文章目錄

• • 一、設計要求
  • • 1.整體控制系統(tǒng)設計要求
    • 2.頻率計檢測設計要求
  • 二、設計思路
  • • 1.確定VHDL描述與原理圖相結(jié)合完成設計
    • 2.確定狀態(tài)情況
    • 3.數(shù)碼管顯示功能
  • 三、設計內(nèi)容
  • • 1. 頻率檢測部分VHDL描述
    • 2. 七段數(shù)碼管顯示部分VHDL描述
    • 3. 系統(tǒng)主控制部分VHDL描述
    • 4.將三個部分的VHDL描述分別都封裝成元件
    • 5.連接三個部分封裝成的元件
  • 四、結(jié)果分析與驗證
  • • 1.狀態(tài)機驗證
    • 2.頻率檢測仿真波形圖驗證
    • 3.主控仿真波形圖驗證
    • 4. 引腳配置
  • 五、思考與總結(jié)

一、設計要求

1.整體控制系統(tǒng)設計要求

①頻率計被輸送到檢測傳動帶入口，光電傳感器（Sensor_1）檢測到頻率計后啟動傳送帶。光電傳感器采集的是光的反射信號，當檢測到有被測物體時輸出1，否則輸出0；
②傳送帶將頻率計傳送到檢測口，并觸發(fā)位置開關（Sensor_2），此時，傳動帶停止，并啟動頻率測量儀的移動電機。注：位置開關初始狀態(tài)為0，被觸發(fā)后變?yōu)?；
③移動電機將頻率測量儀接入到頻率計信號輸入端口，信號接通后給控制器反饋一個信號1，否則0；
④接通延遲3s后，頻率測量儀給頻率計輸入一個1024Hz的標準頻率，當頻率計檢測到的脈沖信號在1014～1034Hz時，表示該頻率計是合格的，否則不合格。檢測合格輸出字符“A”，不合格輸出“F”。
⑤檢測完成后，移動電機反轉(zhuǎn)回到初始位置，并觸發(fā)位置開關（Sensor_3）后停止；
⑥再次啟動傳送帶，將檢測合格的頻率計移動到包裝工位，并統(tǒng)計和顯示合格產(chǎn)品的數(shù)量；2s后傳送帶停，回到初始狀態(tài)。

2.頻率計檢測設計要求

頻率計是用來測量給定信號頻率的儀器。其基本原理是在給定的標準時間內(nèi)（通常是1s），通過計數(shù)器檢測輸入信號的脈沖個數(shù)。如圖2所示，Clkin是待測信號，Clk是頻率計工作時鐘，Conl是頻率計產(chǎn)生的測控信號，測控信號通常設置為2s的周期，占空比為50%。測量的原理：統(tǒng)計在Conl為高電平時Clkin有多少個周期的脈沖信號。

二、設計思路

1.確定VHDL描述與原理圖相結(jié)合完成設計

根據(jù)該檢測控制系統(tǒng)的設計要求可知，該系統(tǒng)可以由三個子部分組成，即頻率檢測部分、系統(tǒng)主控制部分和七段數(shù)碼管顯示部分。因此，可以分別將三個部分用VHDL描述，進而將三個部分分別封裝成元件，以供最后原理圖調(diào)用連接完成設計。

2.確定狀態(tài)情況

根據(jù)整體控制系統(tǒng)設計要求可知，該系統(tǒng)的狀態(tài)可以分為五個，即如下圖所示的狀態(tài)機圖。

S0：初始狀態(tài)（Sensor_1檢測到產(chǎn)品進入而進入下一狀態(tài)）
S1：產(chǎn)品進入傳送帶傳輸（Sensor_2檢測到產(chǎn)品到達而進入下一狀態(tài)）
S2：移動電機向下移動，頻率測量儀接入產(chǎn)品（延遲3s進入下一狀態(tài)）
S3：進行檢測，移動電機向上移動（Sensor_3檢測到電機到達而進入下一狀態(tài)）
S4：再次啟動傳送帶，更新數(shù)據(jù)（2s后回到初始狀態(tài)）

3.數(shù)碼管顯示功能

考慮到該系統(tǒng)需要用七段數(shù)碼管顯示產(chǎn)品是否合格以及合格產(chǎn)品的數(shù)量，因此需要相應的數(shù)碼管顯示功能，而此前的實驗中有實現(xiàn)此功能的模塊，可以將其封裝成這里可以調(diào)用的元件。

三、設計內(nèi)容

1. 頻率檢測部分VHDL描述

1.1導入相關的包

1.2定義相關輸入輸出

①rst為頻率檢測功能的使能信號，其值由主控制部分傳遞過來
②conl為頻率計產(chǎn)生的測控信號，一般設置為0.5Hz
③clkin為待測信號
④count為在conl為高電平時clkin的脈沖信號數(shù)量
⑤quality為檢測結(jié)果，其值輸出返回給主控制部分
1.3檢測脈沖數(shù)量進程

