基于FPGA的洗衣机控制系统设计

2012-08-27 04:39:56来源: 单片机与嵌入式系统 关键字:FPGA  洗衣机控制
   

摘要:为提高家用双缸洗衣机控制系统的性能,改善定时精确度和洗涤效果,基于可编程性强的FPGA设计了一种用于洗衣机的控制系统,并进行了时序仿真。通过实验时设计方案进行了完善,得到了可进行数字化控制和显示的洗衣机控制系统,有效地提高了洗衣机性能。
关键词:控制理论与控制工程;FPGA;洗衣机控制系统;Quartus II;Nios II

    随着时代的发展,洗衣机已成为人们日常生活中的必需品。目前全自动单筒、滚筒洗衣机已日渐盛行,但其结构复杂,日常维修和购买时成本偏高,所以结构简单、价格实惠的双缸洗衣机依然受到普通大众的欢迎。从市场反馈的情况发现,双缸洗衣机的控制电路因为采用了传统机械式的转钮,所以发生故障的概率很高,且一直以来都未找到合适的问题解决办法。随着芯片制造工艺的发展和成本的进一步降低,可编程门阵列以其具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范嗣宽等特点,在大规模数据计算、嵌入式处理、通信、家用电器智能控制等方面都被广泛使用。为了改善家用双缸洗衣机机械控制系统,本文充分利用FPGA的特点,用其作为洗衣机控制系统的核心,配置电路和控制逻辑的设计是该系统的重要组成部分,该控制系统很好的解决了洗衣机机械式控制的问题,实现了洗衣机的正常工作。

1 系统控制逻辑设计
    传统双缸洗衣机洗涤模式分为强洗、轻柔、标准3种。根据传统洗衣机的洗涤模式,文中分别设计了3种洗涤模式的控制逻辑。强洗时:洗涤电机以1 200 r/min的转速正向连续工作5 s,之后暂停工作2 s;然后电机以相同的转速反向连续工作5 s,后暂停2 s,如此循环控制电机,直到洗涤定时结束。标准和轻柔洗时:其逻辑控制过程和强洗相同,不同的是电机分别以1 000r/min和800r/min的转速连续工作。洗涤时间通过控制面板的时间增减按键设置。控制系统的默认值为标准模式洗涤,洗涤时间为10 min。可通过模式选择按键和洗涤时间设置按键选择自己想要的洗涤模式和时间,当一次洗涤结束,系统自动返回默认状态。洗涤过程由启/停键控制。洗涤的定时误差小于0.2s。

2 控制系统总体设计
    系统主要由FPGA主控芯片、模式选择控制、中断控制、排水电磁阀控制、定时器输入控制、声光报警电路、洗涤电机和整个系统的供电电路组成。如图1所示。

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2.1 FPGA芯片选择
    在FPGA的应用过程中,首先就是要对FPGA芯片进行选型,根据具体应用选择合适的FPGA芯片对于下一步的开发以及功能实现有着重要的意义。我们根据前面平台的总体设计,可以得出对芯片的基本要求如下:1)成本低;2)需要最少4路PWM波形输出:3)需要较高的12 V转化为3.3 V的实时芯片;4)要有较高的处理速度;5)I/O接口要多。
    综合考虑以上条件,采用Altera公司生产的CycloneII系列FPGA中的EP2C35F672C6型号基本满足要求。它具有出色的运算速度、低成本且带有DSP模块、超大的内部存储器、多通道PWM的输出、灵活的设计和多种语言的综合运用。其优势突出,性价比较高。
2.2 配置电路
    FPGA芯片正常工作需要完整的配置电路,下面从硬件的选型和设计上对配置电路做一下要点分析。
    1)电源电路的设计  电源系统为整个系统提供能量,是系统正常工作的保障,具有极其重要的地位。一个好的电源往往能使系统的故障减少一半以上。因为市电为220 V交流电,所以在给控制系统供电之前需要一个变压器将电压降为5 V,FPGA的I/O端口供电点压是3.3 V,内核供电电压是1.2 V,需再由TPS37HD301将5 V转化为3.3 V和1.2 V。FPGA的端口电压是3.3 V,为将I/O电压升压到5 V,在这里使用74HCT245升压芯片。
    2)时钟和复位电路的设计  时钟电路中用ZPB-26-16M作为有源晶振。它的频率为16M,这使得串口波特率更加精确,同时可以支持芯片内部的PPL功能及ISP下载功能,使系统运行速度更快,更方便程序调试下载。复位电路采取硬件复位和软件复位。
    3)调试JTAG和下载电路FPGA  内部可以直接搭建软核。ISP和JTAG,所以在硬件电路接一个IDC-10的JTAG接口即可满足要求。
    4)配置存储电路  选EPCS16作为FPGA的ROM,可以由下载电缆或其他设备进行重复编程,也可以通过AS接口进行在线系统编程。用FPGA芯片内部自带的4M的On-Chip memory作为FPGA的RAM。
    5)声光报警电路  声光电路主要由发光二极管和蜂鸣器组成,直接接入FPGA,来提醒洗衣机的工作状态。
    6)时间输入和显示电路  利用4个按键输入洗涤时间,两个数码管显示设定时间。有关设定洗涤时间是由FPGA内部的定时器计时的,计时完成洗涤结束。
    7)模式选择和中断控制  模式选择主要通过3个按键输入洗涤的模式(强洗、标准、轻柔)。为了让洗衣机在工作的时候能够随时停止工作,在控制电路中加一个中断控制按键。
    8)排水控制电路  当洗衣机工作完成后,通过控制电路中的排水按键给FPGA一个信号,由其输出控制信号,控制电磁阀。

3 主控系统关键程序设计
    将程序设计分为硬件程序设计和软件程序设计两部分,硬件程序设计要对硬件电路进行时序仿真以确定达到涮试的效果。FPGA开发环境是由Ouartus II进行硬核平台的搭建与设计和Nios II进行软核编程组成,这里用的是Quartus II9.0和Nios II 9.0软件。

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关键字:FPGA  洗衣机控制

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2012/0827/article_3127.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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