六步骤流程控制器 VHDL Quartus

名称：六步骤流程控制器 VHDL Quartus

软件：Quartus

语言：VHDL

功能介绍

这是一个基于VHDL和Quartus的多步骤流程控制工程，适合实现具有固定工序、定时执行和重复次数要求的控制任务。系统通过启动按键开始运行，依次执行六个步骤，并在数码管上输出当前单次倒计时，同时提供步骤编号、毫秒级进度和流程结束指示信号。 工程将控制逻辑、数码管译码和LED驱动拆分为独立模块。流程控制器负责状态机、计时和重复执行；seg7_encoder负责倒计时数字到七段显示码的转换；led_driver根据过程进度产生LED显示效果；顶层模块完成各部分连接，测试平台work_controller_tb用于仿真验证。该结构便于学习VHDL时序逻辑、状态机设计、计数器以及多模块层次化集成。

运行环境

开发语言：VHDL 开发软件：Intel Quartus 工程顶层：work_controller_top 输入时钟：10Hz，单拍时间为100ms 主要工程文件：work_controller_top.qsf、process_controller.vhd、seg7_encoder.vhd、led_driver.vhd、work_controller_tb.vhd及顶层VHDL文件。

设计思路

本设计将完整流程划分为空闲、运行和结束三种状态，由process_controller统一管理启动、复位、步骤切换、单次计时和重复次数。start_key通过保存上一拍状态进行上升沿检测，避免按键保持高电平时重复触发；rst_n为低电平同步复位，系统复位后回到IDLE状态并清零步骤、计时和结束指示。 流程共有六个步骤，每个步骤具有独立的单次时长和重复次数：第一步6秒，第二步12秒并重复2次，第三步24秒，第四步8秒并重复3次，第五步10秒，第六步5秒。运行期间以10Hz时钟为基础，每拍累加100ms；当当前单次时长完成时，优先判断是否还有剩余重复次数，若有则清零本次计时并继续当前步骤，否则进入下一步骤。第六步完成后进入DONE状态并点亮结束指示灯，同时保留重新按键启动新流程的能力。 控制模块对外提供当前步骤号、倒计时十位和个位、当前单次已用毫秒以及结束指示信号。elapsed_ms可用于驱动LED动画，倒计时数字交由数码管显示模块处理，使流程控制、显示译码和LED驱动之间保持清晰的功能边界。

模块结构

工程顶层为work_controller_top，主要由以下模块组成： 1. process_controller：核心流程控制模块，管理IDLE、RUNNING、DONE状态，完成启动沿检测、复位、步骤计时、重复次数判断和结束状态控制。 2. seg7_encoder：将控制模块输出的十位和个位数字转换为数码管显示信号。 3. led_driver：依据当前步骤和elapsed_ms等过程信号驱动LED显示，用于呈现流程进度或动画效果。 4. work_controller_tb：测试平台，用于对顶层控制流程及各模块连接进行仿真激励。 5. work_controller_top：工程顶层封装，负责时钟、复位、启动按键、数码管和LED接口之间的连接。

演示视频

配套演示视频展示了工程运行过程，可用于了解流程启动、步骤切换、重复执行、数码管倒计时以及结束指示的整体效果。视频与工程文件配合使用，便于在导入Quartus工程后对照检查各模块信号和显示状态。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

工程配套设计文档包含工程文件说明、程序结构、编译结果、RTL结构图、顶层仿真图以及控制模块、LED驱动模块和数码管显示模块的说明。工程目录同时提供process_controller、led_driver和顶层相关的波形工程文件，可用于在Quartus仿真环境中观察启动沿、步骤切换、重复计时、倒计时输出和结束状态等关键信号。

部分代码

以下展示顶层模块 work_controller_top 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

