郭 忠 ，李 濤 ，李 勇 ，張 勇

（1.泰山醫(yī)學院 山東 泰安 271000；2.空軍工程大學 工程學院，陜西 西安 710038）

隨著時代的發(fā)展，洗衣機已成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵贰Ｄ壳叭詣訂瓮?、滾筒洗衣機已日漸盛行，但其結(jié)構(gòu)復雜，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圍寬等特點，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、標準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1 000 r/min和800 r/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?？刂葡到y(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(shè)置按鍵選擇自己想要的洗滌模式和時間，當一次洗滌結(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0.2 s。

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蠨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[1-2]。

圖1 控制系統(tǒng)總體Fig.1 Control system

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[3-6]。

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。復位電路采取硬件復位和軟件復位。

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(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調(diào)試的效果。FPGA開發(fā)環(huán)境是由Quartus 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 II 9.0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(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。

圖 2 key1、key2、key3 時序仿真Fig.2 key1,key2 and key3 timing simulation

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(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3 電機控制信號時序仿真Fig.3 Timing simulation of the motor control signal

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Quartus 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，當洗滌完成后蜂鳴器報警，洗滌工作結(jié)束。

圖4 整體程序流程圖Fig.4 The overall program flow diagram

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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