【正文】 輸入，完成不同功能時自動以預(yù)置方案或者自定義方案加熱。在烹飪過程中，能通過數(shù)碼管顯示或者指示燈提示知道食物的 成熟度，可以智能控制。 微波爐控制器設(shè)計 3 2. 關(guān)鍵技術(shù)簡介 . FPGA 簡介 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。 目前以硬件描述語言（ Verilog 或 VHDL）所完成的電路設(shè)計， 可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進行測試，是現(xiàn)代 IC 設(shè)計驗證的技術(shù)主流。在大多數(shù)的 FPGA 里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（ Flip－ flop）或者其他更加完整的記憶塊。一個出廠后的成品 FPGA 的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計者而改變 ，所以 FPGA 可以完成所需要的邏輯功能。但是他們也有很多的優(yōu)點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。因為這些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計的開發(fā)是在普通的 FPGA上完成的，然后將設(shè)計轉(zhuǎn)移到一個類似于 ASIC 的芯片上。 1987 年底， VHDL 被 IEEE 和美國國防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。除了含有許多具有硬件特征的語句外， VHDL 的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計算機高級語言。在對一個設(shè)計實體 定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。 VHDL 語言能夠成為標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語言并獲得廣泛應(yīng)用，它自身必然具有很多其他硬件描述語言所不具備的優(yōu)點。同時 , 它還具有多層次的電路設(shè)計描述功能。 VHDL 語言設(shè)計方法靈活多樣，既支持自頂向下的設(shè)計方式，也支持自底向上的設(shè)計方法；既支持模塊化設(shè)計方法，也支持層次化設(shè)計方法。同時， VHDL 語言也支持慣性延遲和傳輸延遲，這樣可以準(zhǔn)確地建立硬件電路的模型。 VHDL 語言既支持標(biāo)準(zhǔn)定義的數(shù)據(jù)類型，也支持用戶定義的數(shù)據(jù)類型，這樣便會給硬件描述帶來較大的自由度。 (4) VHDL 語言的設(shè)計描述與器件無關(guān) 采用 VHDL 語言描述硬件電路時，設(shè)計人員并不需要首 先考慮選擇進行設(shè)計的器件。當(dāng)硬件電路的設(shè)計描述完成以后， VHDL 語言允許采用多種不同的器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員可以建立各種可再次利用的模塊，一個大規(guī)模的硬件電路的設(shè)計不可能從門級電路開始一步步地進行設(shè)計，而是一些模塊的累加。 由于 VHDL 語言是一種描述、模擬、綜合、優(yōu)化和布線的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，因此它可以使設(shè)計成果在設(shè)計人員之間方便地進行交流和共享，從而減小硬件電路設(shè)計的工作量，縮短開發(fā)周期。它集合了 Altera 的全部 CPLD/FPGA 器件的硬件開發(fā)功能，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)級設(shè)計、綜合、仿真、約束等功能，還具有在線測試功能。 Quartus II 物理綜合選項應(yīng)用在編譯的布局布線階段，而與采用何種綜合工具無關(guān)。 Quartus II 軟件的時序逼近流程由于其包含了內(nèi)置物理綜合工具以及豐富的圖形分析和編輯工具，提供了強大的交互探測能力，具有極大的吸引力。當(dāng)設(shè)計人員進一步需要更好的編譯結(jié)果時， Quartus II 軟件提供了一些高級工具，可以輕松地實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。時序優(yōu)化顧問工具在 Quartus II 軟件內(nèi)給設(shè)計人員提供了一個虛擬的現(xiàn)場應(yīng)用工程師。 實現(xiàn)后期設(shè)計更改的同時保持性能 可編程邏輯設(shè)計軟件的一個傳統(tǒng)困難是；當(dāng)引入后期設(shè)計更改的時候 ，如何保持設(shè)計的性能。最新的增量式設(shè)計編輯器和編譯技術(shù)給設(shè)計人員提供了布局布線后設(shè)計更改的最佳支持。 提供并行開發(fā) FPGA 和結(jié)構(gòu)化 ASIC Quartus II軟件能夠提供 FPGA設(shè)計和結(jié)構(gòu)化 ASIC設(shè)計之間的無縫移植。