前言

學(xué)校布置的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計大作業(yè)，要求完成VHDL核心代碼的設(shè)計，采用quartus II進行相關(guān)仿真并且在開發(fā)板上實現(xiàn)。由于本人能力有限，目的就是為了完成所要求的功能，就沒有使用元件例化（同時也覺得作業(yè)中的要求比較簡單），格式比較隨便，代碼僅供參考

設(shè)計目的與要求

洗衣機狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換方式為：啟動——正轉(zhuǎn)20秒——反轉(zhuǎn)20秒——浸泡10秒——脫水10秒——結(jié)束。

按鍵啟動洗衣機控制程序，用6個LED燈指示洗衣機狀態(tài)，其中啟動指示燈按下啟動按鍵后即點亮，直至結(jié)束；正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、浸泡、脫水指示燈為閃爍方式，結(jié)束狀態(tài)燈點亮持續(xù)5秒后自動熄滅。

用兩個數(shù)碼管顯示洗滌剩余時間（啟動時為60秒）。

設(shè)置一個暫停/恢復(fù)鍵，和一個暫停LED指示燈，暫停時停止計時，暫停指示燈亮；恢復(fù)時繼續(xù)計時，暫停指示燈熄滅。

總體設(shè)計

• 實驗開發(fā)環(huán)境：QuartusII 9.0
• 硬件資源：EDA-I（便攜式）實驗板
  資源布局：
  1. 主芯片：ALTERA 公司 EPF10K20TI144-4，提供 2 萬邏輯門
  2. 配置芯片：ALTERA 公司 EPM240T100C5N
  3. USB 串并轉(zhuǎn)換芯片：FTDI 公司的 FT245BL
  4. 通用時鐘（時鐘頻率：0.9Hz-6MHz 范圍內(nèi)可調(diào)整）：4 組
  5. 通用 LED 指示燈：24 個
  6. 通用電平輸入/LED 指示：24 個
  7. 通用脈沖輸入按鍵：8 個
  8. 動態(tài)數(shù)碼管顯示：8 個
  

• 數(shù)碼管顯示資源
  實驗箱上共有 8 個數(shù)碼管，其中 SEL7—SEL0 作為數(shù)碼管選擇信號，ABCDEFGH
  依次對應(yīng) 7 段譯碼器及小數(shù)點的選通信號。
  8 個數(shù)碼管共用 8 個段選擇信號，在設(shè)計的時候，可以選擇讓 SEL7—SEL0 依次有效（SEL 信號低電平有效），然后對應(yīng)的每個 SEL，ABCDEFGH有其相應(yīng)的值（段選擇信號高電平有效），只要掃描頻率足夠，由于人眼的視覺暫留，用戶觀察到 8 個數(shù)碼管同時發(fā)光，且每個數(shù)碼管顯示的值互相不干擾。如某時刻 SEL0 的值為 0，ABCDEFGH 的值為 00001100，則最右邊數(shù)碼管顯示的值為“1”。數(shù)碼管的段選排列圖如圖所示：
  

• LED 輸出顯示資源
  一共有24個發(fā)光二極管當(dāng)輸出為高電平時，發(fā)光二極管導(dǎo)通，產(chǎn)生光源；當(dāng)輸出為低電平時，發(fā)光二極管無法導(dǎo)通，燈不亮。

• 輸入開關(guān)/輸出顯示復(fù)用資源
  實驗箱上共有 24 個開關(guān)與 24 個發(fā)光二極管，當(dāng)需要輸入時，開關(guān)閉合（對于撥碼開關(guān)向上），則對應(yīng)輸入值為邏輯“1”且發(fā)光二極管亮，若開關(guān)斷開，則輸入值為邏輯“0”，數(shù)碼管不亮。當(dāng)作為輸出時，輸出值為邏輯“1”，則發(fā)光二極管亮，當(dāng)輸出值為邏輯“0”時，發(fā)光二極管不亮。

基本原理

設(shè)計流程
EDA的設(shè)計流程主要包括設(shè)計輸入、設(shè)計處理、設(shè)計驗證、器件編程和硬件測試等5個步驟。
本次實驗中，我采用通過硬件描述語言VHDL進行電路設(shè)計的方式；然后進行綜合適配，對設(shè)計輸入的文件進行邏輯化簡，優(yōu)化，對輸入文件進行語法檢查，最后產(chǎn)生編程文件；
設(shè)計驗證即時序仿真和功能仿真。通常情況下，先進行功能仿真，驗證其實現(xiàn)的功能是否滿足原設(shè)計的要求。在功能仿真已經(jīng)完成，確認(rèn)設(shè)計文件表達的功能滿足要求后，再進行綜合適配和時序仿真。器件編程是指將設(shè)計處理中產(chǎn)生的編程數(shù)據(jù)下載到具體的可編程器件中，也就是所說的板載測試，將下載文件通過FPGA編程器載入目標(biāo)芯片F(xiàn)PGA中。硬件測試是指將含有載入了設(shè)計的FPGA的硬件系統(tǒng)進行統(tǒng)一測試，便于在真實的環(huán)境中檢驗設(shè)計效果。

