洗衣機(jī)洗滌控制電路

設(shè)計(jì)實(shí)例11.1洗衣機(jī)洗滌控制電路的性能要求 11.2洗衣機(jī)洗滌控制電路的結(jié)構(gòu) 11.3洗衣機(jī)洗滌控制電路的算法狀態(tài)機(jī)圖描述11.4洗衣機(jī)洗滌控制電路的VHDL描述習(xí)題與思考題

11.1洗衣機(jī)洗滌控制電路的性能要求

1．強(qiáng)洗、標(biāo)準(zhǔn)、輕柔三種洗滌模式強(qiáng)洗周期水流控制：正向電機(jī)接通5秒后，停2秒；再反向電機(jī)接通5秒，停2秒；然后又正向電機(jī)接通5秒。如此循環(huán)控制電機(jī)，直到洗滌定時(shí)結(jié)束。標(biāo)準(zhǔn)洗周期水流控制：其過程與強(qiáng)洗周期水流控制相同，不同的是正向接通時(shí)間為3.5秒，停止時(shí)間為1.5秒，反向接通時(shí)間為3.5秒。輕柔洗周期水流控制：正向接通時(shí)間為2.5秒，停止時(shí)間為1.5秒，反向接通時(shí)間為2.5秒。

2．三種洗滌定時(shí)

洗衣機(jī)洗滌定時(shí)有三種選擇：5分鐘、10分鐘、15分鐘。

3．上電復(fù)位后的初始設(shè)定

初始設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)模式，定時(shí)時(shí)間為15分鐘。如需修改，可按模式選擇按鍵和定時(shí)選擇按鍵。每按一次按鍵轉(zhuǎn)換一次，可多次進(jìn)行循環(huán)選擇。當(dāng)某一次洗滌過程結(jié)束后，自動返回初始狀態(tài)，等待下一次洗滌過程開始。

4．啟/停控制

洗滌過程由啟/停鍵控制。每按一次啟/停鍵，狀態(tài)轉(zhuǎn)換一次。

5．洗滌定時(shí)精度

洗滌定時(shí)誤差要求不大于0.1秒。

為簡化洗衣機(jī)洗滌控制電路設(shè)計(jì)，只要求輸出正向和反向的電機(jī)控制信號。

11.2洗衣機(jī)洗滌控制電路的結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述對洗衣機(jī)洗滌控制電路的性能要求，可以畫出如圖11-1所示的結(jié)構(gòu)框圖。該控制器由四大部分組成：主分頻器、主控制器、洗滌定時(shí)器和水流控制器。圖11-1洗衣機(jī)洗滌控制電路的結(jié)構(gòu)框圖

1．主分頻器

主分頻器用來產(chǎn)生0.1秒的時(shí)鐘供主控制器使用。本方案使用民用的石英晶體，其振蕩頻率為76.8?kHz。這樣，主分頻器的分頻系數(shù)為7680?，F(xiàn)采用3個(gè)分頻器構(gòu)成主分頻器的分頻電路，分別是256分頻器、10分頻器和3分頻器。主分頻器的結(jié)構(gòu)如圖11-2所示。

圖11-2主分頻器的結(jié)構(gòu)

2．主控制器

主控制器的輸入信號和輸出信號如圖11-1所示，分別敘述如下：

(1)輸入信號：

reset：上電復(fù)位；

start_stop：啟/停按鍵輸入；

mode_sel：洗滌模式選擇按鍵輸入；

系統(tǒng)時(shí)鐘輸入(sysclk)：76800Hz主時(shí)鐘；

timer_sel：洗滌時(shí)間選擇按鍵輸入；

timer_down：定時(shí)到輸入。

(2)輸出信號：

5min_out：5分鐘定時(shí)控制；

10min_out：10分鐘定時(shí)控制；

15min_out：15分鐘定時(shí)控制；

start_out：啟/停控制；

j_out：強(qiáng)水流控制；

b_out：標(biāo)準(zhǔn)水流控制；

z_out：輕柔水流控制。

主控制器的功能是根據(jù)各輸入按鍵的狀態(tài)，輸出對應(yīng)的控制狀態(tài)信號，控制洗滌定時(shí)器和水流控制器的工作。

3．洗滌定時(shí)器

洗滌定時(shí)器的功能是根據(jù)主控制器送來的有關(guān)控制信號，實(shí)現(xiàn)5分鐘、10分鐘和15分鐘的洗滌時(shí)間控制。其輸入和輸出信號分別如下：

