基于VHDL的洗衣機控制器的設計

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。整個系統(tǒng)在QuartusⅡ開發(fā)平臺上完成設計、編譯和仿真，并在FPGA硬件實驗箱上進行測試。仿真波形和測試結果均表明該設計方案切實可行。

為提高洗衣機控制系統(tǒng)的智能性，以及定時和轉(zhuǎn)速的精確度，目前洗衣機控制系統(tǒng)通常采用數(shù)字電路而不是傳統(tǒng)的機械式控制。隨著EDA(Electronic Design Automation，電子設計自動化)技術的發(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)的設計和仿真，并下載到可編程邏輯器件上調(diào)試已成為數(shù)字電路設計的新趨勢。

與傳統(tǒng)的數(shù)字電路設計方法相比，EDA技術具有以下特點：1)用軟件方式設計硬件;2)用軟件方式設計的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關開發(fā)軟件自動完成的;3)設計過程中可用有關軟件進行各種仿真;4)系統(tǒng)可現(xiàn)場編程，在線升級;5)整個系統(tǒng)可集成在一個芯片上，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言VHDL在EDA主流開發(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硬件實驗箱上進行測試。測試結果表明該設計方案切實可行。

1 總體設計方案

通過對市面上的洗衣機控制器的調(diào)查，設計洗衣機控制系統(tǒng)需實現(xiàn)洗滌模式選擇，水位控制，洗滌電機控制，洗衣狀態(tài)、水位與剩余時間顯示等功能。具體功能為：1)能對洗滌模式、水位、洗滌時間、漂洗時間、脫水時間進行設置;2)根據(jù)不同的洗滌模式，設置不同的電機轉(zhuǎn)速;3)能通過數(shù)碼管和LED顯示燈的形式顯示水位、洗衣的剩余時間、當前洗衣的狀態(tài)等信息;4)能在洗衣過程中隨時暫停，啟動后從暫停前狀態(tài)繼續(xù)開始洗衣;5)能實現(xiàn)系統(tǒng)復位功能，按復位鍵后使洗衣機系統(tǒng)恢復到起始狀態(tài)。

根據(jù)洗衣機控制器的功能，設置了4個模塊，分別是按鍵選擇模塊、計數(shù)模塊、控制模塊和時間顯示模塊，其系統(tǒng)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行設計，其輸入為：啟動信號、暫停信號、各種用戶設置信號、1 Hz的計時時鐘信號和1kHz的掃描時鐘信號;其輸出為：當前狀態(tài)剩余時間顯示(2位共陰極7段數(shù)碼管顯示)、洗衣狀態(tài)、電機控制信號、水位和進水信號。

2 核心模塊設計

2.1 按鍵選擇模塊設計

洗衣機洗衣過程分為4階段：進水→洗滌→漂洗→脫水。其中進水時間由水量大小決定。水量設置為高、中、低3檔，用戶通過撥動兩位水量設置按鍵進行選擇。當用戶不撥動任何按鍵時，即按鍵值為00時，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水時間的對應關系。

洗滌、漂洗和脫水時間由洗衣模式?jīng)Q定。我們將洗衣模式分為自動設置和手動設置兩種。在手動設置時，用戶通過撥動3組手動洗衣設置按鍵：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、漂洗和脫水時間。表2給出了這3組設置按鍵與洗滌、漂洗和脫水時間的對應關系。當用戶不撥動任何按鍵時，時間取默認值，即中檔(按鍵值為10時對應的時間)

自動設置模式包括：強力、常用、輕柔3種洗衣模式，用戶通過撥動兩位自動洗衣模式選擇鍵進行選擇。當用戶選擇自動設置模式時，控制器將根據(jù)用戶選擇的洗衣模式自動設置相應的洗滌時間、漂洗時間、脫水時間。表3給出了不同洗衣模式下的洗滌、漂洗和脫水時間。

需要注意的是：自動設置模式的優(yōu)先級高于手動設置模式。若用戶誤操作，同時撥動了自動洗衣模式選擇鍵和手動洗衣時間設置鍵(這種情況很容易發(fā)生)，洗衣機控制器認為選擇的是自動洗衣模式，本模塊將按選擇的自動洗衣模式輸出相應時間和洗滌轉(zhuǎn)速到控制模塊。而當用戶不撥動任何自動洗衣模式選擇鍵時，默認選擇手動設置模式。有趣的是，當自動洗衣模式選擇鍵和手動洗衣時間設置按鍵均未撥動時，即用戶直接啟動洗衣機，將選擇手動設置模式的默認值(中檔)。此時，洗滌、漂洗和脫水時間分別為15，20，5分鐘，而這和自動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，通過這種默認設置，用戶可以有效避免復雜的選擇，直接啟動洗衣機洗衣。

