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為提高家用雙缸洗衣機控制系統(tǒng)的性能，改善定時精確度和洗滌效果，基于可編程性強的FPGA設(shè)計了一種用于洗衣機的控制系統(tǒng)，并進行了時序仿真。通過實驗時設(shè)計方案進行了完善，得到了可進行數(shù)字化控制和顯示的洗衣機控制系統(tǒng)，有效地提高了洗衣機性能。 1 系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計 傳統(tǒng)雙缸洗衣機洗滌模式分為強洗、輕柔、標(biāo)準(zhǔn)3種。根據(jù)傳統(tǒng)洗衣機的洗滌模式，文中分別設(shè)計了3種洗滌模式的控制邏輯。強洗時：洗滌電機以1 200 r／min的轉(zhuǎn)速正向連續(xù)工作5 s，之后暫停工作2 s；然后電機以相同的轉(zhuǎn)速反向連續(xù)工作5 s，后暫停2 s，如此循環(huán)控制電機，直到洗滌定時結(jié)束。標(biāo)準(zhǔn)和輕柔洗時：其邏輯控制過程和強洗相同，不同的是電機分別以1 000r／min和800r／min的轉(zhuǎn)速連續(xù)工作。洗滌時間通過控制面板的時間增減按鍵設(shè)置。控制系統(tǒng)的默認值為標(biāo)準(zhǔn)模式洗滌，洗滌時間為10 min。可通過模式選擇按鍵和洗滌時間設(shè)置按鍵選擇自己想要的洗滌模式和時間，當(dāng)一次洗滌結(jié)束，系統(tǒng)自動返回默認狀態(tài)。洗滌過程由啟／停鍵控制。洗滌的定時誤差小于0．2s。 2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)主要由FPGA主控芯片、模式選擇控制、中斷控制、排水電磁閥控制、定時器輸入控制、聲光報警電路、洗滌電機和整個系統(tǒng)的供電電路組成。如圖1所示。 2．1 FPGA芯片選擇 在FPGA的應(yīng)用過程中，首先就是要對FPGA芯片進行選型，根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的FPGA芯片對于下一步的開發(fā)以及功能實現(xiàn)有著重要的意義。我們根據(jù)前面平臺的總體設(shè)計，可以得出對芯片的基本要求如下：1)成本低；2)需要最少4路PWM波形輸出：3)需要較高的12 V轉(zhuǎn)化為3．3 V的實時芯片；4)要有較高的處理速度；5)I／O接口要多。 綜合考慮以上條件，采用Altera公司生產(chǎn)的CycloneII系列FPGA中的EP2C35F672C6型號基本滿足要求。它具有出色的運算速度、低成本且?guī)в?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/DSP" target="_blank" class="relatedlink">DSP模塊、超大的內(nèi)部存儲器、多通道PWM的輸出、靈活的設(shè)計和多種語言的綜合運用。其優(yōu)勢突出，性價比較高。 2．2 配置電路 FPGA芯片正常工作需要完整的配置電路，下面從硬件的選型和設(shè)計上對配置電路做一下要點分析。 1)電源電路的設(shè)計 電源系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供能量，是系統(tǒng)正常工作的保障，具有極其重要的地位。一個好的電源往往能使系統(tǒng)的故障減少一半以上。因為市電為220 V交流電，所以在給控制系統(tǒng)供電之前需要一個變壓器將電壓降為5 V，F(xiàn)PGA的I／O端口供電點壓是3．3 V，內(nèi)核供電電壓是1．2 V，需再由TPS37HD301將5 V轉(zhuǎn)化為3．3 V和1．2 V。FPGA的端口電壓是3．3 V，為將I／O電壓升壓到5 V，在這里使用74HCT245升壓芯片。 2)時鐘和復(fù)位電路的設(shè)計 時鐘電路中用ZPB-26-16M作為有源晶振。它的頻率為16M，這使得串口波特率更加精確，同時可以支持芯片內(nèi)部的PPL功能及ISP下載功能，使系統(tǒng)運行速度更快，更方便程序調(diào)試下載。復(fù)位電路采取硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。 3)調(diào)試JTAG和下載電路FPGA 內(nèi)部可以直接搭建軟核。ISP和JTAG，所以在硬件電路接一個IDC-10的JTAG接口即可滿足要求。 