基于FPGA的洗衣機控制系統(tǒng)的設計與實現

1、基于fpga的洗衣機控制系統(tǒng)的設計與實現來源：無線測溫系統(tǒng) 隨著時代的發(fā)展，洗衣機已成為人們日常生活中的必需品。目前全自動單筒、滾筒洗衣機已日漸盛行，但其結構復雜，日常維修和購買時成本偏高，所以結構簡單、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，雙缸洗衣機的控制電路因為采用了傳統(tǒng)機械式的轉鈕，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)展和成本的進一步降低，可編程門陣列以其具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范嗣寬等特點，在大規(guī)模數據計算、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，實現了洗衣機的正常工作。1 系統(tǒng)控制邏輯設計傳統(tǒng)雙缸洗衣機洗滌模式分為強洗、輕柔、標準3種。根據傳統(tǒng)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 rmin的轉速正向連續(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 000rmin和800rmin的轉速連續(xù)工作。洗滌

3、時間通過控制面板的時間增減按鍵設置。控制系統(tǒng)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(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02s。2 控制系統(tǒng)總體設計系統(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(fā)以及功能實現有著重要的意義。我們根據前面

4、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(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(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，內核供電電壓是12 v，需再由tps37hd301將5 v轉化為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(tǒng)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

6、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(tǒng)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(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

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(tǒng)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(fā)環(huán)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 ii90和nios ii 90軟件。31 模式控制電路設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。圖2 key1、key2、key3時序仿真由上圖可以看出，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。32 電機控制模塊設計在電機控制模塊里，通過fp

9、ga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?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。 33 整體流程圖設計硬件設計調試完成后，還要進行軟件系統(tǒng)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。圖4 整體工作流程圖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(huán)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