基于FPGA的洗衣機控制系統的設計與實(shí)現

　　隨著(zhù)時(shí)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(dòng)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(mǎi)時(shí)成本偏高，所以結構簡(jiǎn)單、價(jià)格實(shí)惠的雙缸洗衣機依然受到普通大眾的歡迎。從市場(chǎng)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機械式的轉鈕，所以發(fā)生故障的概率很高，且一直以來(lái)都未找到合適的問(wèn)題解決辦法。隨著(zhù)芯片制造工藝的發(fā)展和成本的進(jìn)一步降低，可編程門(mén)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(diǎn)，在大規模數據計算、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統，本文充分利用FPGA的特點(diǎn)，用其作為洗衣機控制系統的核心，配置電路和控制邏輯的設計是該系統的重要組成部分，該控制系統很好的解決了洗衣機機械式控制的問(wèn)題，實(shí)現了洗衣機的正常工作。

　　1 系統控制邏輯設計

　　傳統雙缸洗衣機洗滌模式分為強洗、輕柔、標準3種。根據傳統洗衣機的洗滌模式，文中分別設計了3種洗滌模式的控制邏輯。強洗時(shí)：洗滌電機以1 200 r／min的轉速正向連續工作5 s，之后暫停工作2 s；然后電機以相同的轉速反向連續工作5 s，后暫停2 s，如此循環(huán)控制電機，直到洗滌定時(shí)結束。標準和輕柔洗時(shí)：其邏輯控制過(guò)程和強洗相同，不同的是電機分別以1 000r／min和800r／min的轉速連續工作。洗滌時(shí)間通過(guò)控制面板的時(shí)間增減按鍵設置?？刂葡到y的默認值為標準模式洗滌，洗滌時(shí)間為10 min?？赏ㄟ^(guò)模式選擇按鍵和洗滌時(shí)間設置按鍵選擇自己想要的洗滌模式和時(shí)間，當一次洗滌結束，系統自動(dòng)返回默認狀態(tài)。洗滌過(guò)程由啟／停鍵控制。洗滌的定時(shí)誤差小于0．2s。

　　2 控制系統總體設計

　　系統主要由FPGA主控芯片、模式選擇控制、中斷控制、排水電磁閥控制、定時(shí)器輸入控制、聲光報警電路、洗滌電機和整個(gè)系統的供電電路組成。如圖1所示。

圖1 控制系統總體框圖　

　　2．1 FPGA芯片選擇

　　在FPGA的應用過(guò)程中，首先就是要對FPGA芯片進(jìn)行選型，根據具體應用選擇合適的FPGA芯片對于下一步的開(kāi)發(fā)以及功能實(shí)現有著(zhù)重要的意義。我們根據前面平臺的總體設計，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3．3 V的實(shí)時(shí)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(mǎn)足要求。它具有出色的運算速度、低成本且帶有DSP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(yǔ)言的綜合運用。其優(yōu)勢突出，性?xún)r(jià)比較高。

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計上對配置電路做一下要點(diǎn)分析。

　　1）電源電路的設計電源系統為整個(gè)系統提供能量，是系統正常工作的保障，具有極其重要的地位。一個(gè)好的電源往往能使系統的故障減少一半以上。因為市電為220 V交流電，所以在給控制系統供電之前需要一個(gè)變壓器將電壓降為5 V，FPGA的I／O端口供電點(diǎn)壓是3．3 V，內核供電電壓是1．2 V，需再由TPS37HD301將5 V轉化為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(shí)鐘和復位電路的設計時(shí)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(shí)可以支持芯片內部的PPL功能及ISP下載功能，使系統運行速度更快，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(gè)IDC-10的JTAG接口即可滿(mǎn)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(jìn)行重復編程，也可以通過(guò)AS接口進(jìn)行在線(xiàn)系統編程。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(lái)提醒洗衣機的工作狀態(tài)。

　　6）時(shí)間輸入和顯示電路利用4個(gè)按鍵輸入洗滌時(shí)間，兩個(gè)數碼管顯示設定時(shí)間。有關(guān)設定洗滌時(shí)間是由FPGA內部的定時(shí)器計時(shí)的，計時(shí)完成洗滌結束。

　　7）模式選擇和中斷控制模式選擇主要通過(guò)3個(gè)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(shí)候能夠隨時(shí)停止工作，在控制電路中加一個(gè)中斷控制按鍵。

　　8）排水控制電路 當洗衣機工作完成后，通過(guò)控制電路中的排水按鍵給FPGA一個(gè)信號，由其輸出控制信號，控制電磁閥。