一種基于VHDL的洗衣機控制器設計

摘要：為降低設計成本，縮短設計周期，提出一種基于VHDL的洗衣機控制器的設計方案。該方案采用模塊化的設計思想，并使用狀態(tài)機完成控制模塊的設計。整個(gè)系統在QuartusⅡ開(kāi)發(fā)平臺上完成設計、編譯和仿真，并在FPGA硬件實(shí)驗箱上進(jìn)行測試。仿真波形和測試結果均表明該設計方案切實(shí)可行。

為提高洗衣機控制系統的智能性，以及定時(shí)和轉速的精確度，目前洗衣機控制系統通常采用數字電路而不是傳統的機械式控制。隨著(zhù)EDA(Electronic Design Automation，電子設計自動(dòng)化)技術(shù)的發(fā)展，采用硬件描述語(yǔ)言在EDA開(kāi)發(fā)軟件上完成電子系統的設計和仿真，并下載到可編程邏輯器件上調試已成為數字電路設計的新趨勢。

與傳統的數字電路設計方法相比，EDA技術(shù)具有以下特點(diǎn)：1)用軟件方式設計硬件;2)用軟件方式設計的系統到硬件系統的轉換是由有關(guān)開(kāi)發(fā)軟件自動(dòng)完成的;3)設計過(guò)程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真;4)系統可現場(chǎng)編程，在線(xiàn)升級;5)整個(gè)系統可集成在一個(gè)芯片上，體積小、功耗低、可靠性高;6)設計的移植性好、效率高;7)適合分工設計、團隊協(xié)作;8)設計成本低、設計周期短?；诖?，我們使用硬件描述語(yǔ)言VHDL在EDA主流開(kāi)發(fā)軟件QuartusⅡ上完成洗衣機控制器設計、編譯和仿真，并下載到FPGA硬件實(shí)驗箱上進(jìn)行測試。測試結果表明該設計方案切實(shí)可行。

1 總體設計方案

通過(guò)對市面上的洗衣機控制器的調查，設計洗衣機控制系統需實(shí)現洗滌模式選擇，水位控制，洗滌電機控制，洗衣?tīng)顟B(tài)、水位與剩余時(shí)間顯示等功能。具體功能為：1)能對洗滌模式、水位、洗滌時(shí)間、漂洗時(shí)間、脫水時(shí)間進(jìn)行設置;2)根據不同的洗滌模式，設置不同的電機轉速;3)能通過(guò)數碼管和LED顯示燈的形式顯示水位、洗衣的剩余時(shí)間、當前洗衣的狀態(tài)等信息;4)能在洗衣過(guò)程中隨時(shí)暫停，啟動(dòng)后從暫停前狀態(tài)繼續開(kāi)始洗衣;5)能實(shí)現系統復位功能，按復位鍵后使洗衣機系統恢復到起始狀態(tài)。

根據洗衣機控制器的功能，設置了4個(gè)模塊，分別是按鍵選擇模塊、計數模塊、控制模塊和時(shí)間顯示模塊，其系統框圖如圖1所示?；谀K化設計思想，采用自頂向下的層次化設計方法進(jìn)行設計，其輸入為：?jiǎn)?dòng)信號、暫停信號、各種用戶(hù)設置信號、1 Hz的計時(shí)時(shí)鐘信號和1kHz的掃描時(shí)鐘信號;其輸出為：當前狀態(tài)剩余時(shí)間顯示(2位共陰極7段數碼管顯示)、洗衣?tīng)顟B(tài)、電機控制信號、水位和進(jìn)水信號。

