FPGA基于VHDL微波炉课程设计说明书.doc

1、 1 微波炉控制器的 FPGA 实现 2 目 录 第一章 绪 论 .3 第一节 课题背景介绍 .3 第二章 电子设计自动化概述 .4 第一节 VHDL 简介 .4 第三章 总体设计 .5 第一节 课题的主要内容及基本要求 .5 第二节 设计思路 .5 第三节 设计方案 .6 第四章 模块分析 .8 第一节 状态控制电路模块 .9 第二节 数据装载电路模块 .10 第三节 计时器模块 . 11 第五章 程序设计及仿真 .14 第一节 程序简要说明 .12 第二节 仿真时序图 .13 第六章 硬件调 试 .13 总 结 .16 致 谢 .17 参考文献 .18 附录一 原理图 .19 附录二 源程

2、序 .20 3 摘 要 该设计用语言在 软件 平台上通过编译、模拟仿真，完成了微波炉控制功能，实现了微波炉的 测试、时间设置、烹调计时、完成提示等设计，并对时钟分频作了一定的探讨。此设计采用了现场可编程逻辑器件的 设计，由控制模块、装载模块、计时模块和显示模 块四大模块组成，而且它可以将所有器件集成在一块芯片上，体积大大 减小，且外围电路很简单，易于实现。 关键词：；微波炉控制器；仿真 第一章 绪 论 第一节 课题背景介绍 一、 产品背景介绍 Percy L.Spencer 在 1946 年构想出微波炉的概念，在 1950 年取得专利。微波炉的运作机制为微波在水中能产生摩擦热的原理。早期微波炉

3、尺码庞大，重量超过 300 公斤和高度超过 1.5 米，所以主要在大型餐厅和食物市场使用。第一部家用微波炉是在 1965 年由 Raytheon 集团生产。 二、 国内产品发展现状 现在，中国已成为全球最大的微波炉生产基地，据估计，中国微波炉年产量已达 2000 万台左右，从 2001 年中国市场的需求量来看，约在 700 万台左右。中国微波炉市场经过前几年的洗牌，已由前几年的 300多家减少至目前的 100多家，其中在市场上可统计的仅 30 多家。 洋品牌在早期的微 波炉市场份额，几乎占据了绝大部分的市场。但初期由于微波炉市场属于导入期，价格高，消费者接受的少，自 1996 年以后，惠而浦、

4、松下等大部分都退出了中国市场，主要以出口为主。 1998 年后，外资品牌中以韩国品牌 LG、三星表现较为突出，逐渐跨入第 2、第 3名，微波炉第一品牌为格兰仕。 2000 年，美的介入，迅速崛起成为行业第三，三星也逐渐退出市场。 经过 60 年的发展，微波炉已经成为人们日用生活中的必不可少的厨房电器，大大降低了家庭妇女的工作量和工作强度。据统计，微波炉目前在日本、美国、西欧等发达国家地区的普及率高达 98%，在中国城镇的普及率也已近 90%。这个数字甚至超过了彩电和洗衣机的普及程度。 三、 产品发展趋势 随着人们生活水平的提高和信息化的发展，家用电器层出不穷，各种功能也越来越完善，其中微波炉是

5、现代家庭的必备产品，它的质量和性能的高低 ,将会4 极大的影响人们的生活水平和质量。为此，设计一个高质量的微波炉控制系统是非常有必要的。 微波炉开始进入越来越多的家庭，他给人们的生活带来了极大的方便。微波炉由 2450MHz 的超高频来加热食物。他省时、省电、方便和卫生，作为现代的烹饪工具，微波炉的控制器体现着他的重要性能指标。目前大 部分微波炉控制器采用单片机进行设计，带南路比较复杂性能不够灵活。本文采用先进的 EDA 技术，利用 QuartusII 工作平台和 VHDL 设计语言，设计了一种新型的微波炉控制器芯片，该芯片具有系统复位、时间设定和烹饪计时的功能，用一片 FPGA 芯片实现，所

