基于FPGA的自動門控制設(shè)計

引 言

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。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。門的高級形式--自動門起源在歐美，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)的自動門家族。

中國早在十多年前就開始引用歐洲自動門，并把它應(yīng)用在酒店、機(jī)場、購物中心、銀行、寫字樓等大中型公共場所，為這些建筑增添了亮麗、時尚的姿彩。自動門從理論上理解應(yīng)該是門的使用觀念的延伸，是人們根據(jù)需要對門的功能的提升和完善。所以對自動門的認(rèn)識應(yīng)該從人對門功能的要求開始。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)計一個操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、成本低的自動門的控制系統(tǒng)具有一定的市場。本文設(shè)計的自動門控制系統(tǒng)為了達(dá)到上述目的，采用了如下設(shè)計方案：采用按鈕、無線遙控、紅外感應(yīng)三種驅(qū)動方式，既可自動控制又可人工控制，操作簡單并且適用范圍廣;采用EDA技術(shù)設(shè)計主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可軟件診錯;采用自動復(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)計采用了EDA 技術(shù)的VHDL 設(shè)計而非傳統(tǒng)的單片機(jī)設(shè)計，是一種自上向下的設(shè)計方法，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)各個部分的設(shè)計。

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)動方式實(shí)現(xiàn)自動門的開、關(guān)、停，且按鈕優(yōu)先級別最高。紅外感應(yīng)開關(guān)在有人來時自動門開。還可以通過人工控制方式使用按鍵與遙控器來控制自動門的開、關(guān)、停。無線遙控器可根據(jù)實(shí)際情況在市場考查選用。自動門主控制器電路用一片FPGA 芯片，根據(jù)驅(qū)動信號以及位置和遇阻外部信號來完成對門運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換控制;自動門的電機(jī)控制電路則根據(jù)主控制器發(fā)出的正反轉(zhuǎn)以及?？刂菩盘杹砜刂齐姍C(jī)的開、關(guān)、停以及實(shí)現(xiàn)自動門正反運(yùn)行的分別調(diào)速。

2 電機(jī)控制電路設(shè)計

為了保證電機(jī)的控制簡便可靠，設(shè)計中使用了電機(jī)專用控制芯片MC33033 如圖1。該芯片可對直流電機(jī)速度進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)控制，亦可分別對電機(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 的另一個特點(diǎn)是內(nèi)含三個集電極開路的頂部驅(qū)動器和為MOSFET 驅(qū)動電源而設(shè)計的三個高電流推拉式底部驅(qū)動器，并具有電機(jī)過流檢測和保護(hù)功能。

MC33033DWG 應(yīng)用到自動門的電機(jī)控制時，將邏輯運(yùn)算電路得出的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)作為三個輸入信號(優(yōu)先級高低順序是停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，正常情況下三個信號中有且僅有一個有效)。正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)信號經(jīng)過邏輯門接入MC33033 的3 端，如果該端為高電平時，MC33033 將使AT 輸出高電平，同時CB 端輸出PWM 調(diào)制波形，相應(yīng)控制開關(guān)動作，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CT 端輸出PWM 調(diào)制波形，相應(yīng)控制開關(guān)動作，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，停止信號接入到MC33033 的19 端(使能端)，如果它為高電平時，芯片將停止正常工作，此時就能實(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 的自動門主控制電路

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