①在conl為高電平時候，只要clkin到達一個上升沿時就計數(shù)一次
1.4檢測結(jié)果返回進程

①只要在一個conl為高電平時clkin的脈沖信號數(shù)量為1014-1034就返回1。

2. 七段數(shù)碼管顯示部分VHDL描述

2.1導入相關的包（同上）
2.2將四位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為七段數(shù)碼管顯示信號

①d由最高位到最低位分別對應一個七段數(shù)碼管的a到g
②這里只設計了0-9的顯示，超過9的情況只需要稍作改進即可

3. 系統(tǒng)主控制部分VHDL描述

3.1導入相關的包（同上）
3.2定義相關輸入輸出

①rst_c為清零復位信號，clk為工作信號
②count_in為頻率檢測部分傳來的檢測結(jié)果
③Sensor_1、Sensor_2、Sensor_3_down、Sensor_3_rise為模擬傳感器信號
④count_out為統(tǒng)計的合格產(chǎn)品數(shù)量
⑤quality_out為表示產(chǎn)品是否合格
⑥testing為傳遞給頻率檢測部分的使能信號
⑦show_trf為傳送帶狀態(tài)，show_down為電機是否下降，show_up為是否上升
3.3定義狀態(tài)機情況以及中間信號

①該控制系統(tǒng)存在5個狀態(tài)
②delay_3、delay_2分別為下面需要用的實現(xiàn)延遲功能的中間信號
③adder為統(tǒng)計合格產(chǎn)品數(shù)量的中間信號
3.4狀態(tài)機情況

①初始為S0狀態(tài)，當Sensor_1檢測到產(chǎn)品進入傳送帶時候進入下一狀態(tài)S0
②S1狀態(tài)傳送帶動（show_trf輸出高電平），當Sensor_2檢測到產(chǎn)品到達時進入下一狀態(tài)S2
③S2狀態(tài)電機下移（），當Sensor_3_down檢測到電機到達時延遲三秒后進入下一狀態(tài)S3
④S3狀態(tài)主控制部分給頻率檢測部分使能信號（testing輸出高電平），并且電機上移（show_up輸出高電平），當Sensor_3_rise檢測到電機到達時進入下一狀態(tài)S4
⑤S4狀態(tài)傳送帶動（show_trf輸出高電平）延遲兩秒后回到初始狀態(tài)
3.5統(tǒng)計合格產(chǎn)品與顯示檢測產(chǎn)品情況

①如果頻率檢測部分返回高電平則合格產(chǎn)品數(shù)量加一并且顯示“A”，否則顯示“F”

4.將三個部分的VHDL描述分別都封裝成元件

5.連接三個部分封裝成的元件

①quality與count_in連接

四、結(jié)果分析與驗證

1.狀態(tài)機驗證

由上面調(diào)出的狀態(tài)機圖與前面設計的狀態(tài)機相同，并且轉(zhuǎn)換情況符合。

2.頻率檢測仿真波形圖驗證

3.主控仿真波形圖驗證

3.1固定輸入設計

①clk是頻率為1Hz的方波信號
②clkin是頻率為1024Hz的方波信號
③conl是頻率為0.5Hz的方波信號
3.2檢測一次的情況

如圖對仿真波形圖做了相關說明，從中可以驗證得該系統(tǒng)的相關設計要求已經(jīng)基本實現(xiàn)。
3.3在上一次的基礎上再檢測一次的情況

3.4清零復位

4. 引腳配置

基于實驗板的硬件條件，合理規(guī)劃硬件顯示情況，對頻率檢測程序/主程序進行硬件驗證。如下圖為相關引腳配置。

①clk、clkin、conl分別加以1Hz、1024Hz、0.5Hz
②count和quality通過七段式數(shù)碼管輸出
③rst_c、Sensor_1、Sensor_2、Sensor_3_down、Sensor_3_rise分別接入推拉式開關
④trf、down、up分別接以發(fā)光二極管指示燈輸出

五、思考與總結(jié)

1.用原理圖設計較VHDL更為直觀明了，可以通過電路圖清楚其邏輯關系和實現(xiàn)的功能關系。而用VHDL語言設計則較為簡便，只需清楚各個接口之間的關系和調(diào)用的原則。因此選用VHDL描述結(jié)合原理圖的方式來設計實現(xiàn)較為合理。
2. VHDL描述的模塊化，將實現(xiàn)不同功能的VHDL描述分開在不同的進程里面，實現(xiàn)VHDL的“高內(nèi)聚低耦合”。
3. 狀態(tài)機由狀態(tài)寄存器和組合邏輯電路構(gòu)成，能夠根據(jù)控制信號按照預先設定的狀態(tài)進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，是協(xié)調(diào)相關信號動作、完成特定操作的控制中心。交通信號燈可以用狀態(tài)機的原理來實現(xiàn)，因為信號燈的變化狀態(tài)是有限的，各個狀態(tài)可以列舉出來，狀態(tài)間切換由計數(shù)器決定。

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特別說明：以上均為個人原創(chuàng)，需要原代碼的朋友可以聯(lián)系我。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的FPGA（8）--频率计检测控制系统的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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