上完成洗衣機(jī)控制器設(shè)計(jì)、編譯和仿真，并下載到FPGA硬件實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

1 總體設(shè)計(jì)方案

通過對(duì)市面上的洗衣機(jī)控制器的調(diào)查，設(shè)計(jì)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)洗滌模式選擇，水位控制，洗滌電機(jī)控制，洗衣狀態(tài)、水位與剩余時(shí)間顯示等功能。具體功能為：1)能對(duì)洗滌模式、水位、洗滌時(shí)間、漂洗時(shí)間、脫水時(shí)間進(jìn)行設(shè)置;2)根據(jù)不同的洗滌模式，設(shè)置不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速;3)能通過數(shù)碼管和LED顯示燈的形式顯示水位、洗衣的剩余時(shí)間、當(dāng)前洗衣的狀態(tài)等信息;4)能在洗衣過程中隨時(shí)暫停，啟動(dòng)后從暫停前狀態(tài)繼續(xù)開始洗衣;5)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位功能，按復(fù)位鍵后使洗衣機(jī)系統(tǒng)恢復(fù)到起始狀態(tài)。

根據(jù)洗衣機(jī)控制器的功能，設(shè)置了4個(gè)模塊，分別是按鍵選擇模塊、計(jì)數(shù)模塊、控制模塊和時(shí)間顯示模塊，其系統(tǒng)框圖如圖1所示?；谀K化設(shè)計(jì)思想，采用自頂向下的層次化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其輸入為：?jiǎn)?dòng)信號(hào)、暫停信號(hào)、各種用戶設(shè)置信號(hào)、1 Hz的計(jì)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)和1kHz的掃描時(shí)鐘信號(hào);其輸出為：當(dāng)前狀態(tài)剩余時(shí)間顯示(2位共陰極7段數(shù)碼管顯示)、洗衣狀態(tài)、電機(jī)控制信號(hào)、水位和進(jìn)水信號(hào)。

2 核心模塊設(shè)計(jì)

2.1 按鍵選擇模塊設(shè)計(jì)

洗衣機(jī)洗衣過程分為4階段：進(jìn)水→洗滌→漂洗→脫水。其中進(jìn)水時(shí)間由水量大小決定。水量設(shè)置為高、中、低3檔，用戶通過撥動(dòng)兩位水量設(shè)置按鍵進(jìn)行選擇。當(dāng)用戶不撥動(dòng)任何按鍵時(shí)，即按鍵值為00時(shí)，水量設(shè)置為默認(rèn)值：即中檔，4升。表1給出了水量設(shè)置按鍵與水量大小和進(jìn)水時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

洗滌、漂洗和脫水時(shí)間由洗衣模式?jīng)Q定。我們將洗衣模式分為自動(dòng)設(shè)置和手動(dòng)設(shè)置兩種。在手動(dòng)設(shè)置時(shí)，用戶通過撥動(dòng)3組手動(dòng)洗衣設(shè)置按鍵：洗滌設(shè)置按鍵、漂洗設(shè)置按鍵和脫水設(shè)置按鍵分別設(shè)置洗滌、漂洗和脫水時(shí)間。表2給出了這3組設(shè)置按鍵與洗滌、漂洗和脫水時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)用戶不撥動(dòng)任何按鍵時(shí)，時(shí)間取默認(rèn)值，即中檔(按鍵值為10時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間)

自動(dòng)設(shè)置模式包括：強(qiáng)力、常用、輕柔3種洗衣模式，用戶通過撥動(dòng)兩位自動(dòng)洗衣模式選擇鍵進(jìn)行選擇。當(dāng)用戶選擇自動(dòng)設(shè)置模式時(shí)，控制器將根據(jù)用戶選擇的洗衣模式自動(dòng)設(shè)置相應(yīng)的洗滌時(shí)間、漂洗時(shí)間、脫水時(shí)間。表3給出了不同洗衣模式下的洗滌、漂洗和脫水時(shí)間。