-- 控制模块：管理工序步骤、重复次数与倒计时（单位：秒），输入时钟为10Hz（100ms一拍）
-- 设计思路：
-- 1）start_key上升沿启动流程；rst_n为低时同步复位；
-- 2）每个步骤有固定“单次时长”（毫秒）与“重复次数”；计满一次则根据重复次数决定是否继续当前步骤或进入下一步骤；
-- 3）对外输出：当前步骤号（1~6）、当前单次倒计时秒数（HEX显示）、当前单次已用毫秒（LED动画用）、结束指示灯。
entity process_controller is
  port (
    clk        : in  std_logic;                   -- 10Hz时钟
    rst_n      : in  std_logic;                   -- 低电平复位
    start_key  : in  std_logic;                   -- 高电平按下，检测上升沿
    step_idx   : out integer range 0 to 9;        -- 当前步骤号（0表示空闲/未启动）
    tens_digit : out integer range 0 to 9;        -- 倒计时十位
    ones_digit : out integer range 0 to 9;        -- 倒计时个位
    elapsed_ms : out integer range 0 to 24000;    -- 当前单次已用毫秒（用于LED动画）
    end_led    : out std_logic                    -- 流程结束指示，高电平亮
  );
end entity;

architecture rtl of process_controller is
  -- 状态定义：空闲、运行、结束
  type state_t is (IDLE, RUNNING, DONE);
  signal state       : state_t := IDLE;
  
  signal time_sec_int   : integer range 0 to 99;       -- 当前单次倒计时（秒）

  -- 步骤与计时寄存器
  signal step        : integer range 0 to 9 := 0;     -- 当前步骤号
  signal rep_left    : integer range 0 to 3 := 0;     -- 当前步骤剩余重复次数
  signal t_ms        : integer range 0 to 24000 := 0; -- 当前单次已用毫秒
  signal prev_start  : std_logic := '0';              -- start_key上一拍，用于沿检测

  -- 各步骤单次时长（毫秒）
  -- 第一步6秒；第二步12秒×2次；第三步24秒；第四步8秒×3次；第五步10秒；第六步5秒
  function step_total_ms_func(s: integer) return integer is
  begin
    case s is
      when 1      => return 6000;
      when 2      => return 12000;
      when 3      => return 24000;
      when 4      => return 8000;
      when 5      => return 10000;
      when 6      => return 5000;
      when others => return 0;
    end case;
  end;

  -- 各步骤重复次数
  function step_repeat_func(s: integer) return integer is
  begin
    case s is
      when 2      => return 2;
      when 4      => return 3;
      when others => return 1;
    end case;
  end;

begin
  -- 主时序过程：按1ms累加，管理步骤与重复次数
  process(clk)
    variable total_ms : integer;
  begin
    if rising_edge(clk) then
      if rst_n = '0' then
        state    <= IDLE;
        step     <= 0;
        rep_left <= 0;
        t_ms     <= 0;
        end_led  <= '0';
        prev_start <= '0';
      else
        prev_start <= start_key;
        -- 空闲态：等待启动
        if state = IDLE then
          end_led <= '0';
          if (start_key = '1' and prev_start = '0') then
            step     <= 1;
            rep_left <= step_repeat_func(1);
            t_ms     <= 0;
            state    <= RUNNING;
          end if;
        -- 运行态：按当前步骤单次时长计时
        elsif state = RUNNING then
          total_ms := step_total_ms_func(step);
          if t_ms < total_ms then
            t_ms <= t_ms + 100; -- 10Hz时钟，100ms累加
          else
            -- 完成一次单次时长
            if rep_left > 1 then
              rep_left <= rep_left - 1;
              t_ms     <= 0;
            else
              if step < 6 then
                step     <= step + 1;
                rep_left <= step_repeat_func(step + 1);
                t_ms     <= 0;
              else
                state   <= DONE;
                end_led <= '1';
              end if;
            end if;
          end if;
        -- 结束态：保持结束指示，支持重新启动
        elsif state = DONE then
				step     <= 0;
			 if (start_key = '1' and prev_start = '0') then
            end_led  <= '0';
            step     <= 1;
            rep_left <= step_repeat_func(1);
            t_ms     <= 0;
            state    <= RUNNING;
          end if;
        end if;
      end if;
    end if;
  end process;

  -- 输出映射
// ... 以下代码略，完整源码请下载压缩包查看

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