EDA 课程设计Word下载.docx

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3.1状态控制器KZQ的设计……………………………………………11

3.1.1KZQ的状态转换图………………………………………………11

3.2数据装载器ZZQ的设计…………………………………………11

3.3烹调计时器JSQ的设计……………………………………………12

3.3.1JSQ的内部组成原理图…………………………………………12

3.4显示译码器YMQ47的设计………………………………………13

3.5锁存器的设计…………………………………………………14

第四章微波炉控制器的VHDL源程序………………………14

4.1各模块的VHDL源程序……………………………………………14

4.2总模块的顶层原理图………………………………………………20

第五章系统功能的仿真验证…………………………………21

5.1QuartusⅡ软件操作指南……………………………………………21

5.1.1QuartusⅡ软件应用概述…………………………………………21

5.2各模块的仿真结果及分析……………………………………………22

5.3总体功能的仿真结果分析……………………………………………25

结束语…………………………………………………………………27

参考文献………………………………………………………………28

致谢…………………………………………………………………29

摘要

本文从实际应用角度出发，根据目前信息化的发展及小家电的广泛应用，设计了一种较为普遍实用的定时控制器，其设计方法可广泛应用于家用电器及其他设备定时器的设计。

微波炉是一种用微波加热食品的现代化烹调灶具，在微波炉内部组成中，定时控制器是核心部件。

本设计采用Altera公司生产的FPGA芯片EPIC12Q240C8作为控制核心，构成了一个多功能的微波炉定时控制器。

该定时器主要模块包括状态控制器，数据装载器，计时器，显示译码器，锁存器等模块。

其底层模块是基于VHDL语言的编程的设计，而顶层采用原理图的方式输入。

控制模块可实现开始，定时，复位等功能；

可设置定时时间，采用计数器模块进行时间的递减且通过数码管显示。

系统复位时数码管显示“0000”且有灭灯显示功能，当定时时间到时，内部的控制信号能使锁存器模块启动并将报警信号输出从而实现蜂鸣器报警，用来提示操作人员定时时间已到，关闭系统。

因此，本设计从设计方法和设计对象两个方面来讲都有着很好的实用意义。

关键词：

定时控制器状态控制器计时器微波炉VHDL语言

ABSTRACT

Fromthepointofviewofpracticalapplications，accordingtothecurrentdevelopmentofinformationtechnologyandthewidespreadapplicationofsmallelectricalappliances，wedesignapracticaltimingcontrollerthatcanbewidelyused.Thedesignmethodcanbeusedinthedesignofhouseholdappliancesandtimerofotherdevice.

Microwaveovenisamoderncookingstoveusingmicrowavetoheatfood.TimingControlleristhecorecomponentsoftheinternalcompositioninthemicrowaveoven.ThedesignusesAltera'

sFPGAchipEPIC12Q240C8asacontrolcore,constitutesamulti-functionalmicrowaveoventimercontroller.

Itsmainmodules,includingthestatecontroller,dataloader,timer,displaydecoder,latchmodule.ThebottomofthecontrollermoduleisbasedontheVHDLprogramminglanguagedesign.Thetop-leveluseschematicdiagramoftheway.Controlmodulecanachievestart,resetandotherfunctions,Timecanbesetfromtimetotime,countermoduleusingthereducedtimeandthroughthedigitaldisplaysystemresetthedigitaldisplaywhen"

0000"

andthereareanti-lightdisplay.Whentheregulartimefinish,internallatchenablecontrolsignalmodulestart.Thealarmsignaloutputsandachievebuzzeralarm.Prompttheoperatorfromtimetotimeandthetimehascome.Sothedesignmethodsanddesignfromthedesignintermsofthetwoobjectshaveverygoodpracticalsignificance.

