洗衣机发展研究及控制电路设计

夏路华

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.160

摘 要：该文通过介绍洗衣机的背景、国内外发展状况及洗衣机分类，了解洗衣机控制电路的工作原理和特点，介绍Verilog语法要素，2Verilog HDL的设计流程，确定以波轮式洗衣机的工作方式利用Verilog HDL完成洗衣机控制电路设计，实现了控制电路的基本控制功能。洗衣机电路设计借助了Verilog HDL的便捷性和灵活性，可调整程度大等优势，降低了设计开发费用低和风险。

关键词：洗衣机控制电路 Verilog HDL

中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（b）-0160-03

1910年，美国人费希尔在芝加哥试制成功世界上第一台电动洗衣机的问世，标志着人类洗衣能够自动化的开始。伴随着工业化进程的脚步以及电子技术领域的发展其作用和功能也在不断地发展。如今很多的洗衣机已经不止是简单的具有洗衣这项单一的功能，而是趋向更加多用途和智能的方向发展，这种多功能化已经是许多家用电器用品的共同特点。

将数字硬件系统在计算机上实现设计，和传统的电路设计方法相比较，这样就可以大大降低了电路设计的复杂性和工作了，同时提高效率。除此之外，在新的技术和工艺应用下也使产品的体积大大缩小，而且非常有效地降低了系统的功耗。

1 国内外发展状况

随着时代的进步，洗衣机从最初的简单功能已经发展到了丰富多样性。如今的洗衣机已经达到单双缸、全自动和更高端的水平。随着技术潮流的到来以及国内的技术水平的提升，中国的洗衣机已经能够在市场中有立足之地，技术水平不断提升，质量和标准也在提高。

从洗衣机在国内的发展现状来说，许多品牌的洗衣机已经脱离了对国外技术的依赖，能够在掌握核心科技占领主动位置。近年来，我国对洗衣机的进口比重在不断下降，国产洗衣机的比重在逐渐上升。除此之外，随着人们生活水平的提升，高端产品在市场山也越来越受欢迎，涌现了一批倍受青睐的品牌，例如小天鹅、海尔、美的等知名品牌。

在国际上，洗衣机发展已经较为长久，尤其是在日本、美国等国家，洗衣机有良好的经验基础和技术实力。滚筒洗衣机已经诞生了80多年，在几十年的发展过程中，除了在技术水平和电子化程度在提升外，一直保持着相对稳定的结构。在许多经济较为发达的国家，高端的滚筒洗衣机已经十分普及。美国原本以搅拌式洗衣机为主，近年来滚筒洗衣机已经成为市场的主流。由日本发展而来的波轮洗衣机也在不停的更新，在节能和新材料使用等方面不断改善，自动化程度也在提高。国外的洗衣机以惠而浦、西门子、松下等品牌在国际上占有较高地位。

2 洗衣机的分类

一般来说，洗衣机共有三种类型：波轮洗衣机、滚筒洗衣机以及搅拌洗衣机，但目前国内卖场上以波轮机和滚筒机为主，搅拌机很少出现。

（1）波轮洗衣机：20世纪中期出现在日本的波轮洗衣机。这种洗衣机目前是我国主流的洗衣机，是我们日常生活中占有比例最高的的洗衣机。波轮洗衣机单缸、双缸和全自动波轮洗衣机等。洗衣机的桶内底部有一个转动波轮，通过波轮的转动带动衣物在水中旋转，使衣物与水和桶壁产生摩擦从而达到清洗衣物的目的。

优缺点：洗衣速度快、价格较低、方便使用和维修；对衣物磨损较大，衣物容易缠绕打结、清洗不够干净。

（2）滚筒洗衣机：发源于欧洲，在经济发达的国家和地区普遍使用。滚筒洗衣机通过是模仿人使用棒锤击打衣物的动作设计，利用电机的转动带动滚筒翻转，使衣物在滚筒中不断地上升落下，做重复运动，类似于捶打衣物的动作，加上洗涤剂和水的共同作用下使衣物达到清洗干净的效果。

优缺点：清洗度高、用水量小、衣物磨损较小，适合清洗高档衣物；价格较高、技术含量高不便于维修。

（3）搅拌洗衣机：搅拌式洗衣机比波轮式洗衣机更早出现。全自动搅拌式洗衣机发源于美国，主要在美国使用较多，国内很少出现这种洗衣机，因此这种洗衣机不是设计和研究的主流。