(1)輸入信號：

s5min_in；

s10min_in；

s15min_in；

start_in；

reset

；

sysclk。

(2)輸出信號：

timer_on_out：定時(shí)有效；

timer_down_out：定時(shí)到。

4．水流控制器

水流控制器的功能是根據(jù)主控制器輸出的強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)、輕柔控制信號產(chǎn)生不同的水流控制周期，控制洗衣機(jī)電機(jī)的工作，其輸入和輸出信號分別如下：

(1)輸入信號：

j_in；

b_in；

z_in；

sysclk；

clk_01；

timer_down；

reset；

timer_on。

(2)輸出信號：

off_out：電機(jī)斷開控制信號輸出；

on_out：電機(jī)接通控制信號輸出。

11.3洗衣機(jī)洗滌控制電路的算法狀態(tài)機(jī)圖描述

如圖11-1所示，洗衣機(jī)洗滌控制電路主要是控制電路和計(jì)數(shù)電路，因此直接用算法狀態(tài)機(jī)圖描述比較方便。

1．主控制器的算法狀態(tài)機(jī)圖描述

根據(jù)主控制器的工作要求，洗衣機(jī)洗滌時(shí)的工作狀態(tài)共有以下9種：

標(biāo)準(zhǔn)——15分鐘；

標(biāo)準(zhǔn)——10分鐘；

標(biāo)準(zhǔn)——5分鐘；

輕柔——15分鐘；

輕柔——10分鐘；

輕柔——5分鐘；

強(qiáng)洗——15分鐘；

強(qiáng)洗——10分鐘；

強(qiáng)洗——5分鐘。

如果該主控制器用9個(gè)狀態(tài)的算法狀態(tài)機(jī)圖來描述，則其狀態(tài)轉(zhuǎn)換將會變得復(fù)雜而難以處理?？紤]到模式和定時(shí)選擇是相對獨(dú)立的，沒有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此，可以用3個(gè)算法狀態(tài)機(jī)圖來描述。

1)模式選擇控制狀態(tài)機(jī)圖

模式選擇控制狀態(tài)機(jī)圖如圖11-3(a)所示。

(a)模式選擇控制狀態(tài)機(jī)圖；(b)定時(shí)選擇控制狀態(tài)機(jī)圖圖11-3主控制器算法狀態(tài)機(jī)圖

復(fù)位后進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)洗滌模式，并輸出set_b標(biāo)準(zhǔn)模式狀態(tài)信號。接著判斷定時(shí)結(jié)束timer_down是否有效。如果有效，則表明洗滌結(jié)束，set_b置“0”回到標(biāo)準(zhǔn)模式狀態(tài)；如果無效，則判別模式選擇按鍵是否按下。如果未按下，則仍處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)；如果已按下，則進(jìn)入輕柔狀態(tài)。通過類似的操作和判別，該狀態(tài)機(jī)圖可在標(biāo)準(zhǔn)、輕柔、強(qiáng)洗三種模式下循環(huán)選擇和工作，并送出相應(yīng)的狀態(tài)信號。

2)定時(shí)選擇控制狀態(tài)機(jī)圖

定時(shí)選擇控制狀態(tài)機(jī)圖如圖11-3(b)所示。其結(jié)構(gòu)與模式選擇控制狀態(tài)機(jī)圖一致，所不同的僅僅是狀態(tài)名、狀態(tài)輸出信號及引起狀態(tài)轉(zhuǎn)換的按鍵信號。圖中，3個(gè)狀態(tài)分別為s_5min、s_10min、s_15min；3個(gè)狀態(tài)輸出信號分別為set_5?min、set_10?min、set_15?min；按鍵輸入信號為timer_sel。

3)啟/?？刂扑惴顟B(tài)機(jī)圖描述

主控制器還要產(chǎn)生啟/停控制信號。啟/?？刂扑惴顟B(tài)機(jī)圖如圖11-4所示。

圖11-4啟/?？刂扑惴顟B(tài)機(jī)圖

圖11-4中只有2種狀態(tài)：停止?fàn)顟B(tài)和啟動狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)s_stop，當(dāng)start_stop按鍵按下時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至啟動狀態(tài)s_start，并送出啟動控制信號start(start?=?1)。再按一下start_stop鍵，狀態(tài)回到停止?fàn)顟B(tài)，start控制信號置“0”，暫停洗滌工作。再按一次start_stop按鍵，系統(tǒng)又回到啟動狀態(tài)。這樣，根據(jù)需要可人為地暫停或啟動洗衣機(jī)工作。