需要注意的是：自動(dòng)設(shè)置模式的優(yōu)先級(jí)高于手動(dòng)設(shè)置模式。若用戶誤操作，同時(shí)撥動(dòng)了自動(dòng)洗衣模式選擇鍵和手動(dòng)洗衣時(shí)間設(shè)置鍵(這種情況很容易發(fā)生)，洗衣機(jī)控制器認(rèn)為選擇的是自動(dòng)洗衣模式，本模塊將按選擇的自動(dòng)洗衣模式輸出相應(yīng)時(shí)間和洗滌轉(zhuǎn)速到控制模塊。而當(dāng)用戶不撥動(dòng)任何自動(dòng)洗衣模式選擇鍵時(shí)，默認(rèn)選擇手動(dòng)設(shè)置模式。有趣的是，當(dāng)自動(dòng)洗衣模式選擇鍵和手動(dòng)洗衣時(shí)間設(shè)置按鍵均未撥動(dòng)時(shí)，即用戶直接啟動(dòng)洗衣機(jī)，將選擇手動(dòng)設(shè)置模式的默認(rèn)值(中檔)。此時(shí)，洗滌、漂洗和脫水時(shí)間分別為15，20，5分鐘，而這和自動(dòng)設(shè)置模式中的常用洗衣模式完全相同。這種洗衣模式是最常用的一種模式，通過這種默認(rèn)設(shè)置，用戶可以有效避免復(fù)雜的選擇，直接啟動(dòng)洗衣機(jī)洗衣。

不論是選擇什么洗衣模式，洗滌電機(jī)的邏輯控制過程始終相同：在洗衣和漂洗時(shí)，電機(jī)以洗滌轉(zhuǎn)速正向連續(xù)工作5秒，暫停工作1秒，然后以相同的洗滌轉(zhuǎn)速反向連續(xù)工作5秒，暫停工作1秒，如此循環(huán)控制電機(jī)，直到洗衣和漂洗定時(shí)結(jié)束;在脫水時(shí)，電機(jī)以600轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速正向連續(xù)工作5秒，暫停工作1秒，如此循環(huán)控制電機(jī)，直到脫水定時(shí)結(jié)束。洗滌電機(jī)的洗滌轉(zhuǎn)速將根據(jù)洗衣模式有所調(diào)整，其默認(rèn)轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分鐘。當(dāng)洗衣模式為強(qiáng)力時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加為72轉(zhuǎn)/分鐘;當(dāng)洗衣模式為輕柔時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低為45轉(zhuǎn)/分鐘;而其他模式，包括手動(dòng)設(shè)置模式均采用默認(rèn)轉(zhuǎn)速60轉(zhuǎn)/分鐘。

按鍵選擇模塊的主要功能是根據(jù)用戶撥動(dòng)的各種設(shè)置按鍵，如水量設(shè)置、自動(dòng)洗衣模式選擇、手動(dòng)洗衣時(shí)間設(shè)置，進(jìn)行匯總，按照前面所提供的各種設(shè)置按鍵與控制信息之間的關(guān)系，輸出進(jìn)水、洗、漂洗、脫水時(shí)間、洗滌轉(zhuǎn)速到控制模塊控制洗衣過程，輸出洗衣總時(shí)間到計(jì)數(shù)模塊控制計(jì)數(shù)，輸出水位信號(hào)控制水位顯示的LED燈。

2.2 計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)模塊的輸入為來自按鍵選擇模塊的洗衣總時(shí)間total、1 Hz計(jì)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)以及復(fù)位和暫停信號(hào)。計(jì)數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)從0到total的計(jì)數(shù)，并輸出計(jì)數(shù)到控制模塊。計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)初值num為零，每過一時(shí)鐘周期，計(jì)數(shù)值num加1。當(dāng)num

2.3 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊是洗衣機(jī)控制器的核心模塊，它根據(jù)按鍵選擇模塊輸入的各種控制信息和計(jì)時(shí)模塊輸入的計(jì)時(shí)信息控制洗衣4種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和電機(jī)轉(zhuǎn)速，并輸出當(dāng)前洗衣狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)速，以及剩余時(shí)間。

洗衣四種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可以方便對(duì)由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。狀態(tài)機(jī)是一種輸出由當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前輸入決定的時(shí)序電路，它通常可以用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示。使用VHDL設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)不必知道電路的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需在邏輯上加以描述，因此采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)控制模塊是一種非常方便的方法。

狀態(tài)機(jī)的用VHDL實(shí)現(xiàn)有通用格式，它包含兩個(gè)個(gè)進(jìn)程：狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程Change_State和狀態(tài)機(jī)輸出進(jìn)程Output_Process。其中狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖決定，洗衣機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示，S0、S1、S2、S3、S4分別為進(jìn)水、洗滌、漂洗、脫水以及結(jié)束狀態(tài)，n0、n1、n2、n3分別表示由按鍵選擇模塊輸出的進(jìn)水、洗滌、漂洗與脫水時(shí)間，num為計(jì)數(shù)模塊輸出的洗衣機(jī)運(yùn)行時(shí)間，reset為洗衣機(jī)啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)洗衣機(jī)啟動(dòng)時(shí)，即reset按鍵撥動(dòng)，進(jìn)入S0狀態(tài)，開始進(jìn)水;當(dāng)洗衣機(jī)運(yùn)行時(shí)間num=n0時(shí)，進(jìn)水完成，狀態(tài)轉(zhuǎn)為S1，開始洗滌;當(dāng)洗衣機(jī)運(yùn)行時(shí)間num=n0+n1時(shí)，洗滌完成，狀態(tài)轉(zhuǎn)為S2，開始漂洗;當(dāng)洗衣機(jī)運(yùn)行時(shí)間num=n0+n1+n2時(shí)，漂洗完成，狀態(tài)轉(zhuǎn)為S3，開始脫水;當(dāng)洗衣機(jī)運(yùn)行時(shí)間num=n0+n1+n2+n3時(shí)，脫水完成，狀態(tài)轉(zhuǎn)為結(jié)束狀態(tài)S4，洗衣停止。

狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程的VHDL代碼如下：

當(dāng)reset=1時(shí)，啟動(dòng)進(jìn)程，當(dāng)前狀態(tài)state置S0。每當(dāng)掃描時(shí)鐘scan_clk為上升沿時(shí)，啟動(dòng)進(jìn)程，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)state和洗衣機(jī)運(yùn)行時(shí)間num，按照狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖決定新的當(dāng)前狀態(tài)。

輸出進(jìn)程通過輸出4種洗衣狀態(tài)信號(hào)控制4個(gè)LED燈當(dāng)明滅來顯示當(dāng)前洗衣狀態(tài)。輸出進(jìn)程通過輸出進(jìn)水信號(hào)控制進(jìn)水。當(dāng)洗衣為進(jìn)水狀態(tài)時(shí)，若暫停信號(hào)為0，則輸出進(jìn)水信號(hào)為1，開始進(jìn)水;若暫停信號(hào)為1，輸出進(jìn)水信號(hào)為0，暫停進(jìn)水。而當(dāng)洗衣為其他狀態(tài)時(shí)，輸出進(jìn)水信號(hào)始終為0，停止進(jìn)水。輸出進(jìn)程通過輸出電機(jī)控制信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)行。根據(jù)洗滌電機(jī)的邏輯控制過程，當(dāng)洗衣狀態(tài)為進(jìn)水時(shí)，輸出電機(jī)控制信號(hào)為零電平，表示電機(jī)暫停;當(dāng)洗衣狀態(tài)為洗滌和漂洗時(shí)，輸出電機(jī)控制信號(hào)為頻率為洗滌轉(zhuǎn)速(默認(rèn)60轉(zhuǎn)/分鐘，即1Hz)的方波持續(xù)5秒(默認(rèn)時(shí)輸出1 Hz的方波5個(gè))，然后高電平持續(xù)1秒(控制電機(jī)極性轉(zhuǎn)向);洗衣狀態(tài)為脫水時(shí)，輸出電機(jī)控制信號(hào)為頻率為脫水轉(zhuǎn)速(600轉(zhuǎn)/分鐘，即10 Hz)的方波持續(xù)5秒(默認(rèn)狀態(tài)下，輸出10 Hz的方波50個(gè))，然后零電平持續(xù)1秒(控制電機(jī)暫停)。輸出進(jìn)程根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和洗衣機(jī)運(yùn)行時(shí)間輸出當(dāng)前狀態(tài)剩余時(shí)間到顯示模塊。例如，當(dāng)洗衣為洗滌狀態(tài)時(shí)，輸出剩余時(shí)間為n0+n1-num。

2.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

本模塊用于在7段數(shù)碼管上顯示當(dāng)前狀態(tài)剩余時(shí)間，其輸入為控制模塊輸出的當(dāng)前狀態(tài)剩余時(shí)間和掃描時(shí)鐘。首先，將輸入的剩余時(shí)間由秒轉(zhuǎn)換為分鐘(四舍五入);然后進(jìn)行分位，分為個(gè)位ge和十位shi(顯然剩余時(shí)間不超過100分鐘，最多2位);最后通過動(dòng)態(tài)掃描在2個(gè)共陰極的七段數(shù)碼上交替顯示個(gè)位數(shù)字和十位數(shù)字。當(dāng)交替頻率高于28 Hz時(shí)，由于人眼的視覺殘留效果，這2位數(shù)字看上去是同時(shí)顯示在2個(gè)七段數(shù)碼管上。動(dòng)態(tài)掃描進(jìn)程的VHDL代碼如下：

3 結(jié)束語

我們?cè)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/QuartusⅡ">QuartusⅡ軟件開發(fā)平臺(tái)上，基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，使用VHDL語言完成洗衣機(jī)控制器設(shè)計(jì)、編譯和仿真，并下載到FPGA硬件實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行測(cè)試。仿真波形和測(cè)試結(jié)果表明該洗衣機(jī)能正確實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)功能，該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。