總體結(jié)構(gòu)分析

洗衣機控制器總體上分為狀態(tài)控制模塊、指示燈、顯像管控制模塊。其中的核心模塊是定時模塊，應(yīng)通過定時模塊來決定洗衣機當(dāng)前所在的狀態(tài)和所控制的顯像管。
洗衣機總共有6個狀態(tài)，分別為啟動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、浸泡、脫水、結(jié)束；每個狀態(tài)對應(yīng)一個指示燈，當(dāng)一個狀態(tài)結(jié)束時，另一個狀態(tài)及其對應(yīng)的指示燈需要立即銜接上去。
定時模塊主要用于確定剩余時間，首先將輸入的CLK信號分頻為1Hz，控制每個狀態(tài)的運行過程，將實時時間顯示在數(shù)碼管上。當(dāng)?shù)褂嫊r結(jié)束后發(fā)送結(jié)束信號，顯示特定的信息。
顯像管控制模塊包括用于顯示各過程的二極管，也包括顯示時間的顯像管。通過高頻率地來回控制兩個顯像管，人用肉眼看上去就不會覺得有閃動，從而實時顯示當(dāng)前時間。

子模塊設(shè)計

定時模塊需用到兩個CLK信號，其中一個用于控制倒計時，另一個用于控制時間在顯像管上的顯示。將用于倒計時的CLK信號設(shè)置成1Hz，每過1Hz，總時間減1，當(dāng)個位數(shù)為0時，控制十位數(shù)減1，同時將個位的數(shù)重新置為9；十位減至0，此時若個位位置為0時，個位的數(shù)開始每經(jīng)過1Hz加1，持續(xù)5秒，最后重新置0，整個狀態(tài)結(jié)束。十位和個位的起始數(shù)值由用戶選擇的模式來決定，若是浸泡洗，則分別為6和5；若是快速洗，則分別為6和0；若是脫水模式，則分別置為1和0。
控制兩個顯像管分別顯示十位和個位，需要輸入極快的CLK信號，在極短的時間內(nèi)來回顯示兩個顯像管，從而使人們看上去像同時控制了兩個顯像管。
本次控制器設(shè)置了6個狀態(tài)，實驗要求是將所有狀態(tài)運行一遍。但觀察生活中的洗衣機我們可知道，洗衣機可以選擇從任意一個狀態(tài)開始，所以我添加了浸泡洗，分離出了脫水，該控制器總共有三種模式可選擇；每個狀態(tài)都有一個顯像管所對應(yīng)，包括暫停狀態(tài)。

