基于EDA技術(shù)（FPGA）的自動(dòng)門(mén)控制系統設計

門(mén)和人類(lèi)文明是孿生的，它伴隨著(zhù)人類(lèi)文明的發(fā)展而躍動(dòng)。21世紀的今天，門(mén)更加突出了安全理念，強調了有效性：有效地防范、通行、疏散，同時(shí)還突出了建筑藝術(shù)的理念，強調門(mén)與建筑以及周?chē)h(huán)境整體的協(xié)調、和諧。

門(mén)大規模專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)始于150年前，在不斷發(fā)展和完善的過(guò)程中，涌現出大批獨具規模的專(zhuān)業(yè)制造商。門(mén)的高級形式--自動(dòng)門(mén)起源在歐美，迅速發(fā)展至今天，已經(jīng)形成了種類(lèi)齊全、功能完善、造工精細的自動(dòng)門(mén)家族。

中國早在十多年前就開(kāi)始引用歐洲自動(dòng)門(mén)，并把它應用在酒店、機場(chǎng)、購物中心、銀行、寫(xiě)字樓等大中型公共場(chǎng)所，為這些建筑增添了亮麗、時(shí)尚的姿彩。自動(dòng)門(mén)從理論上理解應該是門(mén)的使用觀(guān)念的延伸，是人們根據需要對門(mén)的功能的提升和完善。所以對自動(dòng)門(mén)的認識應該從人對門(mén)功能的要求開(kāi)始。作為建筑物一部分的門(mén)，從最基本的意義上講，要同時(shí)滿(mǎn)足隔離外部環(huán)境和不妨礙人的通行這兩種要求。因此門(mén)體本身應牢固、密封。

因此，設計一個(gè)操作方便、運行穩定可靠、成本低的自動(dòng)門(mén)的控制系統具有一定的市場(chǎng)。

本文設計的自動(dòng)門(mén)控制系統為了達到上述目的，采用了如下設計方案：采用按鈕、無(wú)線(xiàn)遙控、紅外感應三種驅動(dòng)方式，既可自動(dòng)控制又可人工控制，操作簡(jiǎn)單并且適用范圍廣;采用EDA技術(shù)設計主控制器的狀態(tài)轉換，可軟件診錯;采用自動(dòng)復位以及電機專(zhuān)用控制芯片來(lái)保證系統的可靠運行。由于設計采用了EDA技術(shù)的VHDL設計而非傳統的單片機設計，是一種自上向下的設計方法，使得系統的開(kāi)發(fā)周期短、成本降低。下文將詳細介紹系統各個(gè)部分的設計。

1 系統分析

本系統通過(guò)按鈕、無(wú)線(xiàn)遙控、紅外感應三種驅動(dòng)方式實(shí)現自動(dòng)門(mén)的開(kāi)、關(guān)、停，且按鈕優(yōu)先級別最高。紅外感應開(kāi)關(guān)在有人來(lái)時(shí)自動(dòng)門(mén)開(kāi)。還可以通過(guò)人工控制方式使用按鍵與遙控器來(lái)控制自動(dòng)門(mén)的開(kāi)、關(guān)、停。無(wú)線(xiàn)遙控器可根據實(shí)際情況在市場(chǎng)考查選用。自動(dòng)門(mén)主控制器電路用一片FPGA芯片，根據驅動(dòng)信號以及位置和遇阻外部信號來(lái)完成對門(mén)運行狀態(tài)的轉換控制;自動(dòng)門(mén)的電機控制電路則根據主控制器發(fā)出的正反轉以及?？刂菩盘杹?lái)控制電機的開(kāi)、關(guān)、停以及實(shí)現自動(dòng)門(mén)正反運行的分別調速。

2 電機控制電路設計

為了保證電機的控制簡(jiǎn)便可靠，設計中使用了電機專(zhuān)用控制芯片MC33033如圖1。該芯片可對直流電機速度進(jìn)行開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，亦可分別對電機正反轉進(jìn)行調速。MC33033是第二代無(wú)刷直流電機控制器的典型芯片，該芯片內含轉子位置譯碼器，并可為傳感器工作提供帶有溫度補償的參考基準電壓。MC33033的另一個(gè)特點(diǎn)是內含三個(gè)集電極開(kāi)路的頂部驅動(dòng)器和為MOSFET驅動(dòng)電源而設計的三個(gè)高電流推拉式底部驅動(dòng)器，并具有電機過(guò)流檢測和保護功能。