Keywords:

TimingController;

StateController;

Timer;

Microwaveoven;

VHDLLanguage

第一章绪论

1.1现代信息技术及定时器的发展

当前人类社会正在进入信息化时代，以多媒体计算机技术和网络化技术为标志的现代信息技术使人类的信息传播方式发生了一场空前的革命。

现在人类社会面临着由工业社会跃入信息社会，工业时代是要求人才具有解决问题的能力，信息时代则要求人才具有创造能力。

信息技术的诞生，使生产力达到前所未有的高度，从而导致人类社会的新飞跃。

我们深知现代信息化的发展已经对我们的生活产生了重大的影响，不但让我们迅速而准确的获得了信息，而且也极大的提高了我们生活得质量。

尤其当我们把这些知识技能运用于技术的研发中时，我们将会探寻到无限的实用价值。

可见，以计算机为核心的信息技术是社会变革的动因，是人类社会跃进的推动力，是推进人类文明与进步的革命因素。

因此，我们应尽可能的掌握更多更全面的信息技术知识，提高自己。

人类最早使用的定时工具是沙漏或水漏，但在钟表诞生发展成熟之后，人们开始尝试使用这种全新的计时工具来改进定时器，达到准确控制时间的目的。

1876年，英国外科医生索加取得一项定时装置的专利，用来控制煤气街灯的开关。

它利用机械钟带动开关来控制煤气阀们。

起初每周上一次发条，1918年使用电钟计时后，就不用上发条了。

定时器确实是一项了不起的发明，使相当多需要人控制时间的工作变得简单了许多[1]。

人们甚至将定时器用在了军事方面，制成了定时炸弹，定时雷管。

现在的不少家用电器都安装了定时器来控制开关或工作时间。

定时器是一个多任务定时提醒软件,它全面支持WINDOWS9X/ME/NT/2K/XP按时执行程序、播放声音、关机、待机、拨号、断开连接、关闭显示器等等操作，具有多种设定任务的方法，支持SKIN，可以随意更换界面。

微波炉是一种用微波加热食品的现代化烹调灶具[2]。

.微波是指波长为0．01～1米的无线电波，其对应的频率为30000兆赫到300兆赫。

为了不干扰雷达和其他通信系统，微波炉的工作频率多选用915兆赫或2450兆赫。

微波炉由电源，磁控管，控制电路和烹调腔等部分组成。

电源向磁控管提供大约4000伏高压，磁控管在电源激励下，连续产生微波，再经过波导系统，耦合到烹调腔内。

在烹调腔的进口处附近，有一个可旋转的搅拌器，因为搅拌器是风扇状的金属，旋转起来以后对微波具有各个方向的反射，所以能够把微波能量均匀地分布在烹调腔内。

微波炉的功率范围一般为500～1000瓦[3]。

微波来烹饪食物的方法是首先由PercySpencer想到的，PercySpencer过去为Raytheon公司建造雷达设备的磁电管。

一天他在一个启动的雷达设备上工作时，突然发觉自己放在口袋里的巧克力融化了。

经PercySpencer的思索和研究，发现他的巧克力是被微波所溶化，由此启发了人们去研究怎样构造一种器件实现人们所希望的要求。

随着信息技术的发展，人们越来越智能的实现所需的功能，例如基于FPGA的设计就能很好的实现各种功能，为现代小家电的发展做出了贡献，也推动了现代信息产业的进步。

1.2FPGA的综合应用及其发展

1.2.1EDA技术介绍

人类社会已进入到高度发达的信息化社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。

现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越快，实现这种进步的主要因素是生产制造技术和电子设计技术的发展。

前者以微细加工技术为代表，目前已进展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管；

后者的核心就是EDA技术[3]。

EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作：

IC设计，电子电路设计，PCB设计。

没有EDA技术的支持，想要完成上述超大规模集成电路的设计是比较困难的。

反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。

回顾近30年电子设计技术的发展历程，可将EDA技术分为三个阶段。

七十年代为CAD阶段，人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。

八十年代为CAE阶段，与CAD相比，除了纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计，这就是计算机辅助工程的概念。

CAE的主要功能是：

原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。

九十年代为EDA阶段，尽管CAD/CAE技术取得了巨大的成功，但并没有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。

在整个设计过程中，自动化和智能化程度还不高，各种EDA软件界面千差万别，学习使用困难，并且互不兼容，直接影响到设计环节间的衔接。

基于以上不足，人们开始追求：

贯彻整个设计过程的自动化，这就是EDA即电子系统设计自动化。

EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：

设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件[4]。

10年前，电子设计的基本思路还是选择标准集成电路“自底向上”（Bottom–Up）的构造出一个新的系统，这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔，不仅效率低、成本高而且容易出错。