HardCopy Stratix 結(jié)構(gòu)化 ASIC 提供了比 Stratix FPGA 平均高 50%的性能，進步一步加強了 Stratix III 器件系列 65nm 性能的領(lǐng)先性。 Quartus II 軟件含有FPGA 核 CPLD 設(shè)計所有階段的解決方案，其設(shè)計流程包含設(shè)計輸入、綜合、布局布線、時序分析、仿真、編程和配置等步驟，其中的布局布線還包 括功耗分析、調(diào)試、工程更改管理幾個部分。 此外， Quartus II 軟件為設(shè)計流程的每個階段提供了 Quartus II 圖形用戶界面、EDA 工具界面以及命令行界面。 微波爐控制器設(shè)計 7 3. 系統(tǒng) 總體 設(shè)計 . 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 根據(jù)題目要求，該系統(tǒng)控制部分以 FPGA 芯片為核心，實現(xiàn)時間設(shè)置、溫度設(shè)定、火力選擇、音效響應(yīng)提示、 LED 數(shù)碼管顯示等，在硬件組成上，涉及到電源供電、按鍵輸入、 LED 數(shù)碼管顯示、指示燈提 示等。 采用 Cyclone II芯片 EP2C35F672C8 作為 控制芯片， 16 個按鍵 組成 的 4*4 矩陣鍵盤， 每個按鍵代表的功能如圖 所示， 8 個 LED 作為 8 個狀態(tài)提示指示燈 ， 4 位 LED 數(shù)碼管顯示加熱倒計時， 3 位 LED 數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度值， 1 位 LED 數(shù)碼管顯示當(dāng)前火力檔位。 測試 ：在待機狀態(tài)下按下此鍵，則數(shù)碼管和發(fā)光二極管全亮、全滅交替閃爍。當(dāng)按下 時間設(shè)置 按鍵時，四個按鍵分別表示設(shè)置定時時間的分、秒的十位和個位的數(shù)字；當(dāng)按下 溫度設(shè)定 按鍵時，后面三個按鍵分別表示設(shè)定最高溫度的百位、十位、個位；當(dāng)按下 火力設(shè)定 按鍵時，后面三個西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 按鍵分別表示火力檔位的高、中、低三個檔位。比如設(shè)定烹飪時間為 12 分 59 秒，只需要選擇 10Min 鍵，然后按 ▲/+1 鍵 “1”次；選擇 1Min/100℃ /High 鍵，然后按 ▲/+1 鍵 “2”次；選擇 10Sec/10℃ /Middle 鍵，然后按▲/+1 鍵 “5”次；選擇 1Sec/1℃ /Low 鍵，然后按 ▲/+1 鍵 “9”次。 1 0 M i n1 M i n/ 1 0 0 ℃/ H i g h1 0 S e c/ 1 0 ℃/ M i d d l e1 S e c/ 1 ℃/ L o w▲ / + 1▼ / 1烹 調(diào)復(fù) 位R E S E T暫 停 取 消C a n c e l測 試T E S T火 力 設(shè) 定P o w e r溫 度 設(shè) 定T e m p e r at u r e時 間 設(shè) 置S E T _ T烘 烤 解 凍開 始 確 認(rèn)S T A R TF P G A控 制芯 片工作狀態(tài)暫停測試烹調(diào)烘烤解凍意外報警完成提示顯 示 時 間 顯 示 溫 度火 力指 示 系統(tǒng) 外觀布局 暫停 /取消 ： 用于暫停食物烹飪過 程或者取消食物烹飪前的參數(shù)設(shè)置過程。 火力設(shè)定 ：用于設(shè)定系統(tǒng)火力檔位。 溫度設(shè)定 ：設(shè)置加熱的溫度最高值。 時間設(shè)置 ：設(shè)置系統(tǒng)工作時間。 烹調(diào) ：快速設(shè)定當(dāng)前烹飪時間和火力到適合烹調(diào)的值。 解凍 ：快速設(shè)定當(dāng)前烹飪時間和火力到適合解凍的值。 指示燈功能 如下 ： ? 完成提示：提示微波爐工作完成。該燈亮?xí)r，表示 出現(xiàn)意外，微波爐暫停工作； ? 解凍：該燈亮?xí)r，表示工作在解凍模式下； ? 烘烤：該燈亮?xí)r，表示工作在烘烤模式下； ? 烹調(diào)：該燈亮?xí)r，表示工作在烹調(diào)模式下； ? 測試：該燈亮?xí)r，表示微波爐處于測試狀態(tài)； ? 開門指示：指示微波爐的門的狀態(tài)，門開時燈亮，門關(guān)時燈滅； ? 工作狀態(tài)：指示微波爐處于工作狀態(tài)，工作時燈亮，不工作時燈滅； . 系統(tǒng) 功能模塊描述 本系統(tǒng)主要由輸入、控制和顯示部分組成?？刂撇糠质潜鞠到y(tǒng)的核心，它接收用戶的輸入，完成相應(yīng)的控制邏輯功能，并將當(dāng)前的工作狀態(tài)等 信息送到顯示部分。 以下是該系統(tǒng)功能模塊圖，如圖 所示 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 系統(tǒng)功能模塊圖 . 輸入模塊 輸入部分一般采用鍵盤或旋鈕作為輸入，由于實驗室已有設(shè)備限制，本系統(tǒng)采用鍵盤進行輸入設(shè)置，即由一個 4*4 矩陣鍵盤實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入控制。輸入模塊 包括 時鐘脈沖電路、鍵盤掃描電路、消枓同步電路和鍵盤譯碼電路 ， 通過 該模塊將掃描得到的按鍵值送到控制模塊。