MC33033應用到自動(dòng)門(mén)的電機控制時(shí)，將邏輯運算電路得出的停止、正轉、反轉作為三個(gè)輸入信號(優(yōu)先級高低順序是停止、正轉、反轉，正常情況下三個(gè)信號中有且僅有一個(gè)有效)。正轉和反轉信號經(jīng)過(guò)邏輯門(mén)接入MC33033的3端，如果該端為高電平時(shí)，MC33033將使AT輸出高電平，同時(shí)CB端輸出PWM調制波形，相應控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而實(shí)現電機正轉并進(jìn)行速度調整;反之，MC33033將使AB輸出高電平，同時(shí)CT端輸出PWM調制波形，相應控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而實(shí)現電機反轉并進(jìn)行速度調整。低電平時(shí)，停止信號接入到MC33033的19端(使能端)，如果它為高電平時(shí)，芯片將停止正常工作，此時(shí)就能實(shí)現電機的停轉。這就是電機部分如何實(shí)現電機正轉、反轉、停止以及正反轉分別調速的原理。

3 基于FPGA的自動(dòng)門(mén)主控制電路

用VHDL進(jìn)行電子系統設計的優(yōu)點(diǎn)是從上而下的設計方法，設計者不用考慮實(shí)際工藝，可以全心在思路設計上，這樣更有利于系統的簡(jiǎn)單和實(shí)際應用。

3.1 設計思路

首先畫(huà)出自動(dòng)門(mén)控制器的狀態(tài)圖。分析自動(dòng)門(mén)的運行過(guò)程可知：門(mén)開(kāi)始處于閉合狀態(tài)，有開(kāi)信號則開(kāi)門(mén)，開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中如遇到阻力則暫停一段時(shí)間，然后自動(dòng)繼續原來(lái)的開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作。門(mén)在運行過(guò)程中遇到停信號以及起始位置(門(mén)關(guān)時(shí))則停，遇到底(門(mén)全開(kāi)時(shí))位置信號則暫停一段時(shí)間，然后自動(dòng)執行關(guān)門(mén)動(dòng)作。假設x1、x2、x3分別表示開(kāi)、關(guān)、?？刂菩盘?x4表示門(mén)在運行過(guò)程中遇到障礙時(shí)傳感器發(fā)出的信號;x5表示門(mén)完全閉合;x6表示門(mén)完全打開(kāi)。COUT為控制器內部的定計時(shí)控制信號(這里假定三個(gè)暫停狀態(tài)的暫停時(shí)間一樣)。

s0表示電動(dòng)門(mén)處于零位置時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)門(mén)處于關(guān)閉的位置;s1表示電動(dòng)門(mén)開(kāi)的狀態(tài)、電機正轉的情況;s2表示電動(dòng)門(mén)關(guān)的狀態(tài)、電機反轉的情況;s3表示電動(dòng)門(mén)停止時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)要求電機停止轉動(dòng);s4表示電動(dòng)門(mén)處于底位置時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)門(mén)處于開(kāi)的臨界位置;s5表示在反轉過(guò)程中電動(dòng)門(mén)在遇到障礙時(shí)的暫停狀態(tài);s6表示在正轉過(guò)程中電動(dòng)門(mén)在遇到障礙時(shí)的暫停狀態(tài)。Z1、Z2、Z3分別表示控制器發(fā)給電機控制電路的開(kāi)、關(guān)、?？刂菩盘?。

3.2 自動(dòng)門(mén)控制器的VHDL語(yǔ)言設計

(1)VHDL的實(shí)體描述：

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY door IS

PORT(

Clk,reset: IN STD_LOGIC;--時(shí)鐘和復位信號;

X1,x2,x3,x4,x5,x6:OUT STD_LOGIC;--開(kāi)關(guān)量;

Outputs:OUT_LOGIC_VECTOR(1 TO 3);

ten:OUT STD_LOGIC);

END door;

(2)主控組合進(jìn)程部分程序

PROCESS(current_state,x1,x2,x3,x4,x5,x6)

BEGIN

CASE current_state IS

WHEN so=>comb_output=’001’;

en=’0’;

IF x1=’1’ THEN next_states1;

………………

ELSE next_states0;

………………

END IF;

4 結束語(yǔ)

本文中介紹的自動(dòng)控制系統采用了先進(jìn)的EDA技術(shù)，從上而下的設計方法，與工藝無(wú)關(guān)的設計思路，使設計者在設計中更多的考慮系統的實(shí)現，更好的簡(jiǎn)化系統，同時(shí)大大縮短了系統的設計完成時(shí)間。EDA技術(shù)將在自動(dòng)控制中應用會(huì )越來(lái)越廣泛。