用Verilog语言设计医用全自动真空灭菌器的程控器

刘国先 张刚平

电子设计自动化(electronic design automation，EDA)技术是依靠功能强大的电子计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言(hardware description language，HDL)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编辑、化简、分割、综合、优化和仿真，直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA或专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)芯片中，实现既定的电子电路设计功能[1-3]。EDA技术仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台来完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本[4]。

实现全自动灭菌器程控器的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程控制器PLC以及单片机等方案来实现[5-8]。但这些控制方法的功能修改及调试需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难[9]。因此，在设计中采用EDA技术，应用Verilog HDL实现了全自动灭菌器程控器的设计，并利用Altera公司的Quartus II系列软件的集成开发环境进行了综合、仿真，能够达到设计要求，完成系统的控制作用。

1 程控器设计要求

全自动灭菌器程控器的运行过程为：①检测门是否关好以及蒸汽运行压力(pa)是否达到要求，其中任何一个没有准备好则进入等待状态，如果上述两个要求都已满足则按运行开关可进入运行程序；②进入运行程序后，即第一次抽真空，抽到设定负压(pn)后，停止抽空，充入蒸汽达到设定正压(pb)后再抽真空，如此循环到第N次(number为设定次数)真空，再达到设定负压(pn)后充入蒸汽进入灭菌过程；③在灭菌过程中不断检测正压，如果正压低于灭菌设定值(pc)则进汽，高于设定值则停止进汽；④当温度达到灭菌温度T(tem为设定温度)后，开始进行计时，达到设定时间后即结束灭菌过程，进入干燥过程并排汽，⑤当压力回到设定正压pb(1)后开始抽真空，并进行干燥计时，达到设定时间后即程序结束回到初始等待状态。其中在运行过程中门将被锁定不可打开，任何时刻，按停止键即停止运行，回到等待状态。

通过以上分析可知，需要有3个压力设定输入(pa，pb，pc，pn)，及相对应的3个压力感应输入，1个压力开关(pa)输入。1个真空脉动次数输入(number)，1个门位置输入(doorclose)，1个门锁位输出。2个时间设定输入(time1，time2)，2个温度输入(tem，temsens)，1个电机控制输出(motor)，2个电磁阀控制(val1，val2)输出。由于此运行过程具有明显的时序逻辑特点，用状态机的形式可以较方便的实现此控制的运行顺序。根据同步状态机的特点将整个运行过程分为4个阶段：准备，真空，灭菌，干燥。另外根据程序运行结构可知需要设定4个寄存器类型的变量，其中包括两个状态变量state，vac，及时间计数变量timer和真空次数计数变量。按照以上要求，该程序的设计如图1所示：

图1 灭菌器功能流程控制图

图中显示，在每个状态即过程中只要按要求将各参数依程序运行要求正确设置，则条件达到后即可进入下一个状态，如条件未达到，则程序在循环时将继续处于原来的状态。只要将各个阶段即4个状态的程序编写正确，程序大部分已完成。

按以上要求的Verilog语言源程序如下：

此程序的特点是模块化非常明显、结构清晰，是Verilog语言的特点和优势。为了更直观地描述， 将程序在Quartus II软件上编译完成后即进行综合得到门级结构图，并加上输入、输出引脚，构成完整的全自动程控器的RTL级结构图，如图2所示。

2 仿真结果

仿真运行是HDL等硬件描述语言的强大功能之一，虽然与现场环境不可能完全一致，但可以帮助设计者解决逻辑错误，如果在设计时能够将器件时序和时延时间考虑完整，并作好准确的描述，就可以最大程度的模拟真实环境[10-11]，对最后生成的电路改动较少，节约了成本。本设计对整个全自动灭菌器程控器用Altera公司的Quartus II软件编译并进行时序仿真。图3所示的是其仿真波形的一部分。该图表示了不同阶段的不同输出的转换的时序关系。

3 总结

图2 经综合后所得的程控器RTL级电路图

图3 全自动灭菌器控制器时序仿真波形

Verilog HDL具有类似C语言的风格，易于学习和掌握，与传统的原理图输入设计方法相比较Verilog HDL更适用于规模日益增大的数字系统，用Verilog HDL进行大规模数字系统的设计是当前EDA技术发展的趋势，并是一种具有广阔前景的集成电路开发工具[6，10]。

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