3 基于Verilog HDL洗衣机控制电路设计

从计算机技术发展以来，许多应用得以在计算机平台上实现，EDA就是借助计算机发展而来的技术。在现如今计算机技术的推动下，电子技术从各个方面得到了飞速的发展，借助计算机现代化的电子产品已经渗透在社会的各种领域，大大提高信息化和专业化水平，电子产品的设计生产和更新换代在EDA技术的支持下越来越快。同时进一步完善的新一代产品性能，所以现如今产品更跟新速度非常快。

Verilog 硬件描述语言通常被人们简称为Verilog HDL，它可以用文本的形式来描述数字电路系统的结构行为的语言。通过计算机和工具可以利用它可以描述逻辑电路图和逻辑表达式功能，还可以用它来描述数字逻辑系统所完成的整体逻辑功能并验证。Verilog HDL在计算机平台的基础上于20世纪80年代被开发出来的，与VHDL一起成为两种在世界上最流行的硬件描述语言，前者是由Gateway Design Automation公司研究开发。两种HDL均采用IEEE标准。

在Verilog语言被开发之前，C语言已经开发出来了，并且在很多方面得到了广泛应用，因此Verilog语言的开发有从C语言基础上作为参考许多语句与C语言有相似之处。Verilog硬件描述语言，其可以运用于数字系统建模，它的模型的抽象层次能够从算法级、门级直到开关级。用于建模的数字系统，它的模型的抽象层次不仅可以简单的只有一个门，甚至还可以拥有一整个电子数字系統。使用Verilog语言可以将数字系统分层次的描述，并且可以建立比较清晰的时序建模在这个描述中。

Verilog HDL 硬件描述语言具如下的特点

（1）能形式化地抽象表示电路的行为和结构，

（2）支持逻辑设计中层次与范围的描述。

（3）可借助高级语言的结构来简化电路行为的描述。

（4）支持电路描述由高层到低层的综合转换等。

Verilog HDL在数字逻辑设计中的重要性不言而喻，在高层次数字系统设计领域的比重越来越大。

4 Verilog语法要素

（1）Verilog HDL程序是由模块构成的（module和endmodule之间）。模块是可以进行层次嵌套的。在大型的数字电路设计中常常分割成不同的小模块来实现特定的功能，最后通过顶层模块调用子模块来实现整体功能（模块化设计的思想top-down）。

（2）每个模块要进行端口定义，并说明输入输出口，然后对模块的功能进行行为逻辑描述（分为方向和类型）。

（3）Verilog HDL程序的书写格式自由，一行可以写几个语句，一个语句也可以分写多行（分号结尾）。

（4）除了endmodule语句外，每条赋值语句和数据定义的最后必须有分号。

（5）可以用/*.......*/和//....对Verilog HDL程序的任何部分作注释。一个好的有使用价值的源程序都应当加上必要的注释，以增强程序的可读性和可维护性（行注释和块注释）。

5 Verilog模块结构

一个模块是由两部分组成的：

（1）描述接口（包括端口的定义、方向的说明、类型的说明）；

（2）描述逻辑功能，即定义输入是如何影响输出的；

6 Verilog数据类型及逻辑值

（1）最基本的数据类型：integer、parameter、reg和wire型；

（2）四值逻辑：分别为0、1、x和z；

（3）0表示：低、逻辑低、地、VSS、伪、负插入；

（4）1表示：真、高、逻辑高、电源、VDD、正插入；

（5）x表现：不确定：逻辑冲突无法确定其逻辑值；

（6）z表示：高阻抗、三态、无驱动源。

7 2Verilog HDL的设计流程

自顶向下（Top-down）的设计流程

第一步：系统顶层是一个包含输入和输出的顶层模块，并用系统级行为描述加以表达，同时完成整个系统的模拟与性能分析。

第二步：整个系统是由各个功能模块进一步组成，每个模块都是有更加细化和具体的行为描述加以表达。

第三步：利用EDA综合开发工具完成工艺库的映射。

自顶向下的设计方法如图1所示。

4 结语

通过相应的Verilog HDL开发工具实现电路设计，最后完成仿真测试，验证最后设计结果是否符合要求以及实现的功能。洗衣机电路设计借助了Verilog HDL的便捷性和灵活性，可调整程度大等优势，降低了设计开发费用低和风险。通过了解洗衣机的发展背景与研究，确定设计的功能和方案，辅助设计流程。

参考文献

[1] 乔庐峰.Verilog HDL数字系统设计与验证[M]：北京：电子工业出版社，2009.

[2] 吴戈.Verilog HDL与数字系统设计简明教程[M]：北京：人民邮电出版社，2009.

[3] 司孝平，趙严峰.基于FPGA的洗衣机控制器设计与实验教学[J].天中学刊，2006，21（2）：103-105.