配置电路设计 - 基于FPGA的洗衣机控制系统的设计与实现

　　2．2 配置电路

　　FPGA芯片正常工作需要完整的配置电路，下面从硬件的选型和设计上对配置电路做一下要点分析。

　　1）电源电路的设计电源系统为整个系统提供能量，是系统正常工作的保障，具有极其重要的地位。一个好的电源往往能使系统的故障减少一半以上。因为市电为220 V交流电，所以在给控制系统供电之前需要一个变压器将电压降为5 V，FPGA的I／O端口供电点压是3．3 V，内核供电电压是1．2 V，需再由TPS37HD301将5 V转化为3．3 V和1．2 V。FPGA的端口电压是3．3 V，为将I／O电压升压到5 V，在这里使用74HCT245升压芯片。

　　2）时钟和复位电路的设计时钟电路中用ZPB-26-16M作为有源晶振。它的频率为16M，这使得串口波特率更加精确，同时可以支持芯片内部的PPL功能及ISP下载功能，使系统运行速度更快，更方便程序调试下载。复位电路采取硬件复位和软件复位。

　　3）调试JTAG和下载电路FPGA 内部可以直接搭建软核。ISP和JTAG，所以在硬件电路接一个IDC-10的JTAG接口即可满足要求。

　　4）配置存储电路选EPCS16作为FPGA的ROM，可以由下载电缆或其他设备进行重复编程，也可以通过AS接口进行在线系统编程。用FPGA芯片内部自带的4M的On-Chip memory作为FPGA的RAM。

　　5）声光报警电路 声光电路主要由发光二极管和蜂鸣器组成，直接接入FPGA，来提醒洗衣机的工作状态。

　　6）时间输入和显示电路利用4个按键输入洗涤时间，两个数码管显示设定时间。有关设定洗涤时间是由FPGA内部的定时器计时的，计时完成洗涤结束。

　　7）模式选择和中断控制模式选择主要通过3个按键输入洗涤的模式（强洗、标准、轻柔）。为了让洗衣机在工作的时候能够随时停止工作，在控制电路中加一个中断控制按键。

　　8）排水控制电路 当洗衣机工作完成后，通过控制电路中的排水按键给FPGA一个信号，由其输出控制信号，控制电磁阀。

　　3 主控系统关键程序设计

　　将程序设计分为硬件程序设计和软件程序设计两部分，硬件程序设计要对硬件电路进行时序仿真以确定达到涮试的效果。FPGA开发环境是由Ouartus II进行硬核平台的搭建与设计和Nios II进行软核编程组成，这里用的是Quartus II9．0和Nios II 9．0软件。

　　3．1 模式控制电路设计

　　在模式控制电路中，用key1、key2、key3 3个按钮选择模式，分别代表强洗、标准、轻柔。在洗涤之前选择洗涤的模式，在洗涤的过程中由FPGA输出控制信号，控制洗涤电机的工作。根据洗涤控制电路性能要求，搭建硬件原理图，编译后对key1、key2、key3进行时序仿真，分析时序关系，估计设计的性能及检查和消除竞争冒险。仿真结果如图2所示。其中Output输出的是控制电机转速的PWM波形。

　
　图2 key1、key2、key3时序仿真

　　由上图可以看出，当依次按下key1、key2、key3时，output输出波形的频率是越来越小，使得电机转速也是越来越小，电机的输出力矩也会随之变小。

　　3．2 电机控制模块设计

　　在电机控制模块里，通过FPGA输出驱动信号，控制洗涤电机的正反向转动，以达到洗涤的目的。根据原理和性能要求，搭建硬件原理图，编译后对洗涤电机控制信号进行时序仿真，来研究其性能是否符合设计的要求。仿真结果如图3所示。

　　
图3 电机控制信号时序仿真

　　图中的clr为片选信号，输出output为电机驱动信号，fd为电机方向信号，output16是送往SOPC的信号，clr是由SOPC送出的控制信号。由仿真图看出，当片选信号clr为高电平时，开始10个PWM波形的fd信号为高，接下来的后10个PWM波形电机方向信号fd则变为低电平。这个过程说明洗衣机完成了一次顺时针洗衣和逆时针洗衣的过程，顺时针洗衣服的时间是由lpm_cunstant控制的，在这里用10个波形代替。