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為提高家用雙缸洗衣機控制系統的性能，改善定時精確度和洗滌效果，基于可編程性強的FPGA設計了一種用于洗衣機的控制系統，并進行了時序仿真。通過實驗時設計方案進行了完善，得到了可進行數字化控制和顯示的洗衣機控制系統，有效地提高了洗衣機性能。 1 系統控制邏輯設計 傳統雙缸洗衣機洗滌模式分為強洗、輕柔、標準3種。根據傳統洗衣機的洗滌模式，文中分別設計了3種洗滌模式的控制邏輯。強洗時：洗滌電機以1 200 r／min的轉速正向連續工作5 s，之后暫停工作2 s；然后電機以相同的轉速反向連續工作5 s，后暫停2 s，如此循環控制電機，直到洗滌定時結束。標準和輕柔洗時：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的轉速連續工作。洗滌時間通過控制面板的時間增減按鍵設置�？刂葡到y的默認值為標準模式洗滌，洗滌時間為10 min�？赏ㄟ^模式選擇按鍵和洗滌時間設置按鍵選擇自己想要的洗滌模式和時間，當一次洗滌結束，系統自動返回默認狀態。洗滌過程由啟／停鍵控制。洗滌的定時誤差小于0．2s。 2 控制系統總體設計 系統主要由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的供電電路組成。如圖1所示。 2．1 FPGA芯片選擇 在FPGA的應用過程中，首先就是要對FPGA芯片進行選型，根據具體應用選擇合適的FPGA芯片對于下一步的開發以及功能實現有著重要的意義。我們根據前面平臺的總體設計，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、低成本且帶有DSP模塊、超大的內部存儲器、多通道PWM的輸出、靈活的設計和多種語言的綜合運用。其優勢突出，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計上對配置電路做一下要點分析。 1)電源電路的設計 電源系統為整個系統提供能量，是系統正常工作的保障，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，所以在給控制系統供電之前需要一個變壓器將電壓降為5 V，FPGA的I／O端口供電點壓是3．3 V，內核供電電壓是1．2 V，需再由TPS37HD301將5 V轉化為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)時鐘和復位電路的設計 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部的PPL功能及ISP下載功能，使系統運行速度更快，更方便程序調試下載。復位電路采取硬件復位和軟件復位。 3)調試JTAG和下載電路FPGA 內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備進行重復編程，也可以通過AS接口進行在線系統編程。用FPGA芯片內部自帶的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。 6)時間輸入和顯示電路 利用4個按鍵輸入洗滌時間，兩個數碼管顯示設定時間。有關設定洗滌時間是由FPGA內部的定時器計時的，計時完成洗滌結束。 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、標準、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 主控系統關鍵程序設計 將程序設計分為硬件程序設計和軟件程序設計兩部分，硬件程序設計要對硬件電路進行時序仿真以確定達到涮試的效果。FPGA開發環境是由Ouartus II進行硬核平臺的搭建與設計和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、標準、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，分析時序關系，估計設計的性能及檢查和消除競爭冒險。仿真結果如圖2所示。其中Output輸出的是控制電機轉速的PWM波形。 由上圖可以看出，當依次按下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 電機控制模塊設計 在電機控制模塊里，通過FPGA輸出驅動信號，控制洗滌電機的正反向轉動，以達到洗滌的目的。根據原理和性能要求，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計的要求。仿真結果如圖3所示。 圖中的clr為片選信號，輸出output為電機驅動信號，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則變為低電平。這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 整體流程圖設計 硬件設計調試完成后，還要進行軟件系統設計。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產生的硬核文件．SOF文件和Nios II軟件產生的．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閉排水閥，再進行人工注水，然后設置洗滌的模式和洗滌的時間。當各項設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程序和FPGA協同控制洗滌電機的轉動，當洗滌完成后蜂鳴器報警，洗滌工作結束。 4 結束語 本文洗衣機控制系統的組成成本低廉、原理簡單、使用方便、結構緊湊，而且FPGA具有很強的可編程性，在日后的實際使用中可繼續開發拓展更多的功能。在設計和最后的開發板仿真中，結果表明該系統實現了控制邏輯功能，具有洗滌、定時、數碼顯示等功能，可很好的替代傳統的機械式控制系統，在洗衣機的控制方面具有很高的實用價值。 |
