基于FPGA的洗衣機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、基于fpga的洗衣機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)來源：無線測溫系統(tǒng) 隨著時代的發(fā)展，洗衣機已成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?。目前全自動單筒、滾筒洗衣機已日漸盛行，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，日常維修和購買時成本偏高，所以結(jié)構(gòu)簡單、價格實惠的雙缸洗衣機依然受到普通大眾的歡迎。從市場反饋的情況發(fā)現(xiàn)，雙缸洗衣機的控制電路因為采用了傳統(tǒng)機械式的轉(zhuǎn)鈕，所以發(fā)生故障的概率很高，且一直以來都未找到合適的問題解決辦法。隨著芯片制造工藝的發(fā)展和成本的進(jìn)一步降低，可編程門陣列以其具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范嗣寬等特點，在大規(guī)模數(shù)據(jù)計算、嵌入式處理、通信、家用電器智能控制等方面都被廣泛使用。為了改善家用雙缸洗衣機機械控制系

2、統(tǒng)，本文充分利用fpga的特點，用其作為洗衣機控制系統(tǒng)的核心，配置電路和控制邏輯的設(shè)計是該系統(tǒng)的重要組成部分，該控制系統(tǒng)很好的解決了洗衣機機械式控制的問題，實現(xiàn)了洗衣機的正常工作。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 rmin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 000rmin和800rmin的轉(zhuǎn)速連續(xù)工作。洗滌

3、時間通過控制面板的時間增減按鍵設(shè)置?？刂葡到y(tǒng)的默認(rèn)值為標(biāo)準(zhǔn)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(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(rèn)狀態(tài)。洗滌過程由啟停鍵控制。洗滌的定時誤差小于02s。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。圖1 控制系統(tǒng)總體框圖21 fpga芯片選擇在fpga的應(yīng)用過程中，首先就是要對fpga芯片進(jìn)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

4、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33 v的實時芯片；4）要有較高的處理速度；5）io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衐sp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。 22 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

5、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，fpga的io端口供電點壓是33 v，內(nèi)核供電電壓是12 v，需再由tps37hd301將5 v轉(zhuǎn)化為33 v和12 v。fpga的端口電壓是33 v，為將io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

6、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(jìn)行重復(fù)編程，也可以通過as接口進(jìn)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

7、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(jìn)行時序仿真以確定達(dá)到涮試的效果。fpga開發(fā)環(huán)境是由ouartus ii進(jìn)行硬核平臺的搭建與設(shè)計和nios ii進(jìn)行軟核編程組成，這里用的是quartus ii90和nios ii 90軟件。31 模式控制電路設(shè)計在模式控制電路中，用key1、

8、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(jìn)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。圖2 key1、key2、key3時序仿真由上圖可以看出，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。32 電機控制模塊設(shè)計在電機控制模塊里，通過fp

9、ga輸出驅(qū)動信號，控制洗滌電機的正反向轉(zhuǎn)動，以達(dá)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(jìn)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3 電機控制信號時序仿真圖中的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?。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。 33 整體流程圖設(shè)計硬件設(shè)計調(diào)試完成后，還要進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計。在c語言文件中編寫c程序進(jìn)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。圖4 整體工作流程圖洗衣機在通電后先要手動的關(guān)閉排水閥，再進(jìn)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