基于EDA技術(shù)（FPGA）的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門和人類文明是孿生的，它伴隨著人類文明的發(fā)展而躍動(dòng)。21世紀(jì)的今天，門更加突出了安全理念，強(qiáng)調(diào)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(qiáng)調(diào)門與建筑以及周圍環(huán)境整體的協(xié)調(diào)、和諧。

門大規(guī)模專業(yè)化生產(chǎn)始于150年前，在不斷發(fā)展和完善的過程中，涌現(xiàn)出大批獨(dú)具規(guī)模的專業(yè)制造商。門的高級(jí)形式--自動(dòng)門起源在歐美，迅速發(fā)展至今天，已經(jīng)形成了種類齊全、功能完善、造工精細(xì)的自動(dòng)門家族。

中國早在十多年前就開始引用歐洲自動(dòng)門，并把它應(yīng)用在酒店、機(jī)場(chǎng)、購物中心、銀行、寫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)門從理論上理解應(yīng)該是門的使用觀念的延伸，是人們根據(jù)需要對(duì)門的功能的提升和完善。所以對(duì)自動(dòng)門的認(rèn)識(shí)應(yīng)該從人對(duì)門功能的要求開始。作為建筑物一部分的門，從最基本的意義上講，要同時(shí)滿足隔離外部環(huán)境和不妨礙人的通行這兩種要求。因此門體本身應(yīng)牢固、密封。

因此，設(shè)計(jì)一個(gè)操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、成本低的自動(dòng)門的控制系統(tǒng)具有一定的市場(chǎng)。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)為了達(dá)到上述目的，采用了如下設(shè)計(jì)方案：采用按鈕、無線遙控、紅外感應(yīng)三種驅(qū)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(shè)計(jì)主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可軟件診錯(cuò);采用自動(dòng)復(fù)位以及電機(jī)專用控制芯片來保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。由于設(shè)計(jì)采用了EDA技術(shù)的VHDL設(shè)計(jì)而非傳統(tǒng)的單片機(jī)設(shè)計(jì)，是一種自上向下的設(shè)計(jì)方法，使得系統(tǒng)的開發(fā)周期短、成本降低。下文將詳細(xì)介紹系統(tǒng)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)通過按鈕、無線遙控、紅外感應(yīng)三種驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門的開、關(guān)、停，且按鈕優(yōu)先級(jí)別最高。紅外感應(yīng)開關(guān)在有人來時(shí)自動(dòng)門開。還可以通過人工控制方式使用按鍵與遙控器來控制自動(dòng)門的開、關(guān)、停。無線遙控器可根據(jù)實(shí)際情況在市場(chǎng)考查選用。自動(dòng)門主控制器電路用一片F(xiàn)PGA芯片，根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及位置和遇阻外部信號(hào)來完成對(duì)門運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換控制;自動(dòng)門的電機(jī)控制電路則根據(jù)主控制器發(fā)出的正反轉(zhuǎn)以及停控制信號(hào)來控制電機(jī)的開、關(guān)、停以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門正反運(yùn)行的分別調(diào)速。

2 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

為了保證電機(jī)的控制簡(jiǎn)便可靠，設(shè)計(jì)中使用了電機(jī)專用控制芯片MC33033如圖1。該芯片可對(duì)直流電機(jī)速度進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)控制，亦可分別對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)速。MC33033是第二代無刷直流電機(jī)控制器的典型芯片，該芯片內(nèi)含轉(zhuǎn)子位置譯碼器，并可為傳感器工作提供帶有溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖蓟鶞?zhǔn)電壓。MC33033的另一個(gè)特點(diǎn)是內(nèi)含三個(gè)集電極開路的頂部驅(qū)動(dòng)器和為MOSFET驅(qū)動(dòng)電源而設(shè)計(jì)的三個(gè)高電流推拉式底部驅(qū)動(dòng)器，并具有電機(jī)過流檢測(cè)和保護(hù)功能。

MC33033應(yīng)用到自動(dòng)門的電機(jī)控制時(shí)，將邏輯運(yùn)算電路得出的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)作為三個(gè)輸入信號(hào)(優(yōu)先級(jí)高低順序是停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，正常情況下三個(gè)信號(hào)中有且僅有一個(gè)有效)。正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)信號(hào)經(jīng)過邏輯門接入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(diào)制波形，相應(yīng)控制開關(guān)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)并進(jìn)行速度調(diào)整;反之，MC33033將使AB輸出高電平，同時(shí)CT端輸出PWM調(diào)制波形，相應(yīng)控制開關(guān)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)并進(jìn)行速度調(diào)整。低電平時(shí)，停止信號(hào)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(xiàn)電機(jī)的停轉(zhuǎn)。這就是電機(jī)部分如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止以及正反轉(zhuǎn)分別調(diào)速的原理。

3 基于FPGA的自動(dòng)門主控制電路

用VHDL進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是從上而下的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)者不用考慮實(shí)際工藝，可以全心在思路設(shè)計(jì)上，這樣更有利于系統(tǒng)的簡(jiǎn)單和實(shí)際應(yīng)用。

3.1 設(shè)計(jì)思路

首先畫出自動(dòng)門控制器的狀態(tài)圖。分析自動(dòng)門的運(yùn)行過程可知：門開始處于閉合狀態(tài)，有開信號(hào)則開門，開關(guān)門過程中如遇到阻力則暫停一段時(shí)間，然后自動(dòng)繼續(xù)原來的開關(guān)門動(dòng)作。門在運(yùn)行過程中遇到停信號(hào)以及起始位置(門關(guān)時(shí))則停，遇到底(門全開時(shí))位置信號(hào)則暫停一段時(shí)間，然后自動(dòng)執(zhí)行關(guān)門動(dòng)作。假設(shè)x1、x2、x3分別表示開、關(guān)、?？刂菩盘?hào);x4表示門在運(yùn)行過程中遇到障礙時(shí)傳感器發(fā)出的信號(hào);x5表示門完全閉合;x6表示門完全打開。COUT為控制器內(nèi)部的定計(jì)時(shí)控制信號(hào)(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)門處于零位置時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)門處于關(guān)閉的位置;s1表示電動(dòng)門開的狀態(tài)、電機(jī)正轉(zhuǎn)的情況;s2表示電動(dòng)門關(guān)的狀態(tài)、電機(jī)反轉(zhuǎn)的情況;s3表示電動(dòng)門停止時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)要求電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng);s4表示電動(dòng)門處于底位置時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)門處于開的臨界位置;s5表示在反轉(zhuǎn)過程中電動(dòng)門在遇到障礙時(shí)的暫停狀態(tài);s6表示在正轉(zhuǎn)過程中電動(dòng)門在遇到障礙時(shí)的暫停狀態(tài)。Z1、Z2、Z3分別表示控制器發(fā)給電機(jī)控制電路的開、關(guān)、?？刂菩盘?hào)。

3.2 自動(dòng)門控制器的VHDL語言設(shè)計(jì)

(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(fù)位信號(hào);

X1,x2,x3,x4,x5,x6:OUT STD_LOGIC;--開關(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(jié)束語

本文中介紹的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的EDA技術(shù)，從上而下的設(shè)計(jì)方法，與工藝無關(guān)的設(shè)計(jì)思路，使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)中更多的考慮系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，更好的簡(jiǎn)化系統(tǒng)，同時(shí)大大縮短了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成時(shí)間。EDA技術(shù)將在自動(dòng)控制中應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。