VHDL代碼：

library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity led isport(clk: in std_logic; --時間控制信號sjkz: in std_logic; --數(shù)碼管控制qidong: in std_logic; --啟動信號zanting:in std_logic; --暫停信號fenggan:in std_logic; --脫水信號jingpaoxi:in std_logic; -浸泡洗信號qidongdeng:out std_logic; --啟動指示燈zhengzhuan:out std_logic; --正轉(zhuǎn)指示燈fanzhuan:out std_logic; --反轉(zhuǎn)指示燈jingpao:out std_logic; --浸泡指示燈tuoshui:out std_logic; --脫水指示燈jieshudeng:out std_logic; --結(jié)束指示燈zantingdeng:out std_logic; --暫停指示燈ledag:out std_logic_vector(7 downto 0);Bt:out std_logic_vector(7 downto 0)); end led;architecture arc of led is signal cnt1: integer range 0 to 8 :=6; signal cnt2: integer range 0 to 9 :=0; signal jsjs: integer range 0 to 5 :=0; --結(jié)束倒計時控制信號 signal guan:integer range 0 to 1; signal cntx:integer range 0 to 1; --兩個數(shù)碼管控制信號 signal jieshu:std_logic :='0'; begin--控制特定的數(shù)碼管 P1:process(cnt1,cnt2) begin case cntx ISwhen 0=> BT<="11111101";guan<=0; --顯示十位的數(shù)碼管when 1=> BT<="11111110";guan<=1; --顯示個位的數(shù)碼管when others=>NULL;End case;end process p1;--兩個數(shù)碼管來回顯示控制 p2:process(sjkz)beginif sjkz='1' then cntx<=1;else cntx<=0;end if;end process p2;--倒計時進程控制 P3:process(clk) beginqidongdeng<='0';if fenggan='1' and jingpaoxi='0' and qidong='0' thencnt1<=1;elsif jingpaoxi='1' and fenggan='0' and qidong='0' thencnt2<=5;elseif qidong='1' thenqidongdeng<='1';if clk'event and clk='1' then --每隔1Hz進行一次減1操作if zanting='0' thenzantingdeng<='0';if jieshu='0' thenif cnt2=0 and cnt1 /=0 then cnt1<=cnt1-1;cnt2<=9;elsif cnt2=0 and cnt1=0 thencnt1<=0;cnt2<=0;else cnt1<=cnt1;cnt2<=cnt2-1;end if;if cnt1=5 or cnt1=4 then if cnt2=9 or cnt2=7 or cnt2=5 or cnt2=3 or cnt2=1 thenzhengzhuan<='1';else zhengzhuan<='0';end if;end if;if cnt1=3 or cnt1=2 then if cnt2=9 or cnt2=7 or cnt2=5 or cnt2=3 or cnt2=1 thenfanzhuan<='1';else fanzhuan<='0';end if;end if;if cnt1=1 then if cnt2=9 or cnt2=7 or cnt2=5 or cnt2=3 or cnt2=1 thenjingpao<='1';else jingpao<='0';end if;end if;if cnt1=0 thenif cnt2=9 or cnt2=7 or cnt2=5 or cnt2=3 or cnt2=1 thentuoshui<='1';else tuoshui<='0';end if;if cnt2=0 thenjieshudeng<='1';jieshu<='1';end if;end if;else cnt1<=0;cnt2<=0; if jsjs=5 thenjieshudeng<='0';cnt1<=8;cnt2<=0;elsejsjs<=jsjs+1;cnt2<=jsjs+1;jieshudeng<='1'; end if;end if;else cnt1<=cnt1;cnt2<=cnt2;zantingdeng<='1';end if;end if;end if;end if;end process P3;--顯像管顯示資源控制 P4:process(guan,cnt1,cnt2) beginif guan=1 thencase cnt2 is --控制個位的數(shù)碼管顯示數(shù)字信息when 0 => ledag <="11111100";when 1 => ledag <="01100000";when 2 => ledag <="11011010";when 3 => ledag <="11110010";when 4 => ledag <="01100110";when 5 => ledag <="10110110";when 6 => ledag <="10111110";when 7 => ledag <="11100000";when 8 => ledag <="11111110";when 9 => ledag <="11110110";when others => null;end case;elsecase cnt1 is --控制十位的數(shù)碼管顯示數(shù)字信息when 0 => ledag <="11111100";when 1 => ledag <="01100000";when 2 => ledag <="11011010";when 3 => ledag <="11110010";when 4 => ledag <="01100110";when 5 => ledag <="10110110";when 6 => ledag <="10111110";when 7 => ledag <="11100000";when 8 => ledag <="00000001";when others => null;end case;end if;end process P4; end arc;

引腳分布

注意！一定要根據(jù)自己使用的開發(fā)板上的引腳來設(shè)置，下面我只能提供我所使用的開發(fā)板的引腳分布，設(shè)置不一定要一模一樣，具體情況具體布局


輸入信號主要分三大類型，第一類是左上角藍色部分的通用時鐘信號，用于發(fā)送固定時鐘頻率的波動信號，這里選擇一個合適的頻率來回切換當(dāng)前一瞬間所控制的數(shù)碼管，再選擇一個合適的頻率用來控制倒計時速度
第二類就是紅色部分中的電平信號，將開關(guān)向上撥動表示該引腳輸出高電平，向下
表示低電平
第三類就是黑色部分的脈沖信號，按一次表示輸出一個高脈沖，不像電平信號會一直維持當(dāng)前狀態(tài)，所以可以用于電話按鍵等方面

開發(fā)板應(yīng)該都具備這些基本輸入信號類型，建議看看開發(fā)板相應(yīng)的說明書

板載測試

• 開始狀態(tài)
  標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，控制器從60秒開始倒計時，70端口代表開始信號，若將其置為1，程序開始運行。
• 運行過程：
  啟動指示燈在按下啟動按鍵后即點亮，顯像管根據(jù)題目要求，在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生變化，根據(jù)倒計時時間來決定表示各個狀態(tài)的二極管閃爍。
  

運行結(jié)束：
5秒倒計時結(jié)束后，結(jié)束指示燈長亮，顯像管顯示規(guī)定數(shù)值。

分析與總結(jié)

本實驗中系統(tǒng)設(shè)計已達成目的，完成了所要求的各功能，但還有一些地方可以進行優(yōu)化，比如在程序中加入一部分對波形圖顯示進行優(yōu)化的代碼，使顯像管對應(yīng)的二進制表示改變成人們更習(xí)慣的十進制。
這次大作業(yè)，我收獲最大的就是EDA操作的流程，VHDL語言的使用以及進程之間的通信都有了更深刻的認(rèn)識，在實際操作中遇到了很多人都會遇到的問題，這些問題不會在書中講述，只有靠平時的經(jīng)驗積累，才能為以后工作少走彎路。使用硬件描述語言需要我們學(xué)會從硬件的角度出發(fā)，理解信號傳遞之間的邏輯，在使代碼精簡的同時，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和正確性。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的数字系统设计VHDL实验：洗衣机控制器的设计（简易版）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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