隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，自動門的方便、安全、節(jié)能以及低噪音等特點使其應(yīng)用越來越廣泛，現(xiàn)為許多賓館、超市、百貨大樓等現(xiàn)代化建筑所必備。經(jīng)過對自動門市場和用戶的調(diào)查分析后發(fā)現(xiàn)，歐美國家的產(chǎn)品功能繁多，性能可靠，但這些產(chǎn)品的價格普遍偏高，操作復雜，而國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品往往性能不穩(wěn)定，故障率高，需要頻繁的維護，增加了運營成本^[1~2]。
　　因此，設(shè)計一操作方便、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(shè)計的自動門控制系統(tǒng)為了達到上述目的，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(shè)計采用了EDA技術(shù)的VHDL設(shè)計而非傳統(tǒng)的單片機設(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。下文將詳細介紹系統(tǒng)各個部分的設(shè)計^[3]。
1 系統(tǒng)分析
　　系統(tǒng)總框圖如圖1所示，通過按鈕、無線遙控、紅外感應(yīng)三種驅(qū)動方式實現(xiàn)自動門的開、關(guān)、停，且按鈕優(yōu)先級別最高。紅外感應(yīng)使用hp2100cdc型全自動人體紅外感應(yīng)開關(guān)，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。無線遙控器選用CY29-5A 型器件，其有效控制范圍在150米以內(nèi)。控制信號" title="控制信號">控制信號邏輯運算電路用來處理三種控制方式的優(yōu)先級別，以防系統(tǒng)混亂；自動門主控制器電路用一片F(xiàn)PGA，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；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(guān)、停以及實現(xiàn)自動門正反運行的分別調(diào)速。

　　設(shè)計重點為控制信號處理電路、電機控制電路、自動門主控制器電路。
2 邏輯運算電路設(shè)計
　　由于本自動門系統(tǒng)的驅(qū)動信號較多，為了避免這些信號之間在某些情況下出現(xiàn)矛盾，在三種驅(qū)動方式同時發(fā)出信號時，需要設(shè)定其優(yōu)先級別。控制信號邏輯運算電路主要完成將按鈕、無線遙控和紅外感應(yīng)三種驅(qū)動信號在處理好優(yōu)先級條件下轉(zhuǎn)換成三個控制信號(開、關(guān)、停)。其優(yōu)先級由高到低可以按照實際情況設(shè)定為：按扭、無線遙控、紅外感應(yīng)。列出其真值表，即可求得開、關(guān)、停的邏輯關(guān)系，或直接在FPGA中編程實現(xiàn)。
3 電機控制電路設(shè)計
　　為了保證電機的控制簡便可靠，設(shè)計中使用了電機專用控制芯片MC33033。該芯片是MOTOROLA公司生產(chǎn)的一種高性能直流電機控制器，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蓟鶞孰妷骸C33033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(shè)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。此外，MC33033還具有如下特點：
　　(1) 具有10～30V的寬電源電壓范圍；
　　(2) 具有欠壓鎖定功能；
　　(3) 可提供6.25V帶有溫度補償?shù)幕鶞孰妷涸矗?BR>　　(4) 帶有為閉環(huán)控制提供的誤差放大器；
　　(5) 與MC33033組合可控制三相橋式高電流驅(qū)動器；
　　(6) 具有周期—周期電流限制功能；
　　(7) 具有熱開關(guān)斷功能；
　　(8) 可在60°/120°或120°/240°的傳感器相位中任選；
　　(9) 亦可控制H橋式有刷直流電機。
　　利用MC33033也可以設(shè)計出直流有刷電機的速度控制電路。圖2為MC33033用于控制有刷電機的典型電路。如果在傳感器的輸入端加上某個輸入碼，如100，則當控制器的正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)引腳為邏輯1時，輸入碼使左上角Q和右下角Q產(chǎn)生驅(qū)動;當控制器的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)為邏輯0時，輸入碼使右上角Q和左下角Q產(chǎn)生驅(qū)動。

　　在通常情況下，控制器在PWM頻率為25kHz時就能正常工作，電機速度的控制可以通過調(diào)節(jié)誤差放大器的同相輸入電壓來實現(xiàn)，同時它也為PWM提供基準和限幅電平。周期電流限制(3A電機電流)是由電阻R到地之間的100mV門限電壓來完成的。過流保護電路能夠防止電機啟動和改變轉(zhuǎn)向時損壞器件，可以保證整個電路的安全^[4～6]。
　　MC33033應(yīng)用到自動門的電機控制原理如圖3所示。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，其中,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" title="高電平">高電平時，MC33033將使AT輸出高電平，開關(guān)Q1導通" title="導通">導通，同時CB端輸出PWM調(diào)制波形，開關(guān)Q4相應(yīng)地動作，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，開關(guān)Q2導通，同時CT端輸出PWM調(diào)制波形，開關(guān)Q3相應(yīng)地動作，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。