2 核心模塊設計

2.1 按鍵選擇模塊設計

洗衣機洗衣過(guò)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。水量設置為高、中、低3檔，用戶(hù)通過(guò)撥動(dòng)兩位水量設置按鍵進(jìn)行選擇。當用戶(hù)不撥動(dòng)任何按鍵時(shí)，即按鍵值為00時(shí)，水量設置為默認值：即中檔，4升。表1給出了水量設置按鍵與水量大小和進(jìn)水時(shí)間的對應關(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)設置和手動(dòng)設置兩種。在手動(dòng)設置時(shí)，用戶(hù)通過(guò)撥動(dòng)3組手動(dòng)洗衣設置按鍵：洗滌設置按鍵、漂洗設置按鍵和脫水設置按鍵分別設置洗滌、漂洗和脫水時(shí)間。表2給出了這3組設置按鍵與洗滌、漂洗和脫水時(shí)間的對應關(guān)系。當用戶(hù)不撥動(dòng)任何按鍵時(shí)，時(shí)間取默認值，即中檔(按鍵值為10時(shí)對應的時(shí)間)

自動(dòng)設置模式包括：強力、常用、輕柔3種洗衣模式，用戶(hù)通過(guò)撥動(dòng)兩位自動(dòng)洗衣模式選擇鍵進(jìn)行選擇。當用戶(hù)選擇自動(dòng)設置模式時(shí)，控制器將根據用戶(hù)選擇的洗衣模式自動(dòng)設置相應的洗滌時(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)設置模式的優(yōu)先級高于手動(dòng)設置模式。若用戶(hù)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)間設置鍵(這種情況很容易發(fā)生)，洗衣機控制器認為選擇的是自動(dòng)洗衣模式，本模塊將按選擇的自動(dòng)洗衣模式輸出相應時(shí)間和洗滌轉速到控制模塊。而當用戶(hù)不撥動(dòng)任何自動(dòng)洗衣模式選擇鍵時(shí)，默認選擇手動(dòng)設置模式。有趣的是，當自動(dòng)洗衣模式選擇鍵和手動(dòng)洗衣時(shí)間設置按鍵均未撥動(dòng)時(shí)，即用戶(hù)直接啟動(dòng)洗衣機，將選擇手動(dòng)設置模式的默認值(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(guò)這種默認設置，用戶(hù)可以有效避免復雜的選擇，直接啟動(dòng)洗衣機洗衣。

不論是選擇什么洗衣模式，洗滌電機的邏輯控制過(guò)程始終相同：在洗衣和漂洗時(shí)，電機以洗滌轉速正向連續工作5秒，暫停工作1秒，然后以相同的洗滌轉速反向連續工作5秒，暫停工作1秒，如此循環(huán)控制電機，直到洗衣和漂洗定時(shí)結束;在脫水時(shí)，電機以600轉/分鐘的轉速正向連續工作5秒，暫停工作1秒，如此循環(huán)控制電機，直到脫水定時(shí)結束。洗滌電機的洗滌轉速將根據洗衣模式有所調整，其默認轉速為60轉/分鐘。當洗衣模式為強力時(shí)，電機轉速增加為72轉/分鐘;當洗衣模式為輕柔時(shí)，電機轉速降低為45轉/分鐘;而其他模式，包括手動(dòng)設置模式均采用默認轉速60轉/分鐘。

按鍵選擇模塊的主要功能是根據用戶(hù)撥動(dòng)的各種設置按鍵，如水量設置、自動(dòng)洗衣模式選擇、手動(dòng)洗衣時(shí)間設置，進(jìn)行匯總，按照前面所提供的各種設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、洗滌轉速到控制模塊控制洗衣過(guò)程，輸出洗衣總時(shí)間到計數模塊控制計數，輸出水位信號控制水位顯示的LED燈。

2.2 計數模塊設計

計數模塊的輸入為來(lái)自按鍵選擇模塊的洗衣總時(shí)間total、1 Hz計時(shí)時(shí)鐘信號以及復位和暫停信號。計數模塊實(shí)現從0到total的計數，并輸出計數到控制模塊。計數模塊的計數初值num為零，每過(guò)一時(shí)鐘周期，計數值num加1。當num