高层次设计给我们提供了一种“自顶向下”（Top–Down）的全新设计方法，这种设计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。

在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证。

然后用综合优化工具生成具体门电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。

由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这一方面有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，同时也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。

进入90年代以来，电子信息类产品的开发明显出现两个特点：

一是产品的复杂程度加深；

二是产品的上市时限紧迫，然而电路级设计本质上是基于门级描述的单层次设计，设计的所有工作（包括设计输入，仿真和分析，设计修改等）都是在基本逻辑门这一层次上进行的，显然这种设计方法不能适应新的形势，为此引入了一种高层次的电子设计方法，也称为系统级的设计方法。

　　高层次设计是一种“概念驱动式”设计[5]，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述，由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性的方案与概念构思上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计[6]。

这样，新的概念得以迅速有效的成为产品，大大缩短了产品的研制周期。

不仅如此，高层次设计只是定义系统的行为特性，可以不涉及实现工艺，在厂家综合库的支持下，利用综合优化工具可以将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网表，工艺转化变得轻松容易。

高层次设计步骤如下：

第一步：

按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。

第二步：

输入VHDL代码，这是高层次设计中最为普遍的输入方式。

此外，还可以采用图形输入方式（框图，状态图等），这种输入方式具有直观、容易理解的优点。

第三步：

将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件[7]。

对于大型设计，还要进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。

第四步：

利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件，这是将高层次描述转化硬件电路的关键步骤。

综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。

综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，是较为粗略的，一般设计，这一仿真步骤也可略去。

第五步：

利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。

适配完成后，产生多项设计结果：

①适配报告，包括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情况等；

②适配后的仿真模型；

③器件编程文件。

根据适配后的仿真模型，可以进行适配后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性（如时延特性），所以仿真结果能比较精确的预期未来芯片的实际性能。

如果仿真结果达不到设计要求，就需要修改VHDL源代码或选择不同速度品质的器件，直至满足设计要求。

第六步：

将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。

如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易转由ASIC形式实现。

1.2.2可编程逻辑器件概述

现代电子产品的复杂度日益加深，一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题，解决这一问题的有效方法就是采用ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuits）芯片进行设计。

ASIC按照设计方法的不同可分为：

全定制ASIC，半定制ASIC，可编程ASIC（也称为可编程逻A辑器件）。

设计全定制SIC芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则，最后将设计结果交由IC厂家掩膜制造完成。

优点是：

芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低。

缺点是：

开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。

半定制ASIC芯片的版图设计方法有所不同，分为门阵列设计法和标准单元设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。

　可编程逻辑芯片[8]与上述掩膜ASIC的不同之处在于：

设计人员完成版图设计后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片，无须IC厂家的参与，大大缩短了开发周期。

可编程逻辑器件自七十年代以来，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个发展阶段，其中CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达200万门/片，它将掩膜ASIC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易的转由掩膜ASIC实现，因此开发风险也大为降低。

CPLD/FPGA器件，已成为现代高层次电子设计方法的实现载体。

FPGA是20世纪80年代中期出现的高密度可编程器件，短短几十年来，取得了惊人的发展，其单片集成密度从最初的1200门发展到目前的几百万门，而且时钟频率由最初budao10M0HZ发展到目前的300MHZ..它与CPLD的不同之处在于，它的结构类似于掩膜可编程门阵列，由许多独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这些模块连接起来实现不同的设计。

FPGA兼容了MPGA和阵列器CPLD两者的优点，因而具有更高的集成度、更强的逻辑实现功能和更好的设计灵活性，因此FPGA具有更强大的功能和市场应用前景，受到电子设计工程师门的普遍欢迎。

FPGA分类方法：

（1）按逻辑功能块的大小分为细粒度结构和粗粒度结构两类；

（2）按互链结构分为分段互链型和连续互链型两类；

（3）按编程特性分类为一次编程型和可重复编程型两类。

新一代的FPGA集成了中央处理器或数字信号处理器内核，在一片FPGA上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统（SOPC）提供了强大的硬件支持。

以后的FPGA甚至汇集成AD和DA转换模块，又克服普通ASIC设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选。