它通過輸入模塊提供的按鍵輸入實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息裝載處理， 并將處理結(jié)果通過 顯示模塊顯示 出來 。 微波爐控制器設(shè)計 11 . 顯示模塊 顯示部分采用七段數(shù)碼管和發(fā)光二極管來實現(xiàn)。其中，用七段數(shù)碼管作為時間、溫度、火力大小顯示，用發(fā)光二極管作為狀態(tài)提示顯示。 8 個狀態(tài)提示指示燈分別表示：工作狀態(tài)、開門指示、測試、烹調(diào)、烘烤、解凍、意外報警、完成提示。此時， 8 個數(shù)碼管上會顯示 “88888888”的信息， 所有 指示燈亮。系統(tǒng)工作時，首先通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)，比如，按 烹調(diào) 、 烘烤 、解凍 鍵選擇系統(tǒng)預(yù)置方案，或者按時間設(shè)置鍵設(shè)置時間，按溫度設(shè)定鍵設(shè)置溫度，按火力選擇鍵選擇火力，結(jié)合 10Min 、 1Min/100℃ /High 、 10Sec/10℃ /Middle 、1Sec/1℃ /Low 按鍵進行自定義方案設(shè)置，設(shè)置結(jié)束以后，表示數(shù)據(jù)裝載完成，按START 鍵后系統(tǒng)進入烹調(diào)狀態(tài)。烹飪結(jié)束后，系統(tǒng)會發(fā)出音效提示，同時，系統(tǒng)自動進入復(fù)位狀態(tài)。矩陣鍵盤是一種常見的輸入裝置，在日常生活中，矩陣鍵盤在計算機、電話、手機、微波爐等格式電子產(chǎn)品上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，計算機鍵盤通常采用行列掃描法來確定所按下鍵的行列位置。其中鍵盤掃描又涉及到時序產(chǎn)生、按鍵掃描和消除抖動。 時序產(chǎn)生電路 本時序產(chǎn)生電路中使用了三種不同頻率的工作脈沖波形：系統(tǒng)時鐘脈沖、掃描鍵盤時鐘、鍵盤消抖動時鐘。 系統(tǒng)時鐘脈沖 CLK_SCAN : OUT STD_LOGIC。 這里 系統(tǒng)時鐘 頻率取 50MHZ，掃描時鐘 頻率取 100KHZ，消抖 時鐘 頻率取 200KHZ。行列式矩陣鍵盤原理：按鍵設(shè)置在行列線的交叉點，行列 線 分別連接到按鍵的兩端。其方法是依次給行線送低電平，檢查列線的輸入。行掃描信號為 KEY_DRV[3..0]，列輸入信號為 KEY_IN[3..0]，與按鍵的對應(yīng)關(guān)系如表 所示。 完成程序設(shè)計， 生成相應(yīng)的電路符號，如圖 所示： 微波爐控制器設(shè)計 15 S C A N _ C L K K E Y _ D R V [3 ..0 ]k e y _ s c a nins t5 圖 鍵盤掃描電路符號 按鍵消抖電路 當(dāng)一個按鍵按下和釋放時，對應(yīng)信號線電平的變化有一個不穩(wěn)定期，即所謂 “抖動 ”，這是因為多數(shù)開關(guān)的閉合和斷開都有一個過程，并不是即刻實現(xiàn)的。 如果當(dāng)在一段時間內(nèi)都連續(xù)多次讀到同一個非空（即有鍵按下）的掃描碼，可以認(rèn)為這時按鍵已處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時得到的掃描碼就代表了一個鍵盤動作，抖動的影響已經(jīng)被 剔除。如果計數(shù)器的值達到某預(yù)定值 N 時，則表示連續(xù) N 次讀到同一掃描碼，于是可認(rèn)為已經(jīng)讀到了有效的按鍵。在實際中 ， 因為一般人的按鍵速度至多是 10 次 /秒，亦即一次按鍵時間是 100ms，所以按下的時間可估算為 50ms。 綜合上述分析，該鍵盤掃描子模塊關(guān)鍵代碼如下： COUNTER： BLOCK IS BEGIN PROCESS(CLK)IS BEGIN IF(CLK39。139。 END IF。 去抖時鐘信號 C_KEYBOARD=Q(9 DOWN TO 8)。 KEY_SCAN=1110 WHEN C_KEYBOARD=0 ELSE 1101 WHEN C_KEYBOARD=1 ELSE 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 1011 WHEN C_KEYBOARD=2 ELSE 0111 WHEN C_KEYBOARD=3 ELSE 1111。 生成相應(yīng)的電路符號，如圖 所示： D EB _C LKKE Y _I N [3. .0]KE Y _O U T [3. .0]debo unc ingins t4 圖 按鍵消抖電路符號 . 鍵盤譯碼 通過一個譯碼程序，將鍵盤掃描后的值根據(jù)需要設(shè)定成相應(yīng)的按鍵。 KEY_IN。EVENT AND SC_CLK=39。 THEN CASE Z IS 數(shù)字按鍵譯碼電路 WHEN 11101110= K_VALUE=0。 WHEN 11101011= K_VALUE=2。 WHEN 11011110= K_VALUE=4。 WHEN 11011011= K_VALUE=6。 WHEN 10111110= K_VALUE=8。 WHEN 10111011= K_VALUE=10。 微波爐控制器設(shè)計 17