6、以能设计出一款方便安全操作的微波炉是非常有必要的。 第二章 电子设计自动化概述 第一节 VHDL 简介 随着 VLSI、 EDA（ Electronic Design Automation ） 工具的迅速发展，用户系统的设计从单纯的 ASIC（ Application Specific Integrated Circuit） 设计向着系统单片化 SOC（ System On a Chip） 设计的方向发展。同时网络技术的发展，共享 IP 知识产权的开放式系统设计成为新模式，芯片工艺物理设计与系统设计相分离，使用户系统设计人员可直接从事芯片设计。多种技术的融合，系统的功能复合化程度越来越高；对系

7、统设计方法学和工具的要求更高；系统设计日趋软件硬化、硬件软化，并使两者得到了有机的融合，形成了更为强大的 ESDA（ Electronic System Design Automation ）。 VHDL （ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是 IEEE（ Institute of Electrical and Electronics Engineers）标准的硬件描述语言，是现代电子系统设计的首选硬件设计计算机语言。本篇介绍 VHDL 的语法基础、用 VHDL 进行系统设计 的 基本方法、以及

8、VHDL 的设计实例等。 从宏观的角度看， VHDL 的语法构成了程序的各组成部分；微观上看 VHDL 的语法是各种语句的运用细节。本章在 VHDL 的特性之后，从这两个角度简要介绍VHDL 的语法基础。 硬件描述语言 HDL（ Hardware Description Language）诞生于 1962 年 。 HDL是用形式化的方法描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。主要用于描述离散电子系统的结构和行为。与 SDL（ Software Description Language）相似，经历了从机器码（晶体管和焊接）、汇编（网表）、到高级语言（ HDL）的过程。 20 世纪 80 年 代 美

9、 国 国 防 部 开 发 Very High Speed Integrated Circuit VHSIC，用于描述集成电路的结构和功能。此后，硬件描述语言向标准化方向发展， 1987 年成为 IEEE Standard 1076，称为 VHDL 语言。它也是美国国5 防部标准（ MIL-STD-454L）。 1993 年该标准增修为 IEEE1164 标准。 1996 年，再次加入电路合成的标准程序和规格，成为 IEEE1076.3 标准。 1995 年 VerilogHDL 也成为 IEEE 标准。 VHDL 与 VerilogHDL 一起成为业界主选的硬件描述语言。 一、 VHDL 的特

10、点 应用 VHDL 进行系统设计，有以下几方面的特点。 （一）功能强大 VHDL 具有功能强大的语言结构。它可以用明确的代码描述复杂的控制逻辑设计。并且具有多层次的设计描述功能，支持设计库和可重复使用的元件生成。VHDL 是一种设计、仿真和综合的标准硬件描述语言。 （二）可移植性 VHDL 语言是一个标准语言，其设计描述可以为不同的 EDA 工具支持。它可以从一个仿真工具移植到另一个仿真工具，从一个综合工具移植到另一个综合工具，从一个工作平台移植到另一个工作平台。此外，通过更换库再重新综合很容易移植为 ASIC 设计。 （三）独立性 VHDL 的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关。设计者

11、可以不懂硬件的结构，也不必管最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。程序设计的硬件目标器件有广阔的选择范围，可以是各系列的 CPLD、 FPGA 及各种门阵列器件。 （四）可操作性 由于 VHDL 具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于已完成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变端口类属参量或函数，就能轻易地改变设计的规模和结构。 （五）灵活性 VHDL 最初是作为一种仿真标准格式出现的，有着丰富的仿真语句和库函数。使其在任何大系统的设计中，随时可对设计进行仿真模拟。所以，即使在远离门级的高层次（即使设计尚 未完成时），设计者就能够对整个工程设计的结构和功能的可行性进行查验，并做出

