基于EDA技術的自動門控制系統設計

引 言

　　門和人類文明是孿生的，它伴隨著人類文明的發展而躍動。21 世紀的今天，門更加突出了安全理念，強調了有效性：有效地防范、通行、疏散，同時還突出了建筑藝術的理念，強調門與建筑以及周圍環境整體的協調、和諧。

　　門大規模專業化生產始于150 年前，在不斷發展和完善的過程中，涌現出大批獨具規模的專業制造商。門的高級形式--自動門起源在歐美，迅速發展至今天，已經形成了種類齊全、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、運行穩定可靠、成本低的自動門的控制系統具有一定的市場。

　　本文設計的自動門控制系統為了達到上述目的，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轉換，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的可靠運行。由于設計采用了EDA 技術的VHDL 設計而非傳統的單片機設計，是一種自上向下的設計方法，使得系統的開發周期短、成本降低。下文將詳細介紹系統各個部分的設計。

　　1 系統分析

　　本系統通過按鈕、無線遙控、紅外感應三種驅動方式實現自動門的開、關、停，且按鈕優先級別最高。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，根據驅動信號以及位置和遇阻外部信號來完成對門運行狀態的轉換控制；自動門的電機控制電路則根據主控制器發出的正反轉以及停控制信號來控制電機的開、關、停以及實現自動門正反運行的分別調速。

　　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和閉環控制，亦可分別對電機正反轉進行調速。MC33033 是第二代無刷直流電機控制器的典型芯片，該芯片內含轉子位置譯碼器，并可為傳感器工作提供帶有溫度補償的參考基準電壓。MC33033 的另一個特點是內含三個集電極開路的頂部驅動器和為MOSFET 驅動電源而設計的三個高電流推拉式底部驅動器，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、反轉作為三個輸入信號（優先級高低順序是停止、正轉、反轉，正常情況下三個信號中有且僅有一個有效)。正轉和反轉信號經過邏輯門接入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 調制波形，相應控制開關動作，從而實現電機正轉并進行速度調整；反之，MC33033 將使AB 輸出高電平，同時CT 端輸出PWM 調制波形，相應控制開關動作，從而實現電機反轉并進行速度調整。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，此時就能實現電機的停轉。這就是電機部分如何實現電機正轉、反轉、停止以及正反轉分別調速的原理。

　　3 基于FPGA 的自動門主控制電路

　　用 VHDL 進行電子系統設計的優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圖。分析自動門的運行過程可知：門開始處于閉合狀態，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 為控制器內部的定計時控制信號(這里假定三個暫停狀態的暫停時間一樣)。

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

?　　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的實現，更好的簡化系統，同時大大縮短了系統的設計完成時間。EDA 技術將在自動控制中應用會越來越廣泛。