2．洗滌定時(shí)器的算法狀態(tài)機(jī)圖描述

洗滌定時(shí)器的算法狀態(tài)機(jī)圖如圖11-5所示。

洗滌定時(shí)器有3種狀態(tài)：停止?fàn)顟B(tài)(IDLE)、計(jì)時(shí)狀態(tài)(INCCOUNT)和暫停狀態(tài)(TMP_STOP)。

系統(tǒng)復(fù)位后就進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)(IDLE)。在停止?fàn)顟B(tài)下不斷判別啟動信號start是否為“1”。如果為“1”，則表明啟動鍵已按下，定時(shí)器開始工作，timer_on標(biāo)志置“1”，轉(zhuǎn)移的下一個(gè)狀態(tài)為計(jì)數(shù)狀態(tài)；否則仍留在停止?fàn)顟B(tài)。

圖11-5洗滌定時(shí)器的算法狀態(tài)機(jī)圖

在計(jì)時(shí)狀態(tài)(INCCOUNT)下，先要判別啟動信號是否仍為“1”。前面已經(jīng)提到，啟/停按鍵是一個(gè)乒乓按鍵，按一次啟/停按鍵使start輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換一次。如果復(fù)位后按一下啟/停按鍵，使start?=

1，則定時(shí)器開始進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)。如果再按一次啟/停按鍵，使start=0，則定時(shí)器處于暫時(shí)停止?fàn)顟B(tài)，定時(shí)計(jì)數(shù)值將被保留。如果再按一次啟/停鍵，則洗滌定時(shí)器繼續(xù)啟動，在原有計(jì)時(shí)值上進(jìn)行計(jì)時(shí)。如果在計(jì)時(shí)狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)start?=

0，則定時(shí)器進(jìn)入暫停狀態(tài)(TEMP_STOP)，同時(shí)timer_on置“0”，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。

在暫停狀態(tài)下，繼續(xù)判別start信號。如果start?=?0，則仍留在暫停狀態(tài)；如果start?=

1，則表明定時(shí)器再啟動，timer_on?=

1，狀態(tài)將轉(zhuǎn)移至計(jì)時(shí)狀態(tài)。

在計(jì)時(shí)狀態(tài)下，如果start

=

1，接著判別分時(shí)鐘s1min上升沿是否到來。如果未到來，則仍停留在計(jì)時(shí)狀態(tài)；若分時(shí)鐘的上升沿已到來，則分計(jì)數(shù)器就進(jìn)行加1操作。接著判斷是否到了指定的定時(shí)計(jì)時(shí)值(定時(shí)計(jì)數(shù)值只有3種：5分鐘、10分鐘和15分鐘)。如果未到計(jì)時(shí)值，則仍停留在計(jì)時(shí)狀態(tài)；如果到了計(jì)時(shí)值，則停止計(jì)時(shí)，timer_on?=

0，timer_down?=

1，count?=

0000，start?=

0，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至停止?fàn)顟B(tài)。

3．水流控制器的算法狀態(tài)機(jī)圖描述

水流控制器的算法狀態(tài)機(jī)圖如圖11-6所示。

該狀態(tài)機(jī)圖有3種狀態(tài)：停止?fàn)顟B(tài)(STOP)、電機(jī)接通定時(shí)計(jì)數(shù)狀態(tài)(ON_TIME)和電機(jī)斷開定時(shí)計(jì)數(shù)狀態(tài)(OFF_TIME)。

圖11-6水流控制器的算法狀態(tài)機(jī)圖

系統(tǒng)復(fù)位后進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，接著判斷洗滌定時(shí)器是否啟動(timer_on

=

1)。如果未啟動，則仍停留在停止?fàn)顟B(tài)；如果已啟動，則判別當(dāng)前電機(jī)是處在接通定時(shí)計(jì)數(shù)狀態(tài)，還是處在斷開定時(shí)計(jì)數(shù)狀態(tài)。根據(jù)設(shè)置不同，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的狀態(tài)：ON_TIME或OFF_TIME。

在ON_TIME狀態(tài)下，判別timer_on是否繼續(xù)為“1”(因?yàn)橄礈爝^程有可能暫停)。如果為“1”，再判別0.1秒時(shí)鐘clk_01的上升沿是否到來。如果未到來，則停留在ON_TIME狀態(tài)；如果已到來，則電機(jī)接通定時(shí)計(jì)數(shù)器加1(on_count?=?on_count+1)。下面判別定時(shí)計(jì)數(shù)值是否到規(guī)定時(shí)間值：