　　下面將具體分析電路是如何實現(xiàn)調(diào)速的。當電機控制部分被輸入正轉(zhuǎn)信號時，在MC33033芯片的3端為高電平信號，U2A光電隔離不會導通，U2B光電隔離可以導通，此時L2發(fā)光二極管會發(fā)光，表示正轉(zhuǎn)，高電平將通過RP2、二級管D2進入到MC33033的9端，其電壓可以通過滑動變阻器RP2來調(diào)整，而MC33033的9端是振蕩波，將會利用PWM原理對8與9進行比較來控制Q4的輸出脈沖波形，從而調(diào)整電動機正轉(zhuǎn)時的端電壓，實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)調(diào)速。當電機控制部分被輸入反轉(zhuǎn)信號時，MC33033芯片的3端是低電平信號，在經(jīng)過4011與非門后得出高電平，U2A光電隔離可以導通，U2B光電隔離不會導通，此時，L1發(fā)光二極管會發(fā)光，表示反轉(zhuǎn)，高電平將通過RP1、二級管D1進入到MC33033的9端，其電壓可以通過滑動變阻器RP2來調(diào)整，控制Q3的輸出脈沖，從而調(diào)整電動機反轉(zhuǎn)時的端電壓，實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)調(diào)速。
4 基于FPGA的自動門主控制電路
　　用VHDL進行電子系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)點是設(shè)計者可以專心致力于其功能的實現(xiàn)，而不需要對不影響功能的但與工藝有關(guān)的因素花費過多的時間和精力。因此本設(shè)計采用VHDL語言的狀態(tài)機設(shè)計法進行設(shè)計，通過編譯、仿真、綜合、配置，最終在FPGA上實現(xiàn)邏輯功能^[7]。
4.1 系統(tǒng)狀態(tài)圖
　　根據(jù)VHDL狀態(tài)機設(shè)計方法，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)即0位置，有開信號則開門，開關(guān)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(guān)門動作。門在運行過程中遇到停信號以及0位置則停遇到底位置信號則暫停一段時間，然后自動執(zhí)行關(guān)門動作。系統(tǒng)狀態(tài)圖如圖4所示。其中：x1、x2、x3分別表示開、關(guān)、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，即運行到0位置時傳感器發(fā)出的信號；x6表示門完全打開，即運行到底位置時傳感器發(fā)出的信號。

　　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(guān)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(guān)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(guān)、停控制信號。
4.2 自動門控制器的VHDL 設(shè)計
　　由狀態(tài)圖可以看出，本系統(tǒng)屬于MOORE 型有限狀態(tài)機設(shè)計，本文采用雙進程符號化的VHDL有限狀態(tài)機設(shè)計方法。分析狀態(tài)圖可以得出系統(tǒng)輸入輸出端口，如圖5所示。

　　(1) VHDL的實體描述：
　　ENTITY autodoor IS
　　PORT (
　　clk、reset: IN STD_LOGIC;——時鐘、系統(tǒng)復位信號；
　　x1、x2、x3、x4、x5、x6:OUT STD_LOGIC;——開、關(guān)、停、障礙、0位置、底位置
　　comb_outputs : OUT STD_LOGIC_VECTOR (1 TO 3);
　　——comb_outputs(1) 對應(yīng) Z1;
　　——comb_outputs(2) 對應(yīng)Z2;
　　——comb_outputs(3) 對應(yīng)Z3;
　　ten: OUT STD_LOGIC);——為了觀測暫停信號
　　END autodoor;
?? (2)主控時序進程
　　REG: PROCESS (reset,clk)
　　BEGIN
　　　　IF reset = ′1′ THEN current_state<=s0;
　　　　ELSIF clk=′1′ AND clk′EVENT THEN
　　　　　　current_state <= next_state;
　　　　END IF;
　　END PROCESS;
　　(3)主控組合進程部分程序
　　COM: PROCESS(current_state,x1,x2,x3,x4,x5,x6)
　　　　BEGIN
　　　　　　CASE current_state IS
　　　　　　　　WHEN s0 => comb_outputs<= '001';
　　　　　　　　en<=′0′; ——電動門在零位置狀態(tài)
　　　　IF x1=′1′ THEN next_state<=s1;
　　　　ELSE next_state<=s0;
　　　　END IF;
　　——表明只有當電動門在獲得正轉(zhuǎn)信號時，才會改變狀態(tài)(轉(zhuǎn)入s1狀態(tài))，即電動門開的狀態(tài)、電機正轉(zhuǎn)的情況
　　(4) 定時程序略
4.3 時序仿真波形
　　把設(shè)計的VHDL程序編譯，在MAX+PLUSⅡ下的仿真波形如圖6、圖7所示。

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