当今的FPGA有以下结构特点：

▲可编程逻辑块（CLB）。

CLB是FPGA的主要组成部分，它由逻辑函数发生器，触发器，数据选择器等电路组成。

▲可编程互链资源（IR）。

IR可以将FPGA内部的CLB和CLB之间，CLB和IOB之间连接起来，构成各种具有复杂功能的系统，IR主要由许多金属线段构成，这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接。

▲开发过程小及规模越来越大。

FPGA芯片在出厂之前做过百分之百的测试，且设计灵活，发现错误时直接更改设计，减少了投片风险，节省了花费。

▲FPGA一般可以反复的编程和擦除。

在不改变外围电路的情况下，，设计不同片内逻辑就能实现不同的电路功能。

所以，用FPGA试制功能样机，能以最快的速度占领市场。

▲输入输出模块（IOB）。

IOB提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接，主要由输入触发器，输入缓冲器和输出出触发器。

锁存器，输出缓冲器组成。

每个IOB控制一个引脚，它们均被配置为输入，输出和双向I\O功能。

▲FPGA开发工具智能化及保密性好。

开发工具种类繁多、智能化高、功能强大。

应用各种工具可以完成从输入。

综合、实现到配置芯片等一系列功能。

▲新型的FPGA内嵌CPU或DSP内核，支持软硬件协同设计，可以作为片上可编程系统（SOPC）的硬件平台[8]。

1.2.3EDA技术的应用展望

（1）EDA技术将广泛应用于高校电类专业的实践教学和科研工作中[5-6]。

与世界各知名高校相比，我国高等院校在EDA及微电子方面的教学和科研工作有着明显的差距，我们的学生现在做的课程实验普遍陈旧，有的甚至还在做着20年前的完全用分离元件搭制的电路实验，动手能力较差。

从某种意义上来说，EDA教学科研情况如何，代表着一个学校电类专业教学及科研水平的高低，而EDA教学科研工作开展起来后，还会对微电子类、计算机类学科产生积极的影响，从而带动各高校相应学科的同步发展。

另外，对电类专业学生而言，了解EDA的基本概念，具备EDA的基本技能，也是他们将来走上工作岗位必备的素质和最基本的要求。

因而加快我国高等院校ＥＤＡ教学及科研工作的建设是很有必要的。

（2）EDA技术将广泛应用于专用集成电路和新产品的开发研制中。

由于可编程逻辑器件性能价格比的不断提高，开发软件功能的不断完善，而且由于用EDA技术设计电子系统具有用软件的方式设计硬件，设计过程中可用有关软件进行各种仿真，系统可现场编程、在线升级，整个系统可集成在一个芯片上等特点，使其将广泛应用于专用集成电路和机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域新产品的开发研制中。

（3）EDA技术将广泛应用于传统机电设备的升级换代和技术改造中。

传统机电设备的电器控制系统，如果利用EDA技术进行重新设计或进行技术改造，不但设计周期短、设计成本低，而且将提高产品或设备的性能，缩小产品体积，提高产品的技术含量，提高产品的附加值。

（4）EDA技术将在国防现代化建设中发挥重要的作用。

EDA技术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展阶段，每年都有新的EDA工具问世[5,6,8]。

我国EDA技术的应用水平长期落后于发达国家，如果说用于民品的核心集成电路芯片还可以从国外买的到的话，那么军用集成电路就必须依靠自己的力量研制开发，因为用钱是买不到国防现代化的，特别是中国作为一支稳定世界的重要力量，更要走自主开发的道路。

海湾战争、北约对南联盟的军事侵略、伊拉克战争，向我们全面揭示了现代战争就是电子技术的对抗，打的是技术和综合国力。

我们必须清醒地看到没有国家的强盛和强大的现代国防，就不能维护国家的主权和尊严，落后就要挨打。

而强大的现代国防必须建立在自主开发的基础上。

因此，广大电子工程技术人员应该尽早掌握这一先进技术，这不仅是提高设计效率和我国电子工业在世界市场上生存、竞争与发展的需要，更是建立强大现代化国防的需要。

路芯片还可以从国外买的到的话，那么军用集成电路就必须依靠自己的力量研制开发，因为用钱是买不到国防现代化的，特别是中国作为一支稳定世界的重要力量，更要走自主开发的道路。

第二章微波炉定时控制器的设计方案分析

2.1系统设计的要求

微波炉是目前家庭生活中使用比较多的一种家用电器，