強(qiáng)洗：on_count_u=5秒

標(biāo)準(zhǔn)洗：on_count_u=3.5秒

輕柔洗：on_count_u=2.5秒

在未到規(guī)定計(jì)數(shù)值時(shí)，返回ON_TIME狀態(tài)繼續(xù)進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)；當(dāng)計(jì)數(shù)到規(guī)定的定時(shí)值時(shí)，就使cnton_inc、clron、cntoff_inc、set_off置“1”，接著狀態(tài)轉(zhuǎn)移至電機(jī)斷開定時(shí)計(jì)數(shù)狀態(tài)OFF_TIME。

在ON_TIME狀態(tài)下，如果發(fā)現(xiàn)timer_on為“0”，表明洗滌定時(shí)過程結(jié)束，對水流控制器進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。

電機(jī)斷開的定時(shí)計(jì)數(shù)狀態(tài)的工作過程與電機(jī)接通的定時(shí)計(jì)數(shù)狀態(tài)的工作過程類同，請讀者自行分析。

下面對標(biāo)志量的含義作一說明：

set_on='1' →on_out='1'

；

clron='1'→on_out='0'；

set_off='1' →off_out='1'；

cnton_inc='1' →count_on+1；

cntoff_inc='1'→count_off+1；

如果上述這些標(biāo)志量是'1'，就會發(fā)生后面所示的操作。設(shè)置標(biāo)志量的目的是為了編程方便，使控制操作集中在一個(gè)進(jìn)程中，以避免VHDL中的“多源”描述的出現(xiàn)，這一點(diǎn)在后面程序中就可以看到。

11.4洗衣機(jī)洗滌控制電路的VHDL描述

洗衣機(jī)洗滌控制電路由5個(gè)模塊組成：主分頻器timectr_clkdiv、定時(shí)器timer_count、定時(shí)器控制timer_ctr、水流周期控制timeronoff_ctr及洗滌定時(shí)控制電路timer_sum模塊。

1．主分頻器timectr_clkdiv模塊

主分頻器的功能是將76

800

Hz的主頻分頻為10?Hz的時(shí)鐘。該模塊由3個(gè)進(jìn)程組成，其VHDL描述的程序清單如下：

div_10進(jìn)程為10分頻進(jìn)程，div_256進(jìn)程為256分頻進(jìn)程，div_3進(jìn)程為3分頻進(jìn)程。76800Hz主頻經(jīng)該3個(gè)進(jìn)程串行分頻就得到10Hz的時(shí)鐘clk_01。

2．定時(shí)器控制timer_ctr模塊

如前所述，定時(shí)器控制timer_ctr模塊的功能是根據(jù)啟/停按鍵(start_stop)、模式選擇按鍵(mode_sel)和定時(shí)選擇按鍵(timer_sel)的不同輸入狀態(tài)，產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號輸出，其VHDL描述的程序清單如下：

該模塊由4個(gè)進(jìn)程組成。mode_ctr進(jìn)程是模式選擇控制進(jìn)程，對應(yīng)圖11-3(a)所示的模式選擇控制狀態(tài)機(jī)圖；timer_ctr進(jìn)程是定時(shí)選擇控制進(jìn)程，對應(yīng)圖11-3(b)所示的定時(shí)選擇控制狀態(tài)機(jī)圖；start_ctr進(jìn)程是啟/?？刂七M(jìn)程，對應(yīng)圖11-4所示的啟/停控制算法狀態(tài)機(jī)圖；最后一個(gè)進(jìn)程是timer_ctr_update進(jìn)程，它的功能是根據(jù)上述3個(gè)進(jìn)程中不同的控制標(biāo)志輸出，在該進(jìn)程中對輸出控制信號進(jìn)行刷新，其刷新頻率為系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率(76800Hz)，這樣就可確?？刂频木?。

3．定時(shí)器timer_count模塊

定時(shí)器timer_count模塊的功能是根據(jù)定時(shí)控制輸出，對洗衣機(jī)的洗滌時(shí)間進(jìn)行定時(shí)控制。它由3個(gè)進(jìn)程構(gòu)成，其VHDL描述的程序清單如下：

count_ctr進(jìn)程是定時(shí)計(jì)時(shí)進(jìn)程，根據(jù)定時(shí)選擇所確定的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)控制，它對應(yīng)圖11-5所示的洗滌定時(shí)器的算法狀態(tài)機(jī)圖。update進(jìn)程是一個(gè)刷新進(jìn)程，它根據(jù)count_ctr進(jìn)程的輸出控制標(biāo)志，對輸出控制信號進(jìn)行刷新。INIT進(jìn)程是對本次定時(shí)器賦初值的進(jìn)程。定時(shí)器根據(jù)所賦初值的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)洗滌時(shí)間的控制。

在timer_count清單中還含有10分頻器和60分頻器元件，這主要是為了在本模塊中得到分時(shí)鐘