基于EDA技術的自動門控制系統(tǒng)設計

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 世紀的今天，門更加突出了安全理念，強調(diào)了有效性：有效地防范、通行、疏散，同時還突出了建筑藝術的理念，強調(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，并把它應用在酒店、機場、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。所以對自動門的認識應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。因此門體本身應牢固、密封。

　　因此，設計一個操作方便、運行穩(wěn)定可靠、成本低的自動門的控制系統(tǒng)具有一定的市場。

　　本文設計的自動門控制系統(tǒng)為了達到上述目的，采用了如下設計方案：采用按鈕、無線遙控、紅外感應三種驅(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技術設計主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可軟件診錯；采用自動復位以及電機專用控制芯片來保證系統(tǒng)的可靠運行。由于設計采用了EDA 技術的VHDL 設計而非傳統(tǒng)的單片機設計，是一種自上向下的設計方法，使得系統(tǒng)的開發(fā)周期短、成本降低。下文將詳細介紹系統(tǒng)各個部分的設計。

　　1 系統(tǒng)分析

　　本系統(tǒng)通過按鈕、無線遙控、紅外感應三種驅(qū)動方式實現(xiàn)自動門的開、關、停，且按鈕優(yōu)先級別最高。紅外感應開關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、停。無線遙控器可根據(jù)實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行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換控制；自動門的電機控制電路則根據(jù)主控制器發(fā)出的正反轉(zhuǎn)以及停控制信號來控制電機的開、關、停以及實現(xiàn)自動門正反運行的分別調(diào)速。

　　2 電機控制電路設計

　　為了保證電機的控制簡便可靠，設計中使用了電機專用控制芯片MC33033 如圖1。該芯片可對直流電機速度進行開環(huán)和閉環(huán)控制，亦可分別對電機正反轉(zhuǎn)進行調(diào)速。MC33033 是第二代無刷直流電機控制器的典型芯片，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償?shù)膮⒖蓟鶞孰妷?。MC33033 的另一個特點是內(nèi)含三個集電極開路的頂部驅(qū)動器和為MOSFET 驅(qū)動電源而設計的三個高電流推拉式底部驅(qū)動器，并具有電機過流檢測和保護功能。

　　MC33033 應用到自動門的電機控制時，將邏輯運算電路得出的停止、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，相應控制開關動作，從而實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)并進行速度調(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，相應控制開關動作，從而實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)并進行速度調(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，此時就能實現(xiàn)電機的停轉(zhuǎn)。這就是電機部分如何實現(xiàn)電機正轉(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 進行電子系統(tǒng)設計的優(yōu)點是從上而下的設計方法，設計者不用考慮實際工藝，可以全心在思路設計上，這樣更有利于系統(tǒng)的簡單和實際應用。

　　3.1 設計思路

　　首先畫出自動門控制器的狀態(tài)圖。分析自動門的運行過程可知：門開始處于閉合狀態(tài)，有開信號則開門，開關門過程中如遇到阻力則暫停一段時間，然后自動繼續(xù)原來的開關門動作。門在運行過程中遇到停信號以及起始位置（門關時）則停，遇到底（門全開時）位置信號則暫停一段時間，然后自動執(zhí)行關門動作。假設x1、x2、x3 分別表示開、關、停控制信號；x4 表示門在運行過程中遇到障礙時傳感器發(fā)出的信號；x5 表示門完全閉合；x6 表示門完全打開。COUT 為控制器內(nèi)部的定計時控制信號(這里假定三個暫停狀態(tài)的暫停時間一樣)。

　s0 表示電動門處于零位置時的狀態(tài)，此時電動門處于關閉的位置；s1 表示電動門開的狀態(tài)、電機正轉(zhuǎn)的情況；s2 表示電動門關的狀態(tài)、電機反轉(zhuǎn)的情況；s3 表示電動門停止時的狀態(tài)，此時要求電機停止轉(zhuǎn)動；s4 表示電動門處于底位置時的狀態(tài)，此時電動門處于開的臨界位置；s5 表示在反轉(zhuǎn)過程中電動門在遇到障礙時的暫停狀態(tài)；s6 表示在正轉(zhuǎn)過程中電動門在遇到障礙時的暫停狀態(tài)。Z1、Z2、Z3 分別表示控制器發(fā)給電機控制電路的開、關、?？刂菩盘?。

?　　3.2 自動門控制器的VHDL 語言設計

　　(1) VHDL 的實體描述：

　　LIBRARY IEEE;
　　USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
　　ENTITY door IS
　　PORT(
　　Clk,reset: IN STD_LOGIC;--時鐘和復位信號；
　　X1,x2,x3,x4,x5,x6:OUT STD_LOGIC;--開關量；
　　Outputs:OUT_LOGIC_VECTOR(1 TO 3);
　　Ten:OUT STD_LOGIC);
　　END door;

　　(2) 主控組合進程部分程序

　　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_state　　………………
　　ELSE next_state　　………………
　　END IF;

　　4 結束語

　　本文中介紹的自動控制系統(tǒng)采用了先進的EDA 技術，從上而下的設計方法，與工藝無關的設計思路，使設計者在設計中更多的考慮系統(tǒng)的實現(xiàn)，更好的簡化系統(tǒng)，同時大大縮短了系統(tǒng)的設計完成時間。EDA 技術將在自動控制中應用會越來越廣泛。