不論是選擇什么洗衣模式，洗滌電機的邏輯控制過程始終相同：在洗衣和漂洗時，電機以洗滌轉(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，直到洗衣和漂洗定時結束;在脫水時，電機以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，直到脫水定時結束。洗滌電機的洗滌轉(zhuǎn)速將根據(jù)洗衣模式有所調(diào)整，其默認轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分鐘。當洗衣模式為強力時，電機轉(zhuǎn)速增加為72轉(zhuǎn)/分鐘;當洗衣模式為輕柔時，電機轉(zhuǎn)速降低為45轉(zhuǎn)/分鐘;而其他模式，包括手動設置模式均采用默認轉(zhuǎn)速60轉(zhuǎn)/分鐘。

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

2.2 計數(shù)模塊設計

計數(shù)模塊的輸入為來自按鍵選擇模塊的洗衣總時間total、1 Hz計時時鐘信號以及復位和暫停信號。計數(shù)模塊實現(xiàn)從0到total的計數(shù)，并輸出計數(shù)到控制模塊。計數(shù)模塊的計數(shù)初值num為零，每過一時鐘周期，計數(shù)值num加1。當num

2.3 控制模塊設計

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

洗衣四種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可以方便對由狀態(tài)機實現(xiàn)。狀態(tài)機是一種輸出由當前狀態(tài)和當前輸入決定的時序電路，它通?？梢杂脿顟B(tài)轉(zhuǎn)換圖表示。使用VHDL設計狀態(tài)機不必知道電路的具體實現(xiàn)細節(jié)，只需在邏輯上加以描述，因此采用狀態(tài)機實現(xiàn)控制模塊是一種非常方便的方法。

狀態(tài)機的用VHDL實現(xiàn)有通用格式，它包含兩個個進程：狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)換進程Change_State和狀態(tài)機輸出進程Output_Process。其中狀態(tài)轉(zhuǎn)換進程由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖決定，洗衣機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示，S0、S1、S2、S3、S4分別為進水、洗滌、漂洗、脫水以及結束狀態(tài)，n0、n1、n2、n3分別表示由按鍵選擇模塊輸出的進水、洗滌、漂洗與脫水時間，num為計數(shù)模塊輸出的洗衣機運行時間，reset為洗衣機啟動信號。當洗衣機啟動時，即reset按鍵撥動，進入S0狀態(tài)，開始進水;當洗衣機運行時間num=n0時，進水完成，狀態(tài)轉(zhuǎn)為S1，開始洗滌;當洗衣機運行時間num=n0+n1時，洗滌完成，狀態(tài)轉(zhuǎn)為S2，開始漂洗;當洗衣機運行時間num=n0+n1+n2時，漂洗完成，狀態(tài)轉(zhuǎn)為S3，開始脫水;當洗衣機運行時間num=n0+n1+n2+n3時，脫水完成，狀態(tài)轉(zhuǎn)為結束狀態(tài)S4，洗衣停止。

狀態(tài)轉(zhuǎn)換進程的VHDL代碼如下：

當reset=1時，啟動進程，當前狀態(tài)state置S0。每當掃描時鐘scan_clk為上升沿時，啟動進程，根據(jù)當前狀態(tài)state和洗衣機運行時間num，按照狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖決定新的當前狀態(tài)。

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

2.4 顯示模塊設計

本模塊用于在7段數(shù)碼管上顯示當前狀態(tài)剩余時間，其輸入為控制模塊輸出的當前狀態(tài)剩余時間和掃描時鐘。首先，將輸入的剩余時間由秒轉(zhuǎn)換為分鐘(四舍五入);然后進行分位，分為個位ge和十位shi(顯然剩余時間不超過100分鐘，最多2位);最后通過動態(tài)掃描在2個共陰極的七段數(shù)碼上交替顯示個位數(shù)字和十位數(shù)字。當交替頻率高于28 Hz時，由于人眼的視覺殘留效果，這2位數(shù)字看上去是同時顯示在2個七段數(shù)碼管上。動態(tài)掃描進程的VHDL代碼如下：

3 結束語

我們在QuartusⅡ軟件開發(fā)平臺上，基于模塊化的設計思想，使用VHDL語言完成洗衣機控制器設計、編譯和仿真，并下載到FPGA硬件實驗箱上進行測試。仿真波形和測試結果表明該洗衣機能正確實現(xiàn)各種設計功能，該設計方案切實可行。