VHDL微波炉控制器课程设计

湖南大学电气与信息工程学院本科生课程设计题目：数字微波炉控制器课程：数字电路课程设计专业：电子信息工程班级：1101班学号：20110702122姓名：吴哲顺指导老师：毛旭光设计时间：2014.06目录一、绪论............................................................3二、关键技术简介...................................................32.1FPGA简介....................................................32.2VHDL语言概述................................................32.3ALTIUMDESIGNER简介.........................................4三、微波炉定时控制器的设计方案分析..................................53.1系统设计的要求..............................................53.2系统总体功能描述............................................53.3各模块的功能实现............................................63.3.1输入模块...............................................63.3.2状态控制模块...........................................63.3.3显示模块...............................................6四、系统详细设计....................................................84.1控制模块.....................................................84.1.1状态转换控制...........................................84.1.2数据装载..............................................104.1.3烹饪计时..............................................114.1.4控制模块的实现........................................12五、系统仿真.......................................................125.1状态控制器仿真..............................................125.2数据装载器的仿真...........................................135.3烹饪计时器的仿真...........................................14六、结论..........................................................15一、绪论随着人民生活水平的提高，微波炉开始进人越来越多的家庭，它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。它省时、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它的重要性能指标。目前大部分微波炉控制器采用单片机进行设计，电路比较复杂，性能不够灵活。本文采用先进的EDA技术，利用ALTIUMDESIGNER工作平台和VHDL设计语言，设计了一种新型的微波炉控制器系统。该系统具有系统复位、时间设定、烹饪计时等功能，在FPGA上实现。二、关键技术简介2.1FPGA简介FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。目前以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。2.2VHDL语言概述VHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage，诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。VHDL语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用，它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。归纳起来，VHDL语言主要具有以下优点：(1)VHDL语言功能强大，设计方式多样VHDL语言具有强大的语言结构,只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以述十分复杂的硬件电路。同时,它还具有多层次的电路设计描述功能。此外，VHDL语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL语言设计方法灵活多样，既支持自顶向下的设计方式，也支持自底向上的设计方法；既支持模块化设计方法，也支持层次化设计方法。（2)VHDL语言具有强大的硬件描述能力VHDL语言具有多层次的电路设计描述功能，既可描述系统级电路，也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。同时，VHDL语言也支持惯性延迟和传输延迟，这样可以准确地建立硬件电路的模型。VHDL语言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据类型。VHDL语言既支持标准定义的数据类型，也支持用户定义的数据类型，这样便会给硬件描述带来较大的自由度。(3)VHDL语言具有很强的移植能力VHDL语言很强的移植能力主要体现在：对于同一个硬件电路的VHDL语言描述，它可以从一个模拟器移植到另一个模拟器上，从一个综合器移植到另一个综合器上，或者从一个工作平台移植到另一个工作平台上去执行。(4)VHDL语言的设计描述与器件无关采用VHDL语言描述硬件电路时，设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化，而不需要考虑其他的问题。当硬件电路的设计描述完成以后，VHDL语言允许采用多种不同的器件结构来实现。(5)VHDL语言程序易于共享和复用VHDL语言采用基于库(library)的设计方法。在设计过程中，设计人员可以建立各种可再次利用的模块，一个大规模的硬件电路的设计不可能从门级电路开始一步步地进行设计，而是一些模块的累加。这些模块可以预先设计或者使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放在库中，就可以在以后的设计中进行复用。由于VHDL语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言，因此它可以使设计成果在设计人员之间方便地进行交流和共享，从而减小硬件电路设计的工作量，缩短开发周期。2.3ALTIUMDESIGNER简介AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在WindowsXP操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。AltiumDesigner除了全面继承包括Protel99SE、ProtelDXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。由于AltiumDesigner在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，AltiumDesigner对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。三、微波炉定时控制器的设计方案分析3.1系统设计的要求现需设计一个微波炉控制器，通过该控制器再配以4个七段数码二极管完成微波炉的定时及信息显示。各信号的功能及要求如下：CLK是秒时钟脉冲输入，它接收每秒一个时钟脉冲的节拍信号。RESET为复位信号，高电平有效，用于芯片的复位功能。TEST为测试信号，高电平有效，用于测试4个七段数码二极管工作是否正常。START为开始加热信号，高电平有效，SET_UP信号为定时设置信号，高电平时可以设置定时时间，DATA为定时的时间，COOK为加热输出，另外四个输出分别表示显示的定时时间的分和秒。3.2系统总体功能描述各信号功能及要求如下：CLK是秒时钟脉冲输入，它接收每秒一个时钟脉冲的节拍信号。RESET为复位信号，高电平有效，用于芯片的复位功能。TEST信号是测试信号，高电平有效，用于测试七段数码管工作是否正常。SET_UP是烹调时间设置控制信号，高电平有效。DATA1是一个16位总线输入信号，输入所设置的时间长短，它由高到低分为4组，每一组是BCD码输入，分别表示分、秒十位、个位的数字，如12分59秒。START是烹调开始的控制信号，高电平有效。COOK是烹调进行信号，外接用于控制烹调的继电器开关，高电平时表明烹调已经开始或正在进行，低电平表示烹调结束或没有进行。MIN_H,MIN_L,SEC_H,SEC_L是四组七位总线信号，通过LCD动态的显示完成烹调所剩的时间及测试状态信息，烹调完毕的状态信息。该微波炉控制器的具体功能要求如下：上电后系统首先处于复位状态。在工作是首先按时间设置键设置烹调时间，此时系统输入DATA1的数据作为烹调所需的时间，然后系统自动回到复位状态，同时4个七段数码管显示时间信息。在按START键后系统进入烹调状态。COOK信号开始为高电平，此时4个七段数码管每隔一秒钟变化一次，用以刷新还剩剩余多少时间结束烹调。烹调结束后，COOK信号变为低电平，同时LCD显示“0000”的信息，同时蜂鸣器发出提示音，然后系统回到复位状态。系统可以通过按RESE