基于 FPGA 的微波炉控制器设计

基于 FPGA 的微波炉控制器设计

在嵌入式系统领域，微波炉的控制逻辑往往被忽视，但其背后的数字电路设计却颇具代表性。利用 FPGA（现场可编程门阵列）实现此类控制，相比传统 ASIC 方案具有开发周期短、灵活性高的优势，特别适合功能迭代频繁或中小规模量产的场景。

核心功能模块设计

1. 时间设置逻辑

微波炉的基础操作包括时间设定与调整。通过按键输入，FPGA 内部需要维护一个计数器来存储剩余时间。以下 Verilog 代码展示了基本的加减逻辑：

module time_set (
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire [3:0] key,
    output reg [15:0] time
);
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst)
            time <= 16'd0;
        else
            case (key)
                4'b0001: time <= time + 16'd1;   // 加 1 秒
                4'b0010: time <= time - 16'd1;   // 减 1 秒
                4'b0100: time <= time + 16'd10;  // 加 10 秒
                4'b1000: time <= time - 16'd10;  // 减 10 秒
                default: time <= time;
            endcase
    end
endmodule

这里的关键在于按键消抖和边界检查，实际工程中需确保时间值不会溢出或变为负数。

2. 功率调节（PWM）

火力大小通常通过微波发生器的占空比来控制。采用 PWM 技术可以在固定频率下改变高电平持续时间，从而模拟不同的功率输出。

module pwm_control (
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire [7:0] duty_cycle,
    output reg pwm_out
);
    reg [15:0] counter;
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst)
            {counter, pwm_out} <= {16'd0, 1'b0};
        else begin
            if (counter < {8'd0, duty_cycle})
                pwm_out <= 1'b1;
            else
                pwm_out <= 1'b0;
            
            if (counter == 16'd65535)
                counter <= 16'd0;
            else
                counter <= counter + 16'd1;
        end
    end
endmodule

该模块通过比较计数器和占空比值来决定输出电平，实现了功率的线性调节。

3. 状态机控制

为了协调加热、暂停和待机状态，有限状态机（FSM）是必要的。它根据用户指令和系统信号切换模式。

module microwave_fsm (
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire start_stop,
    input wire time_up,
    output reg state
);
    parameter IDLE = 1'b0;
    parameter HEATING = 1'b1;
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst)
            state <= IDLE;
        else
            case (state)
                IDLE:
                    if (start_stop) state <= HEATING;
                HEATING:
                    if (start_stop || time_up) state <= IDLE;
                default:
                    state <= IDLE;
            endcase
    end
endmodule

状态机确保了系统在不同工况下的行为一致性，避免误触发。