12、决策。 二、 VHDL 的设计步骤 采用 VHDL 的系统设计，一般有以下 6 个步骤。 （ 1）要求的功能模块划分； （ 2） VHDL 的设计描述（设计输入）； （ 3）代码仿真模拟（前仿真）； 6 （ 4）计综合、优化和布局布线； （ 5）布局布线后的仿真模拟（后仿真）； （ 6）设计的实现（下载到目标器件）。 三、 VHDL 的设计简述 VHDL 描述数字电路系统设计的行为、功能、输入和输出。它在语法上与现代编程语言相似，但包含了许多与硬件有特殊关系的结构。 VHDL 将一个设计称为一个实体 Entity（元件、电路或者系统），并且将它分成外部的可见部分（实体名、连接）和内部的隐藏部分

13、（实体算法、实现）。当定义了一个设计的实体之后，其他实体可以利用该实体，也可以开发一个实体库。所以，内部和外部的概念对系统设计的 VHDL 是十分重要的。 外部的实体名或连接由实体声明 Entity 来描述。而内部的实体算法或实现则由结构体 Architecture 来描述。结构体可以包含相连的多个进程 process 或者组建 component 等其他并行结构。需要说明的是，它们在硬件中都是并行运行的。 VHDL 程序设计的基本结构如下： 库、程序包 实体 Entity 结构体 Architecture、 进程 process、 组件 component 等 配置 Configuratio

14、n 表 1 VHDL 程序设计的基本结构 一个实体可以对应一个或者多个结构体。结构体可以包含一个或者多个进程或者组件。 四、 VHDL 的描述风格 设计实体的逻辑功能由 VHDL 的结构体具体描述。用户可以使用不同程度的语句类型和抽象方式来描述不同程度的设计。例如系统级的、板级的、 芯片级的或者模块级的设计。对于相同的逻辑行为可以有不同的语句表达方式。在 VHDL结构体中这种不同的描述方式或者说建模方法，通常可归纳为行为（ Behavioral）级描述、数据流（ Dataflow）级描述和结构（ Structural）级描述。 （一）行为级描述 通过一组串行的 VHDL 进程，反映设计的功能和

15、算法，而没有直接指明或涉及实现这些行为的硬件结构，包括硬件特性、连线方式和逻辑行为方式。行为级描述主要指顺序语句描述，即通常是指含有进程的非结构化的逻辑描述。 7 （二）数据流级描述 将数据看成从设计的输入端流到 输出端，反映从输入数据到输出数据所发生的立即变换。数据流描述主要是指非结构化的并行语句描述；是建立在用并行信号赋值语句描述基础上的。数据流描述方式可比较直观地表达底层逻辑行为。 （三）结构级描述 将设计看成多个功能块的相互连接，并且主要通过功能块的组件例化来表示。结构级描述方式采用了结构化、模块化的设计思想，适合于大型复杂性设计。 VHDL 通过这三种描述方法或称描述风格，从不同的侧

16、面描述结构体的行为方式。其中，行为描述的抽象程度最高，最能体现 VHDL 描述高层次结构和系统的能力。正是 VHDL 语言的行为描述 能力使自顶向下的设计方式成为可能。 在实际应用中，为了能兼顾整个设计的功能、资源和性能几方面的因素，通常将以上三种描述方式混合使用。 第三章 总体设计 第一节 课题的主要内容及基本要求 要求采用 EDA 技术设计一个微波炉控制器，可完成以下功能： （ 1）可控制烹调的开关； （ 2）可设置烹调时间，（假设系统最长的烹调时间为 59 分 59秒）； （ 3）可显示烹调的剩余时间。 第二节 设计思路 现代数字系统设计一般采用自顶向下的方法，其过程大致可分为三个大的步

17、骤：系统调研；模块的划分；模块的实现。承接一个数字系统 设计的课题后，一般不要急于动手设计，而应对课题作充分的分析和调研，然后确定初步的方案。 分析：课题的任务、要求、原理和使用条件等。 调研：课题现状并和相同或相近课题进行比较。 现代数字系统设计一般是将其划分为控制器和受控电路两大部分，控制器由ASM 图或 MDS 图决定，而受控电路则使用各种通用模块实现。 下面分析微波炉定时器的工作过程及基本要求： 上电后，系统处于复位状态。工作时首先进行烹调时间设置，并使用数码管显示时间信息，设要求最长的烹调时间为 59分 59 秒，时间设置完毕后系统自动回到初始状态；按开始烹调按 键进入烹调状态，时间