4)配置存儲電路 選EPCS16作為FPGA的ROM，可以由下載電纜或其他設(shè)備進行重復(fù)編程，也可以通過AS接口進行在線系統(tǒng)編程。用FPGA芯片內(nèi)部自帶的4M的On-Chip memory作為FPGA的RAM。 5)聲光報警電路 聲光電路主要由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成，直接接入FPGA，來提醒洗衣機的工作狀態(tài)。 6)時間輸入和顯示電路 利用4個按鍵輸入洗滌時間，兩個數(shù)碼管顯示設(shè)定時間。有關(guān)設(shè)定洗滌時間是由FPGA內(nèi)部的定時器計時的，計時完成洗滌結(jié)束。 7)模式選擇和中斷控制 模式選擇主要通過3個按鍵輸入洗滌的模式(強洗、標(biāo)準(zhǔn)、輕柔)。為了讓洗衣機在工作的時候能夠隨時停止工作，在控制電路中加一個中斷控制按鍵。 8)排水控制電路 當(dāng)洗衣機工作完成后，通過控制電路中的排水按鍵給FPGA一個信號，由其輸出控制信號，控制電磁閥。 3 主控系統(tǒng)關(guān)鍵程序設(shè)計 將程序設(shè)計分為硬件程序設(shè)計和軟件程序設(shè)計兩部分，硬件程序設(shè)計要對硬件電路進行時序仿真以確定達到涮試的效果。FPGA開發(fā)環(huán)境是由Ouartus II進行硬核平臺的搭建與設(shè)計和Nios II進行軟核編程組成，這里用的是Quartus II9．0和Nios II 9．0軟件。 3．1 模式控制電路設(shè)計 在模式控制電路中，用key1、key2、key3 3個按鈕選擇模式，分別代表強洗、標(biāo)準(zhǔn)、輕柔。在洗滌之前選擇洗滌的模式，在洗滌的過程中由FPGA輸出控制信號，控制洗滌電機的工作。根據(jù)洗滌控制電路性能要求，搭建硬件原理圖，編譯后對key1、key2、key3進行時序仿真，分析時序關(guān)系，估計設(shè)計的性能及檢查和消除競爭冒險。仿真結(jié)果如圖2所示。其中Output輸出的是控制電機轉(zhuǎn)速的PWM波形。 由上圖可以看出，當(dāng)依次按下key1、key2、key3時，output輸出波形的頻率是越來越小，使得電機轉(zhuǎn)速也是越來越小，電機的輸出力矩也會隨之變小。 3．2 電機控制模塊設(shè)計 在電機控制模塊里，通過FPGA輸出驅(qū)動信號，控制洗滌電機的正反向轉(zhuǎn)動，以達到洗滌的目的。根據(jù)原理和性能要求，搭建硬件原理圖，編譯后對洗滌電機控制信號進行時序仿真，來研究其性能是否符合設(shè)計的要求。仿真結(jié)果如圖3所示。 圖中的clr為片選信號，輸出output為電機驅(qū)動信號，fd為電機方向信號，output16是送往SOPC的信號，clr是由SOPC送出的控制信號。由仿真圖看出，當(dāng)片選信號clr為高電平時，開始10個PWM波形的fd信號為高，接下來的后10個PWM波形電機方向信號fd則變?yōu)榈碗娖健＿@個過程說明洗衣機完成了一次順時針洗衣和逆時針洗衣的過程，順時針洗衣服的時間是由lpm_cunstant控制的，在這里用10個波形代替。 3．3 整體流程圖設(shè)計 硬件設(shè)計調(diào)試完成后，還要進行軟件系統(tǒng)設(shè)計。在C語言文件中編寫C程序進行SOPC的編程(簡稱軟核編程)。最后利用NiosII軟件把Quar tus II產(chǎn)生的硬核文件．SOF文件和Nios II軟件產(chǎn)生的．JDI文件下載到存儲器。整體工作流程圖如圖4所示。 洗衣機在通電后先要手動的關(guān)閉排水閥，再進行人工注水，然后設(shè)置洗滌的模式和洗滌的時間。當(dāng)各項設(shè)置完成后按下啟動按鈕，這是洗衣機開始正常的工作，同時定時器開始工作。在工作過程中由循環(huán)程序和FPGA協(xié)同控制洗滌電機的轉(zhuǎn)動，當(dāng)洗滌完成后蜂鳴器報警，洗滌工作結(jié)束。 4 結(jié)束語 本文洗衣機控制系統(tǒng)的組成成本低廉、原理簡單、使用方便、結(jié)構(gòu)緊湊，而且FPGA具有很強的可編程性，在日后的實際使用中可繼續(xù)開發(fā)拓展更多的功能。在設(shè)計和最后的開發(fā)板仿真中，結(jié)果表明該系統(tǒng)實現(xiàn)了控制邏輯功能，具有洗滌、定時、數(shù)碼顯示等功能，可很好的替代傳統(tǒng)的機械式控制系統(tǒng)，在洗衣機的控制方面具有很高的實用價值。 |
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