18、显示数码管按每秒减 1 的倒计时方式显示剩余烹调时间；烹调结束后，系统回到复位状态。 系统要求分析及初步方案的确定： 根据系统的基本要求，着重应考虑如下问题： （ 1）计时电路的设计：芯片内部产生和外部提供。本例中由外部时钟电路8 以 BCD 码的形式提供。 （ 2）时间设置出错及工作过程的取消等情况的处理：设置一个复位按键。 （ 3）数码管状态的检测：设置数码管检测按键，按动该按键后，数码管能够显示“ 8888”的信息。 （ 4）时间显示电路：采用 4位 7 段显示数码 管显示 ,并由芯片直接驱动。 （ 5）微波管的驱动：设置一个输出驱动控制烹调状态的继电器即可。 第三节 设计方案 微波炉控

19、制器系统可由以下三个电路模块组成：状态控制电路，其功能是控制微波炉工作过程中的状态转换，并发出相关控制信号；数据装载电路，其功能是根据控制信号选择定时时间，测试数据或计时完成信息的载入；计时器电路，其功能是对时钟进行减法计数，提供烹调完成时的状态信号。 微波炉控制器的系统框图如图 1所示。其中， CLK 为时钟输入信号，时钟上升沿敏感； RESET 为复位信号，高电平有效时系统复位清零； TEST 为数码显示管测试信号，高电平有效系统显示 8888； SET_T 高电平有效时允许设置烹饪时间；KEY 为定时时间输入信号，用于设置烹饪时间的长短，其高到低分别表示时间分、秒的十位、个位； STAR

20、T 为烹调开始信号，高电平有效时开始烹调；输出信号 COOK指示微波炉状态，高电平时表示烹调进行时； SEC0 、 SEC1、 MIN0、 MIN1 分别表示秒个位、秒十位、分个位、分十位。 图 1 微波炉控制器系统框图 微波炉控制器的工作流程图如图 2所示。 时间输入 时钟输入 复位输入 时间设置输入 开始按键 数码管测试输入 分秒信号输 出 驱动烹调输出 显示设置时间和烹饪时间信号 9 首先，对系统进行复位清零，使其各电路模块均处于初始状态；当烹饪时间设置信号 SET_T 有效时，读入时间信号 KEY3.0的取值，此时系统显示设置的时间信息，再按下 SET_T 确定设置时间完成。按下开始键

21、 START,系统 进入烹调状态， COOK 信号变为高电平，时钟计数器开始减法计数， MIN1、 MIN0、 SEC1、SEC0 显示剩余烹调时间。烹调结束，系统恢复初始状态。 当系统处于复位清零状态时，按下显像管测试按钮 TEST，将对显像管是否正常工作进行测试，正常工作时，显像管输出全 8。 接通电源 初始状态 时间设置 显示 8888 烹调 完成 SET_T TEST? START? 时间到？ N Y N Y N Y N Y 图 2 工作流程图 10 第四章 模块分析 第一节 状态控制电路模块 状态控制器的功能根据输入信号和自身当时所处的状态完成状态的转换和输出相应的控制信号，其模块框

22、图如图 3 所示。其中，输出信号 LD_DONE 指示数据装载电路载入的烹调结束的状态信息的显示的 驱动信息数据； LD_CLK 显示数据装载电路的设置的时间数据； LD_TEST 指示数据装载电路载入的用于测试的数据，以显示驱动信息数据； COOK 指示烹饪的状态，并提示计时器进行减法计算；KEY 为定时时间输入信号，用于设置烹饪时间的长短，其高到低分别表示时间分、秒的十位、个位。当 LD_DONE 有效时，输出烹调结束数据。当 LD_CLK 有效时，输出烹调的设置时间数据。当 LD_TEST 有效时，输出数码管测试数据包括 6个输入信号和 4 个输出信号。 图 3 状态控制电路模块框图 根据微波炉工作流程的描述，分析状态转换条件及输出信号，可以得到如图4所示的微波炉控制器的状态转换图。